CTGU Fundamental of Electronic Technology 3 二极管及其基本电路

内容 3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管

3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体

3.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

3.1.2 半导体的共价键结构 硅晶体的空间排列

3.1.2 半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构

3.1.3 本征半导体 本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。 空穴——共价键中的空位。 电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。 空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。

电子空穴对

空穴的移动

空穴的移动

3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

1. N型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。

因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 2. P型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。

的影响，一些典型的数据如下: 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 3. 杂质对半导体导电性的影响 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3 1 2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。

本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体 施主杂质、受主杂质 N型半导体、P型半导体 自由电子、空穴 多数载流子、少数载流子

3.2 PN结的形成及特性 3.2.1 PN结的形成 3.2.2 PN结的单向导电性 3.2.3 PN结的反向击穿

3.2.1 PN结的形成 图3.2.1 PN结的形成

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区  空间电荷区形成内电场  内电场促使少子漂移  内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

3.2.2 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 低电阻 大的正向扩散电流 PN结的伏安特性 PN结加正向电压时的导电情况

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 2.2.2 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 PN结的伏安特性 PN结加反向电压时的导电情况

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

3.2.2 PN结的单向导电性 (3) PN结V- I 特性表达式 其中 IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量 且在常温下（T=300K）

3.2.3 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。 热击穿——不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿——可逆

3.2.4 PN结的电容效应 (1) 势垒电容CB 势垒电容示意图

3.2.4 PN结的电容效应 (2) 扩散电容CD 扩散电容示意图

3.3 二极管 实物图片 3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的参数

3.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 (1) 点接触型二极管 (a)点接触型 二极管的结构示意图

(2) 面接触型二极管 (3) 平面型二极管 (4) 二极管的代表符号 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。 (b)面接触型 往往用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。 (3) 平面型二极管 (4) 二极管的代表符号 (c)平面型

3.3.2 二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 硅二极管2CP10的V-I 特性 锗二极管2AP15的V-I 特性 正向特性 反向特性 反向击穿特性

3.3.3 二极管的参数 (1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM (3) 反向电流IR (4) 正向压降VF (5) 极间电容CB

3.3.4 温度特性 作业:3.2.1 T↗VD -2.5mV/℃; Si 150--200℃ Ge 75--100℃ 型号命名见P44附 2AK18 1N4148 电极数 材料 类型 序号 作业:3.2.1

半导体二极管图片

3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 二极管V- I 特性的建模 3.4.2 应用举例

3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 二极管V- I 特性的建模 3.4.2 应用举例

3.4.1 二极管V- I 特性的建模 1. 理想模型 2. 恒压降模型 3. 折线模型

3.4.1 二极管V- I 特性的建模 4. 小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。 即 根据 得Q点处的微变电导 则 常温下（T=300K）

3.4.2 应用举例 1. 二极管的静态工作情况分析 （R=10k） （1）VDD=10V 时 理想模型 恒压模型 （硅二极管典型值） 3.4.2 应用举例 1. 二极管的静态工作情况分析 （R=10k） （1）VDD=10V 时 理想模型 恒压模型 （硅二极管典型值） 折线模型 （硅二极管典型值） 设 （2）VDD=1V 时 （自看）

3.4.2 应用举例 2. 限幅电路 例2.4.2 提示

3.5 特殊体二极管 3.5.1 稳压二极管 3.5.2 变容二极管 3.5.3 光电子器件 1. 光电二极管 2. 发光二极管 3.5 特殊体二极管 3.5.1 稳压二极管 3.5.2 变容二极管 3.5.3 光电子器件 1. 光电二极管 2. 发光二极管 3. 激光二极管

3.5.1 稳压二极管 1. 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。 (a)符号 3.5.1 稳压二极管 1. 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。 (b) 伏安特性 (a)符号

3.5.1 稳压二极管 2. 稳压二极管主要参数 (1) 稳定电压VZ (2) 动态电阻rZ rZ =VZ /IZ 3.5.1 稳压二极管 2. 稳压二极管主要参数 (1) 稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 (2) 动态电阻rZ rZ =VZ /IZ (3)最大耗散功率 PZM (4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin (5)稳定电压温度系数——VZ

3.5.1 稳压二极管 3. 稳压电路 正常稳压时 VO =VZ # 稳压条件是什么？ IZmin ≤ IZ ≤ IZmax 3.5.1 稳压二极管 3. 稳压电路 正常稳压时 VO =VZ # 稳压条件是什么？ IZmin ≤ IZ ≤ IZmax # 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？ # 不加R可以吗？

稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: 负载电阻 。 要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。 求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。 ——方程1

uo iZ DZ R iL i ui RL 令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。 ——方程2 联立方程1、2，可解得：

3.5.2 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。 I U 照度增加

3.5.3 发光二极管 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。 作业：3.4.9， 3.5.4