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1、3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,半 导 体 材 料,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间 的物质。,常用的半导体材料：锗、硅、砷化镓等。,半导体的特性：热敏、光敏、掺杂等。,本 征 半 导 体,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,半导体的共价键结构,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,本 征 激 发,本征激发 : 常温下，由于热激发使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为“自由电子”，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴”。,自由电子,空穴,自由电子与空穴,“电子空穴对”,自由电子与空穴,复合,空 穴 的 运 动,原位置,新
2、位置,可把空穴看成一个带正电的粒子，和自由电子一样参与导电（载流子）。,本征半导体的导电特性,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即“电子空穴对”。,温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。,半导体的导电能力取决于载流子的浓度，但本征激发产生的载流子浓度很低。,杂 质 半 导 体,在本征半导体中掺入微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著的变化。,其原因是掺杂后的半导体，某种载流子的浓度会大大增加。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子型半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴型半导体）。,N 型 半 导 体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元
3、素磷（或砷、锑），磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,N 型 半 导 体,多余电子,磷原子,掺杂浓度远大于本征载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。 自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,P 型 半 导 体,在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于
4、硼原子接受电子，所以称为受主原子。,空穴,硼原子,P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,P 型 半 导 体,掺杂对半导体导电性能的影响,若掺入一亿分之一的B，则：,B原子密度为4.96 1014个cm3,即:空穴浓度为4.96 1014个cm3,导电率提高了3万多倍。,杂质半导体的示意图,3 二极管及其基本电路,3.2 PN结的形成及特性,P N 结 的 形 成,在同一片半导体基片上，用不同的掺杂工艺使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在两种半导体的交界面将形成PN结。,载 流 子 的 运 动,扩散运动：由于载流子的浓度差而产生的 运动。,漂移运动：载流子在电场的作用下而产生 的运
5、动。,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,PN结内部载流子的运动,扩散的进行使空间电荷区逐渐加宽。,空间电荷区越宽，内电场越强，使漂移运动越强。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，使空间电荷区的宽度不再变化，即形成了PN结。,势垒区,N型区,P型区,电位V,势 垒 区,正向偏置:,多子的扩散加强，形成较大的正向电流。,PN结的单向导电性,_,少子的漂移加强，但只能形成很小的反向电流。,反向偏置:,PN结的单向导电性,PN结的V-I特性,特性曲线：,特性表达式：,3 二极管及其基本电路,3.3 二 极 管,基 本 结 构,PN结加上管壳和引线，就成为二极管。,点接触型,基 本 结 构,
6、面接触型,平面型,伏 安 特 性,死区电压 硅管约0.5V,锗管约0.1V。,导通压降硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压,iD是通过二极管的电流，vD是二极管两端的电压差，VT是温度的电压当量=kT/q=0.026V。,二极管的V-I 特性表达式,常见的二极管,主 要 参 数,（1）最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,（2）反向击穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半。,（3）反向电流 IR,指二极管未击穿时的反向电流。,硅管的
7、反向电流很小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,温度升高，反向电流会急剧增大。,反向电流越小，则管子的单向导电性越好。,主 要 参 数,（4）极间电容,二极管的极间电容由两部分组成：势垒电容CB用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应；扩散电容CD用来描述扩散区的非平衡少子随外加电压变化而产生的电容效应。,主 要 参 数,（4）极间电容,势垒区是积累空间电荷的区域，当外加电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容效应是势垒电容CB 。,主 要 参 数,为了形成正向电流（扩散电流），注入P区的少子（电子）在P区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P区有电子
8、的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,（4）极间电容,主 要 参 数,正偏时结电容较大（主要取决于CD）；反偏时结电容较小（主要取决于CB）。,PN结的高频小信号等效电路：,结电容,（4）极间电容,主 要 参 数,（5）微变电阻 rD,iD,vD,ID,VD,Q,rd是二极管特性曲线工作点Q附近的电压变化量与电流变化量之比：,rd与Q的位置有关。,主 要 参 数,二极管的型号,2AP7的含义：,N型锗材料普通二极管,半导体器件的型号命名：,2CW56A的含义：,N型硅材料稳压二极管,二极管的型号,半导体器件的型号命名：,2 C W 56
9、 A,3 二极管及其基本电路,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,二极管正向特性的建模,(1) 理想模型：,(2) 恒压降模型：,实际特性,理想特性,理想模型,二极管正向特性的建模,(3) 折线模型：,(4) 小信号模型：,模型分析法应用举例,（1）二极管电路的静态分析,习惯画法,静态分析是在直流电源作用下，求电路各部分的直流电压和直流电流。,（1）二极管电路的静态分析,例：分别用二极管的理想模型、恒压源模型和折线模型求电路的ID和VD的值。,模型分析法应用举例,用理想模型：,VD0V,（1）二极管电路的静态分析,模型分析法应用举例,用恒压降模型：,VD0.7V,（1）二极管电路的静态分析,
10、模型分析法应用举例,用折线模型：,（1）二极管电路的静态分析,模型分析法应用举例,（2）二极管限幅电路,模型分析法应用举例,R,Vi,VO,D,Vi,VO,t,t,（2）二极管限幅电路,3v,3v,模型分析法应用举例,（2）二极管限幅电路,模型分析法应用举例,F,A,B,0V,3V,0V 0V 0V,0V 3V 0V,3V 0V 0V,3V 3V 3V,（3）二极管开关电路,模型分析法应用举例,（4）低电压稳压电路,模型分析法应用举例,3 二极管及其基本电路,3.5 特殊二极管,稳压二极管（齐纳二极管）,特点：反向击穿时，在一定电流范围内，二极管两端电压基本不变。,符号：,稳 压 二 极 管,
11、U,主要参数：,（1）稳定电压 VZ,（2）最小稳定电流Izmin,最大稳定电流Izmax,（3）动态电阻,（4）温度系数,稳 压 二 极 管,应用：简单的并联式稳压电路,稳压过程：,性能：结电容随反向电压的增加而减少。,变 容 二 极 管,应用：作可变电容，多用于高频电路中。,性能：反向电流随光照强度的增加而上升。,光 电 二 极 管,应用：光电转换。,发 光 二 极 管,性能：有正向电流流过时，发出一定波长范围的光。,光谱：从红外到可见光，其波长由所使用的材料而定。,参数：工作电流10mA左右，正向电压12V，参见P57。,应用：显示、电光转换（P91）。,课 堂 练 习,2.4.1 (1) 用恒压降模型求ID和VO：,VO1.4V,课 堂 练 习,2.4.1 (2) 用小信号模型求VO的变化范围：,VDD2 V,ID 2 mA,课 堂 练 习,2.4.1 (2) 用小信号模型求VO的变化范围：,VDD2 V,课 外 作 业,P97：3.4.5 (d),3.4.6 (b),3.4.9 3.5.1,