模拟电子技术基础1半导体二极管及其应用chen

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1、 电子线路由有源电子器件和电阻、电容、电感等元件组成,半导体器件是构成电子线路的核心部件。本章首先阐述半导体的导电特性和PN结的形成机理,再讨论半导体二极管的结构、伏安特性主要参数和等效电路模型，并列举了半导体二极管典型应用电路。本章简介本章简介1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1.3 半导体二极管半导体二极管1.2 PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性1.4 半导体二极管的典型应用半导体二极管的典型应用模拟电子技术基础1.1.11.1.1本征半导体本征半导体1.1.21.1.2杂质半导体杂质半导体及载流子的运动及载流子的运动 1 1、N N型半导体型半导体 2 2、P P型

2、半导体型半导体 本节内容本节内容无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体本征半导体是是纯净纯净的具有的具有晶体结构晶体结构的半导体。的半导体。(在在T=0K时时，相当于，相当于绝缘绝缘体体)。什么是半导体？什么是本征半导体？什么是半导体？什么是本征半导体？导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很

3、强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间，如导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅（硅（Si）、）、锗（锗（Ge）等，均为四价元素（）等，均为四价元素（其原子最外层电子一般为其原子最外层电子一般为4个个，受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间）。受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间）。导电特性：导电特性：(1)(1)掺杂效应：掺杂效应：在本征半导体在本征半导体(纯净的且晶体结构完整纯净的且晶体结构完整的半导体，在的半导体，在T T=0K=0K时，相当于绝缘体。时，相当于绝缘体。)中掺入少量其中掺入少量其他元素他元素(杂质杂质)，可以改变和控制半导体的导电

4、能，可以改变和控制半导体的导电能力和导电类型，藉此特性可制造各种半导体器件；力和导电类型，藉此特性可制造各种半导体器件；(2(2)热敏效应热敏效应：温度变化可以改变半导体的导电能：温度变化可以改变半导体的导电能力，藉此热敏效应可制造热敏元件；力，藉此热敏效应可制造热敏元件；(3)(3)光敏效应光敏效应：光照可以改变半导体的导电能力，：光照可以改变半导体的导电能力，并产生电动势，藉此光电效应可制造光电晶体管、并产生电动势，藉此光电效应可制造光电晶体管、光电耦合器和光电池等光电器件。光电耦合器和光电池等光电器件。(1)(1)T T=0K(-273)=0K(-273)共价键结构稳定，共价键结构稳定，

5、无自由电子无自由电子-不导电不导电(3)(3)复合复合：自由电子填补空穴，自：自由电子填补空穴，自由电子由电子-空穴成对消失。空穴成对消失。一定温度下，本征激发与复合运动达到一定温度下，本征激发与复合运动达到动态平衡，自由电子与空穴的浓度一定动态平衡，自由电子与空穴的浓度一定且相等，可按且相等，可按式式(1-1)(1-1)计算。温度升高，计算。温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，本征半自由电子与空穴对的浓度加大，本征半导体的导电能力增强。导体的导电能力增强。(2)(2)本征激发本征激发（热激发）（热激发）T T、光照，电子光

6、照，电子-空穴成对出现：具有空穴成对出现：具有足够能量的价电子挣脱共价键的束足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，共价键中留有缚而成为自由电子，共价键中留有一个空位置，称为空穴。一个空位置，称为空穴。+4+4价电子自由电子空穴+4+4+4共价键共价键注意区别：价电子与自由电子注意区别：价电子与自由电子 本征半导体中载流子数目少，导电性差。本征半导体中载流子数目少，导电性差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。导电性增强。热力学温度热力学温度0K0K时不导电。时不导电。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？为什么要将半导体变成导

7、电性很差的本征半导体？运载电荷的粒子称为载流子运载电荷的粒子称为载流子。两种载流子两种载流子 本征半导体中存在两种载流子本征半导体中存在两种载流子-带负电的自由电子和带正电带负电的自由电子和带正电的空穴。外加电场作用下，两种的空穴。外加电场作用下，两种载流子均参与导电，且运动方向载流子均参与导电，且运动方向相反。相反。理解与区别：二者导电的本质。理解与区别：二者导电的本质。自由电子：本征激发施主杂质提供自由电子：本征激发施主杂质提供 -多多(数载流数载流)子子空穴：本征激发产生空穴：本征激发产生-少少(数载流数载流)子子掺入五价元素杂质的半导体主要靠掺入五价元素杂质的半导体主要靠自由电子导电，

8、掺入杂质越多，自自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强，因由电子浓度越高，导电性越强，因此称为此称为电子型或电子型或N型半导体型半导体。杂质一般有两种:五价(磷)N(电子)型；三价(铟)P(空穴)型1.N型半导体型半导体-掺入五价施主杂质掺入五价施主杂质2.P型半导体型半导体-掺入三价受主杂质掺入三价受主杂质杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电能力越强，实现导电性可控。能力越强，实现导电性可控。空穴：本征激发受主杂质提供空穴：本征激发受主杂质提供 -多子多子自由电子：本征激发产生自由电子：本征激发

