1、晶體二極管及其電路1第1頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三1.1 半導體的基本知識一 導體、半導體和絕緣體的特點導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺（e)、硅(Si)、砷化鎵(GaAs)和一些硫化物、氧化物等。2第2頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如： 熱敏性、光敏性：當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。 微量雜質影

2、響半導體導電性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。3第3頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三二、本征半導體：1、本征半導體的結構特點GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。現代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。4第4頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：5第5頁

3、，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子6第6頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+47第7頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三2、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發時

4、,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。在常溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。（1）.載流子、自由電子和空穴的概念8第8頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子9第9頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三（2）.本征半導體的導電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子

5、。本征半導體中存在數量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。10第10頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流。11第11頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三三 雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：空穴濃度大大

6、增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。12第12頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三1、N 型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。13第13頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三+4+4+5+4多余電子磷原子N 型半導體中

7、的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子(多子），空穴稱為少數載流子（少子）。14第14頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三2、P 型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4

8、空穴硼原子P 型半導體中空穴是多子，電子是少子。15第15頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三3、雜質半導體的示意表示法P 型半導體+N 型半導體雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。16第16頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三一 、PN 結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和N 型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結。1.2 PN結與晶體二極管17第17頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三P型半導體N型半導體+擴散運

9、動內電場漂移運動1、擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬。2、內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。空間電荷區，也稱耗盡層。18第18頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三漂移運動P型半導體N型半導體+擴散運動內電場3、所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。19第19頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三+空間電荷區或耗盡層或PN結N型區P型區電位UU020第20頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三二、 PN結的單向導電性PN結的單向導電性只有在外加電壓時才顯

10、示出來 PN 結加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區加正、N 區加負電壓。 PN 結加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區加負、N 區加正電壓。21第21頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三+RE、外加正向電壓內電場外電場變薄PN+_耗盡層消失，形成較大的電流，相當于導通。PN結導通22第22頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三、外加反向電壓+內電場外電場變厚NP_內電場被加強，耗盡區變厚。只是少子移動，形成較小的反向電流（A), 可忽略，相當于截止。RE多子多子少子少子PN結截止23第23頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，

11、星期三 三、PN結u-I特性曲線及表達式ui死區電壓Ur:硅管約為0.6V,鍺管約為0.2V導通壓降UD:硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V。反向擊穿電壓UZUZUrUD式中：UT當量電壓,約26mVuPN結電壓IS反向飽和電流24第24頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三四、 PN結的擊穿iuUZ電擊穿(反向擊穿)熱擊穿雪崩擊穿齊納擊穿擊穿正向熱擊穿反向熱擊穿25第25頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三五、PN結的電容效應（形成結電容C）1、由勢壘電容CT和擴散電容CD兩部分組成。勢壘電容：由耗盡區厚度和面積S決定且與成反比，與S成正比。正偏時，

12、CT較大，反偏時，CB較小擴散電容：由載流子數目決定且成正比。正偏時，CD較大，反偏時，CD很小，可忽略P+-N結論：正偏時，結電容C較大；反偏時，結電容C較小且主要取決于CT26第26頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三2、PN結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應rd27第27頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三六、晶體二極管（一）、二極管的實質和符號二極管實質就是一個PN結，其符號為NPAK陽極陰極（二）、二極管的結構分類1、點接觸型：適用于高頻小電流電路，作為檢波、 脈沖電路的開關元件。引線外殼線觸絲線基片點接觸型28第28頁

13、，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三PN結2、面接觸型：適用于低頻大電流電路，作為整流元件3、平面型：集成電路，作為整流元件和開關元件。面接觸型29第29頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三 (三)、 二極管的u-I特性曲線正向特性反向擊穿特性ui死區電壓Ur:硅管約為0.6V,鍺管約為0.2V導通壓降UD:硅管約為0.7V,鍺管約為0.3V。反向擊穿電壓UZUZUrUD30第30頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三(四)、參數1. 最大整流電流 IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓VRM二

14、極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是UZ的一半。31第31頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三3. 反向飽和電流 IS指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要比硅管大幾十到幾百倍。4. 極間（結）電容C5.直流電阻RD、交流電阻rd32第32頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三七、常見的二極管實物外形33第33頁，共48頁，2

15、022年，5月20日，18點16分，星期三 (五)、晶體二極管的等效模型uiUZUrUDui實際二極管的u-I特性曲線理想二極管的u-I特性曲線1、晶體二極管的理想模型、當在二極管加上正向電壓, u0時、近似認為u=0,i0,、當在二極管加上反向電壓,u0.6V時、近似認為u=0.6V,i0,、當在二極管加上反向電壓,u0, 二極管導通。二極管相當于斷開，當ui為負半周時，uD0 二極管截止。uiRu0則：u0=ui則：u0=uD36第36頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三例：電路如下圖所示，判斷圖中的二極管是導通還是截止，求電壓uO。設二極管是理想的。uD201、移掉

16、D1、D2，分別求出開路電壓VD10、VD20VD10=4V、VD20=5V2、將D1、D2放入，則D2優先道通3、u0=0V，VD1=-1V，uD10則D1截止則D1被箝位解：D1D2R+5V+1V0Vu0、門電路分析思想：應運用二極管的優先道通及箝位概念。uD137第37頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三3、二極管限幅電路uiuo5V例:電路如圖下圖，ui10sint V，試畫出u0的波形。 ui010V-10V5Vu0ud解： ud=ui-5當 ud=ui-50,即ui0,即ui5V時,二極管截止, u0=5V5V38第38頁，共48頁，2022年，5月20日，1

17、8點16分，星期三一、穩壓管(或齊納二極管）Uz+-uiIZ1.3 特殊二極管工作于反向擊穿區IZ很大，但Vz 很小穩壓作用反向擊穿區是可逆的DZ1、符號、伏安特性.動態電阻39第39頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三（2）穩定電流IZ , 且IZminIZ Izmax。（3）最大允許功耗2、穩壓二極管的參數:（1）穩定電壓 UZ（5）電壓溫度系數U（%/） 穩壓值受溫度變化影響的系數。（4）動態電阻rz 越小，穩壓性能越好。40第40頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三UoIZDZRILIRUiRL二、穩壓管的應用穩壓電路（并聯型穩壓電路）、Ui

18、變化 負載不變2、Ui不變 負載變化穩壓原理Uo穩定是Dz通過Iz 的電流調節和的電壓調節而實現的URIRUOUI(=IL+IZ)IZUO (=UI - UR )41第41頁，共48頁，2022年，5月20日，18點16分，星期三例題：解:、當ui=18V時，IRmin=(18-6)/510=23.5mAuoIZDZRILIRuiRL試分析輸入電壓ui在1V波動時，試確定iL的變化范圍？當ui=24V時，IRmax=(24-6)/510=35.3mA 2、 IZ=IR-IL.當IR=IRmax, IL=ILmin時，流過I的電流最大，為了使穩壓管能安全工作，應滿足：IZmaxIRmax-ILmin ,ILminIRmax-IZmax=35.3-33=2.3mA.當IR=IRmin, IL=ILmax時，流過I的電流最小，為了使