3半導體二極管

及其基本電路3.1半導體的基本知識3.3半導體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.2PN結的形成及特性23.1半導體的基本知識3.1.1半導體材料3.1.2半導體的共價鍵結構3.1.3本征半導體3.1.4雜質(zhì)半導體半導體:導電特性介于導體和絕緣體之間典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導電的重要特點1、其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導電能力33.1.2半導體的共價鍵結構原子結構簡化模型—完全純凈、結構完整的半導體晶體。3.1.3本征半導體在T=0K和無外界激發(fā)時，沒有載流子，不導電兩個價電子的共價鍵正離子核4

3.1.3本征半導體、空穴及其導電作用溫度光照自由電子空穴本征激發(fā)空穴

——共價鍵中的空位空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對。溫度

載流子濃度＋5空穴的移動—空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的 價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的*半導體導電特點1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響

溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑3.1.4雜質(zhì)半導體N型半導體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）P型半導體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發(fā)形成它主要由雜質(zhì)原子提供空間電荷7

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對半導體導電性的影響8本征半導體、本征激發(fā)本節(jié)中的有關概念自由電子空穴N型半導體、施主雜質(zhì)(5價)P型半導體、受主雜質(zhì)(3價)多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導體復合*半導體導電特點1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑*半導體導電特點2：摻雜可以顯著提高導電能力93.2PN結的形成及特性

3.2.1PN結的形成

3.2.2PN結的單向?qū)щ娦?/p>

*

3.2.3PN結的反向擊穿

3.2.4PN結的電容效應103.2.1PN結的形成1.濃度差多子的擴散運動2.擴散空間電荷區(qū)內(nèi)電場3.內(nèi)電場少子的漂移運動

阻止多子的擴散4、擴散與漂移達到動態(tài)平衡載流子的運動：擴散運動——濃度差產(chǎn)生的載流子移動漂移運動——在電場作用下，載流子的移動P區(qū)N區(qū)擴散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步(動畫)內(nèi)電場11PN結形成的物理過程：因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。擴散>漂移否是寬123.2.2PN結的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才…擴散與漂移的動態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏擴散>漂移大的正向擴散電流（多子）低電阻正向?qū)ㄆ?gt;擴散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止133.2.2PN結的單向?qū)щ娦訮N結特性描述2、PN結方程PN結的伏安特性陡峭電阻小正向?qū)?、PN結的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的非線性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：143.2.3PN結的反向擊穿當PN結的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿p66電擊穿——可逆153.2.4PN結的電容效應

(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖擴散電容示意圖(2)擴散電容CD163.3半導體二極管3.3.1半導體二極管的結構3.3.2二極管的伏安特性3.3.3二極管的參數(shù)PN結加上引線和封裝二極管按結構分類點接觸型面接觸型平面型17半導體二極管圖片點接觸型面接觸型平面型183.3.2二極管的伏安特性3.PN結方程（近似）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A193.3.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.

伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線增大1倍/10℃212.4二極管基本電路及其分析方法

2.4.1二極管V-I特性的建模

2.4.2應用舉例5、應用電路分析舉例2、二極管狀態(tài)判斷1、二極管電路的分析概述3、圖解分析法4、等效電路（模型）分析法講課思路：三、二極管的等效電路理想二極管近似分析中最常用理想開關導通時UD＝0截止時IS＝0導通時UD＝Uon截止時IS＝0導通時△i與△u成線性關系應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！1.將伏安特性折線化2.微變等效電路(小信號模型)Q越高，rd越小。

當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流常溫下（T=300K）24

5、應用電路分析舉例例5:（例3.4.1）求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時（b）VDD=1V時VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型25

1、二極管電路的分析概述應用電路舉例例3.4.2（習題3.4.12）習題3.4.5整流 限幅習題3.4.6初步分析——依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦訢導通：vO=vI-vDD截止：vO=0D導通：vO=vDD截止：vO=vI左圖中圖顯然，vO與

vI的關系由D的狀態(tài)決定而且，D處于反向截止時最簡單！26分析思路分析任務：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號vI傳遞到vO

，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。首先，判斷D的狀態(tài)？若D反向截止，則相當于開路（iD

0，ROFF∞）；若D正向?qū)ǎ瑒t？正向?qū)ǚ治龇椒ǎ簣D解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態(tài)（直流），后動態(tài)（交流）靜態(tài)：vI=0（正弦波過0點）動態(tài)：vI

01、二極管電路的分析概述27

2、二極管狀態(tài)判斷例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD=

？vD=

？二極管狀態(tài)判斷方法假設D截止(開路)，求D兩端開路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向?qū)ǎ?VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正向?qū)ǎ緿正向?qū)ǎ?8

例2：一二極管開關電路如圖所示。當V1和V2為0V或5V時，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-29

解：(1)當V1=0V,V2=5V時,D1為正向偏置，

V0=0V,此時D2的陰極電位為5V，陽極為0V，處于反向偏置，故D2截止。(2)以此類推，將V1和V2的其余三種組合及輸出電壓列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V導通導通

0V

0V

5V導通截止

0V

5V

0V截止導通

0V

5V

5V截止截止

5V30習題3.4.6試判斷圖題3.4.6中二極管導通還是截止，為什么?圖題3.4.6(a)例3:習題3.4.5電路如下圖所示，判斷D的狀態(tài)2、二極管狀態(tài)判斷31例3:已知伏安特性,求VD、ID。

3、圖解分析法例1(a)圖線性線性:vD=

VI-iDR非線性:非線性聯(lián)立求解，可得VD、ID圖解法直線與伏安特性的交點圖解法關鍵——畫直線又稱為負載線vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA靜態(tài)工作點QVD0.7VID0.95mA解32例4:已知伏安特性,求vD、iD。例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、圖解分析法VI=

10Vvi=

1Vsint先靜態(tài)分析－直流負載線:再動態(tài)分析－交流負載線:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

33iD=ID+DiDvD=VD+DvD

VI=

10V，vi=

1VsintVD0.7VID0.95mA靜態(tài)分析ui=0動態(tài)分析VI=0疊加原理例4:已知伏安特性,求vD、iD。3、圖解分析法34VI=

10V，vi=

1Vsint例4:已知伏安特性,求vD、iD。5、應用電路分析舉例iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

靜態(tài)分析vi=0疊加原理動態(tài)分析VI=0小信號模型(小信號等效電路)355、應用電路分析舉例例7:(小信號分析)例4中求vD、iD。VI=

10V，vi=

1Vsint解題步驟:(1)靜態(tài)分析(令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)動態(tài)分析(令VI=0）由小信號模型得36分析方法小結3.4二極管基本電路及其分析方法假設D截止（開路）求D兩端開路電壓VD