1、第3章半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路 3.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 3.2半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路 3.3穩(wěn)壓二極管及其基本應(yīng)用電路 3.4發(fā)光二極管及其基本應(yīng)用舉例3.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)一、本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、三、PNPN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运摹⑺摹NPN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體 導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1 1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？ 導(dǎo)體導(dǎo)體鐵、

2、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。 絕緣體絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。 半導(dǎo)體半導(dǎo)體硅（硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)鶠樗膬r(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。無(wú)雜質(zhì)無(wú)雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)

3、定的結(jié)構(gòu)2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為而成為自由電子自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱(chēng)為留有一個(gè)空位置，稱(chēng)為空穴空穴 自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱(chēng)為自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱(chēng)為復(fù)合復(fù)合。共價(jià)鍵共價(jià)鍵一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)（本征激發(fā)）加劇溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)（本征激發(fā)）加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡

4、兩種載流子兩種載流子 外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。目很少，故導(dǎo)電性很差。3、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子運(yùn)載電荷的粒子稱(chēng)為載流子。運(yùn)載電荷的粒子稱(chēng)為載流子。 溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。 熱力學(xué)溫度熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。時(shí)不導(dǎo)電。二、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N N型半導(dǎo)體5磷（磷（P） 雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子摻入雜質(zhì)越

5、多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時(shí)的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？2. 2. P型半導(dǎo)體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，導(dǎo)電性越強(qiáng)， 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，溫度變化時(shí)，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？三、PN結(jié)的

6、形成及其單向?qū)щ娦?物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。氣體、液體、固體均有之。體、液體、固體均有之。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高濃度遠(yuǎn)高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高子濃度遠(yuǎn)高于于P區(qū)。區(qū)。 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低區(qū)的自由電子濃度降低(相遇而復(fù)合相遇而復(fù)合) ，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。PN 結(jié)的形成 因電場(chǎng)作用所產(chǎn)因電場(chǎng)作用所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移生的運(yùn)動(dòng)稱(chēng)為漂移運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)。 參與參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，

7、的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡平衡，就形成了，就形成了PN結(jié)。結(jié)。漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng) 由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行內(nèi)電場(chǎng)，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、區(qū)、自由電子從自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。區(qū)運(yùn)動(dòng)。PN結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓 導(dǎo)通：導(dǎo)通： 減弱內(nèi)電場(chǎng)，耗盡層變窄，減弱內(nèi)電場(chǎng)，耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，作用，形成擴(kuò)散電流，PNPN結(jié)處結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓

8、截止：截止： 增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，耗盡層變寬，增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)，耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦訮NPN結(jié)的伏安特性曲線結(jié)的伏安特性曲線正偏正偏I(xiàn)F（多子擴(kuò)散）（多子擴(kuò)散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向飽和電流反向飽和電流反向擊穿反向擊穿清華大學(xué) 華成英 四、PN 結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢(shì)壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋

9、放的過(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱(chēng)為勢(shì)壘電容同，其等效電容稱(chēng)為勢(shì)壘電容Cb。2. 擴(kuò)散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其等效電容稱(chēng)為擴(kuò)散電容過(guò)程，其等效電容稱(chēng)為擴(kuò)散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦裕t失去單向?qū)щ娦裕?. 齊納擊穿（電場(chǎng)擊穿） PN結(jié)外加反壓大到一定程度，加到空間電荷區(qū)很強(qiáng)，結(jié)外加反壓大到一定程

10、度，加到空間電荷區(qū)很強(qiáng)，足以將原原子共價(jià)鍵中的電子拉出來(lái)，產(chǎn)生電離，形足以將原原子共價(jià)鍵中的電子拉出來(lái)，產(chǎn)生電離，形成反向大電流。成反向大電流。2. 雪崩擊穿（碰撞電離擊穿） PN結(jié)外加的反壓有利于少子漂移，結(jié)外加的反壓有利于少子漂移，p中少子電子，中少子電子，外加反壓很強(qiáng)時(shí)，有很大的動(dòng)能，可碰撞原子產(chǎn)生電外加反壓很強(qiáng)時(shí)，有很大的動(dòng)能，可碰撞原子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，一變二，二變四，形成反向大電流。子空穴對(duì)，一變二，二變四，形成反向大電流。五、PN結(jié)的擊穿特性熱擊穿熱擊穿燒壞燒壞PN結(jié)結(jié)電擊穿電擊穿可逆可逆雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子是由（ ）產(chǎn)生的。 A熱激發(fā) B光照 C摻雜元素 PN結(jié)中的正向電流是