9、产生-少子少子掺入三价元素杂质的半导体主要靠掺入三价元素杂质的半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，因此称为度越高，导电性越强，因此称为空空穴型或穴型或P型半导体型半导体。杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。N N型半导体主要靠电子导电，其多数载流子是电子，掺入型半导体主要靠电子导电，其多数载流子是电子，掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。那么空穴比未加那么空穴比未

10、加杂质时的数目多了？少了？为什么？杂质时的数目多了？少了？为什么？P P型半导体主要靠空穴导电，其多数载流子是空穴，掺入型半导体主要靠空穴导电，其多数载流子是空穴，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。那么空穴比未加杂那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？质时的数目多了？少了？为什么？在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？同吗？注意注意:自由电子导电自由电子导电 -是在外电场或浓度梯度作

11、用下，本身的定向是在外电场或浓度梯度作用下，本身的定向 运动运动空穴导电空穴导电 -是在外电场或浓度梯度作用下，价电子依次是在外电场或浓度梯度作用下，价电子依次 填补空穴的运动。填补空穴的运动。载流子浓度差载流子浓度差(浓度梯度浓度梯度)作用下，载流子的定向运动作用下，载流子的定向运动产生扩散电流产生扩散电流电子流电子流外电场作用下，载流子定向运动产生外电场作用下，载流子定向运动产生 漂移电流漂移电流空穴流空穴流扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动1.2.1 PN 结的形成结的形成1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN结正偏导通结正偏导通 2.PN结反偏截止结反偏截止 1.2.3

12、PN结的电容特性结的电容特性 1.势垒电容势垒电容 2.扩散电容扩散电容本节内容本节内容P区N区空间电荷区E0Uxx-xPxN(b)O0.60.8VSi0.20.3VGeUU 为接触电位差，是当 E0 恒定时，在PN结中产生的电位差浓度差浓度差多子扩散多子扩散复合复合多子扩散少子漂移动态平衡时空间电荷区宽度恒定PN 结形成:内电场 少子漂移 空间电荷内电场多子扩散 内电场 少子漂移不利于多子扩散不利于多子扩散有利于少子漂移有利于少子漂移内电场内电场 形成空间电荷区形成空间电荷区E 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参

13、与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N N区的自由电子浓度降低，形成内电场，从而阻止扩散运动的进区的自由电子浓度降低，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从行。内电场使空穴从N N区向区向P P区、自由电子从区、自由电子从P P区向区向N N 区运动区运动(有有利于漂移运动的进行利于漂移运动的进行)。正偏电流大,反偏电流小PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧

14、，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。1.正偏导通UE外与E0反向PN结厚度电位差(U-U)有利多子扩散，不利少子漂移，扩散电流远大于漂移电流,在PN结中形成从P区流向N区的数值较大的正向电流IF，二极管导通。正偏电流大,反偏电流小UE外与E0同向PN结厚度电位差(U-U)不利于多子扩散，利于少子漂移，扩散电流少于漂移电流,但少子数很少，反向电流很小,二极截止。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故

15、可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。2.反偏截止 IR IS(几乎恒定)-反向饱和电流 1.势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容电相同，其等效电容称为势垒电容CT。2.扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容释放的过

16、程，其等效电容称为扩散电容CD。JTDCCC结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！程度，则失去单向导电性！反偏时：CT CD，CJCT正偏时：CD CT，CJCD1.3.1 半导体二极管的结构与符号半导体二极管的结构与符号1.3.2 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 1.3.3 半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数 1.3.4 半导体二极管的小信号等效电路模型半导体二极管的小信号等效电路模型本节内容本节内容将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。

17、点接触型：点接触型：结面积小，结结面积小，结电容小电容小(100MHz)(用于高频和小功率整流用于高频和小功率整流)面接触型：面接触型：结面积大，结面积大，结电容大，结允许的电结电容大，结允许的电流大，最高工作频率低流大，最高工作频率低(一般一般仅仅作作为为整流管整流管)平面型：平面型：结面积可小、可结面积可小、可大；小的工作频率高，作大；小的工作频率高，作为为数字电路中的开关管数字电路中的开关管，大的结允许的电流大，大的结允许的电流大，用用于大功率整流于大功率整流常见外形常见外形426810123iD(mA)(A)SiGe0.2 0.4 0.6 0.8-20-40-600-U(BR)-U(B

18、R)IsUD(th)uD(V)DD()if uDDST(exp1)iIUu击穿击穿电压电压反向饱反向饱和电流和电流开启开启电压电压温度的温度的电压当量电压当量T26mVU 材料材料开启开启电压电压导导通通电压电压反向反向饱饱和和电电流流硅硅Si0.50.6V0.60.8V1A以下锗锗Ge0.10.2V0.10.3V几十A分为三个工作区:426810123iD(mA)(A)SiGe0.2 0.4 0.6 0.8-20-40-600uD(V)-U(BR)-U(BR)Is图1-12 二极管伏安特性曲线UD(th)(1)正向工作区正向工作区D0u（）(2)反向工作区反向工作区(BR)D0Uu（-）(3

19、)击穿区击穿区D(BR)uU（-）DSD()VDiIu 几乎与无关，截止；DVDi 剧增，击穿。DD(th)DD(thDDDdD)0:VV:DDuUuUiiurR0，不导通；导通；随增加呈指数律增加；、减小；。，则若反向电压；，则若正向电压STSTTeIiUuIiUuUu)1e(TSUuIi2.伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流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为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 最大整流电流最大整流电流IF：允许

20、通过的最大正向平均电流允许通过的最大正向平均电流 最大反向工作电压最大反向工作电压UR：二极管在使用时所允许的最大：二极管在使用时所允许的最大反向电压反向电压(瞬时值瞬时值)反向电流反向电流 IR：即：即IS 最高工作频率最高工作频率fM：由由PN结电容决定的频率参数结电容决定的频率参数 DQDDDDQQUuRiI静态工静态工作点作点TdDDQddDQuUriIIDQ、UDQRD rd 非线性理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的

21、等效电路！导通时导通时i与与u成线性关系成线性关系D1mA1mA才是正确的才是正确的TdDDQddDQuUriIJCdrdudidrdudiQ越高，越高，rd越小。越小。ui=0时直流时直流电源作用电源作用小信号作用小信号作用当二极管在静态基础上有一小幅度交当二极管在静态基础上有一小幅度交流信号作用时，可将二极管等效为一流信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也即微变个电阻，称为动态电阻，也即微变(小小信号信号)等效电路。等效电路。当信号频率较低时，当信号频率较低时，CJ的容抗的容抗远大于远大于rd,CJ可视为开路可视为开路,二极二极管的低频小信号模型只由管的低频小信号模型只由r

22、d组组成。成。(1)电路符号与伏安特性电路符号与伏安特性 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变不变,实现稳压。实现稳压。(2)主要参数主要参数稳定电压稳定电压UZ最小稳定电流最小稳定电流IZm最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ/IZ 稳压性能稳压性能ZrIZIZM，即PZPZM,VS会烧毁。最大允许电流IZM 工作电流IZ应 IZmIZIZM-由限流电阻保证稳压管应用注意事项稳压管应用注意事项：(1)选取稳压值UZ=UO，且VS与RL并联；(2)VS 反偏，且UIUZ(一般UI1.5UZ)；(

23、3)稳压电路由限流电阻R与VS 串联构成。UIminUImax ILmaxILminRLminRLmax如何取R值，才能保证IZmIZIZM？入手点：令 IZmin IZm IZmax IZM由 UI=UR+UZ IR=IZ+ILIZZRLLUUIIIIR可得：当UI=UImin，IL=ILmax时，IZ=IZminIminZmaxZmLmaxUURRII可得：当VI=VImax，IL=ILmin时，IZ=IZmax 令 IZmaxIZMImaxZminZMLminUURRII可得：Rmin R Rmax令 IZminIZm判断二极管工作状态的方法？判断二极管工作状态的方法？1.已知已知V2V

24、,二极管的导通电压二极管的导通电压UD=0.7V,二极管中的直流电流为二极管中的直流电流为多少？多少？2.若输入电压为正弦波若输入电压为正弦波,其有效其有效值为值为Ui=10mV，则流过二极管中，则流过二极管中的交流有效值为多少？最大值为的交流有效值为多少？最大值为多少多少?DDQ20.7()A2.6mA500VUIRDTdDDQ26mV102.6mAuUriIidd10mV1mA10UIrDDQdiIiii2sinuUtdd2siniItDmax(2.62)mA4mAi1.4.1 二极管整流电路二极管整流电路利用二极管的单向导电性将交流电压变成单一极性的直流利用二极管的单向导电性将交流电压变

25、成单一极性的直流脉动电压脉动电压-整流整流。iOiDDDiODiVD=VD=0,uuuUuUuuuu0时，导通，,=；0时，截止，=。iionD2sinuUtUU=电路实现半波整流功能。电路实现半波整流功能。1.4.2 二极管限幅和钳位电路二极管限幅和钳位电路限幅电路的传输特性限幅电路的传输特性二极管限幅电路及波形图二极管限幅电路及波形图iii12Oii12OOmaxi12OOmin2sinV|3.7VVDVD3.7VVDVD3.7V3.7VVDVD3.7VuUtuuuuuUuuU 设，二极管导通压降0.7当时，、均未导通，；当时，导通、截止，；当时，截止、导通，。电路实现限幅和钳位功能。电路实现限幅和钳位功能。1.4.3 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 【例【例1-1】已知稳压管的稳定电压已知稳压管的稳定电压UZ=5.1V，最小稳定电流，最小稳定电流 IZm=5mA；最大允许电流最大允许电流IZM=25mA;负载电阻负载电阻RL=600。求限流电阻。求限流电阻R的取值范的取值范围。围。解：解：RZLZLZLR(5 25)mA/(5.1/600)A8.5mA(13.5 33.5)mAIIIIIURI；R1Z(105.1)V4.9VUUU3maxRRmin/(4.9/13.5 10)363RUI 3minRRmax/(4.9/33.5 10)146RUI