11、由（ ）形成的。 A多子擴(kuò)散 B少子漂移 C少子擴(kuò)散 D多子漂移 PN結(jié)加上正偏置時(shí)，內(nèi)建電場(chǎng) ，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)， 載流子參與導(dǎo)電，形成正向大電流。 雜質(zhì)半導(dǎo)體有 半導(dǎo)體和 半導(dǎo)體兩種，PN結(jié)的擊穿有 擊穿和 擊穿兩種，PN結(jié)的結(jié)電容有 電容和 電容兩種。 PN結(jié)是 和 半導(dǎo)體晶格連續(xù)的交界面，當(dāng)PN結(jié)兩端加上正向電壓時(shí)，則PN結(jié)內(nèi)的_運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，_運(yùn)動(dòng)減弱。 3.2 半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管五、穩(wěn)壓二極管 一、二極管的組成將

12、將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管 一、二極管的組成點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作的電流小，最高工作頻率高。頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作的電流大，最高工作頻率低。頻率低。平面型：結(jié)面積可小、平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電高，大的結(jié)允許的電流大。流大。 二、二極管的伏安特性及電流方程

13、材料材料開(kāi)啟電壓開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開(kāi)啟開(kāi)啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱(chēng)為伏安特性。從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訲TSeuUuUiI若正向電壓，則) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管

14、壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線增大增大1倍倍/10TSuUiI 若反向電壓，則三、二極管的主要參數(shù) 最大整流電流最大整流電流IF：二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR：允許外加的最大反向電壓，手冊(cè)上給出的最高反向工作電壓一般是UBR的一半。 反向電流反向電流 IR：在室溫下，在二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)，流過(guò)管子的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶谩?/p>

15、 最高工作頻率最高工作頻率fM：二極管工作的上限頻率。因PN結(jié)有電容效應(yīng)四、二極管的等效電路理想理想二極管二極管近似分析近似分析中常用中常用理想開(kāi)關(guān)理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí) UD0截止時(shí)截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)UDUon截止時(shí)截止時(shí)IS0導(dǎo)通時(shí)導(dǎo)通時(shí)i與與u成線性關(guān)系成線性關(guān)系1. 將伏安特性折線化例p51記住記住練習(xí)3.42. 微變等效電路（了解）Q越高，rd越小。 當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。管等效為一個(gè)電阻，稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用時(shí)直流

16、電源作用小信號(hào)作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流/11DTDTuUSuUSDDDdDDDTTd IeIidiIerududuUU五、基本應(yīng)用電路 1.整流電路整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娮饔茫瑢⒔涣麟娮兂芍绷麟姷碾娐贰?U20 出波形U20 斷開(kāi)無(wú)波形全波整流全波整流220VuLioRLe2e2+-+220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUdc0.9E2 限幅電路是限制輸出信號(hào)幅度的電路。2.限幅電路鉗位電路：使輸出電位鉗制在某一數(shù)值上保持不變。設(shè)二極管為理想元件，當(dāng)輸入U(xiǎn)AUB3V時(shí)，二極管V1，V2正偏導(dǎo)通，輸出被鉗制在UA和UB上，即UF3V；當(dāng)UA0V，UB3V，則V1導(dǎo)通，輸出被

17、鉗制在UFUA0V，V2反偏截止。3.鉗位電路3.3 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管又稱(chēng)齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管。1. 伏安特性進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個(gè)由一個(gè)PN結(jié)組成，結(jié)組成，反向擊穿反向擊穿后在一定后在一定的電流范圍內(nèi)端電的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。定電壓。限流電阻限流電阻題：穩(wěn)壓管的二極管工作在_區(qū)2. 主要參數(shù) 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過(guò)大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電因功耗過(guò)大而

18、損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！流的限流電阻！（4）穩(wěn)定電流IZ (常記為Izmin) 、 最大穩(wěn)定電流Izmax。（5）額定功耗maxZZZMIUP（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/）（3）動(dòng)態(tài)電阻ZZIUZr注意：陰極到陽(yáng)極 例1：已知Ui=10v，R=200，RL=1k，Uz=6v， 求Iz；當(dāng)Ui=12v時(shí)，求Iz；當(dāng)Ui仍為10v，但RL=2k，求Iz。3、穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用電路1）穩(wěn)壓電路RLIRLIRUoIZIRUoUoIZDZRIOIRUiRL5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU例3：某穩(wěn)壓管2kLR 要求：當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。求：限流電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。例2p57令輸入電壓降到下限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWiuoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程，可解得：k50V7518.R,.ui解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管電流為Izmax mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi2）限幅電路0 1通2穩(wěn)設(shè)導(dǎo)通時(shí)設(shè)