2章 半导体二极管及基本电路 半导体的基本知识 PN结的形成及特性 半导体二极管 ★二极管基本电路分析 特殊二极管.

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1 2章 半导体二极管及基本电路 半导体的基本知识 PN结的形成及特性 半导体二极管 ★二极管基本电路分析 特殊二极管

2 半导体的基本知识 本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体 半导体的基本知识 根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。
半导体的电阻率为10-3～109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的特点：1）导电能力不同于导体、绝缘体； 2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化——光敏元件、热敏元件； 3）掺进微量杂质，导电能力显著增加——半导体。 本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体

3 半导体的共价键结构 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，结构图为：
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，结构图为： +4 返回

4 电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。
本征半导体、空穴及其导电作用 本征半导体——完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 载流子——可以自由移动的带电粒子。 电导率——与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。 返回

5 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。
电子空穴对 当T=0K和无外界激发时，导体中没有栽流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子——本证激发。 +4 本征激发 空穴 自由电子 动画1-1 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为空穴。 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。 返回

6 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（电子型半导体） 多余电子， 成为自由电子 在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑 ) 自由电子 +4 +5 +5 返回

7 P型半导体（空穴型半导体） 在本征半导体中掺入三价的元素（硼） 空穴 空穴 +4 +3 +3 返回

8 N型半导体的多数载流子为电子，少数载流子是空穴； P型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子。
例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级， 在室稳下，载流子浓度为ni=pi=1010数量级， 掺入百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022*（1/106）=1016数量级， 则掺杂后载流子浓度为 ，约为1016数量级， 比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。 返回

9 PN结的形成及特性 PN结的形成及特性 PN结的形成 PN结的单向导电性

10 PN结的形成 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
在一块本征半导体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。 + 三价的元素 + 五价的元素 产生多余空穴 产生多余电子 因浓度差 动画 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

11 PN结的单向导电性 (1) PN结加正向电压 外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。 动画

12 （2）PN结加反向电压 外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 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。 动画

13 总之：PN结正向电阻小，反向电阻大——单向导电性。
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14 半导体二极管 半导体二极管 二极管 ：一个PN结就是一个二极管。
单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：

15 半导体二极管的伏安特性曲线 第一象限的是正向伏安特性曲线，第三象限的是反向伏安特性曲线。 式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有VT=26 mV。

16 (1) 正向特性 硅二极管的死区电压Vth=0.5~0.8V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.2~0.3 V左右。 正向区分为两段：
(1) 正向特性 正向区分为两段： 当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称死区电压或开启电压。 当V ＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。 硅二极管的死区电压Vth=0.5~0.8V左右， 锗二极管的死区电压Vth=0.2~0.3 V左右。

17 (2) 反向特性 反向区也分两个区域： 当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS 。 当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压 。

18 (3) 反向击穿特性 硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。 若|VBR|≥7V时, 主要是雪崩击穿；若|VBR|≤4V时, 则主要是齐纳击穿。

19 半导体二极管的参数 (1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR (3) 反向电流IR (4) 正向压降VF
二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。 (2) 反向击穿电压VBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。 (3) 反向电流IR 在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 (4) 正向压降VF 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。

20 二极管基本电路分析 二极管模型 1. 理想模型 正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。 2. 恒压降模型
当iD≥1mA时， vD=0.7V。

21 3. 折线模型（实际模型） 4. 小信号模型

22 二极管电路分析 1.静态分析 例1：求VDD=10V时，二极管的 电流ID、电压VD 值。 解： 1. 理想模型 正向偏置时：
管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。 当iD≥1mA时， vD=0.7V。 2. 恒压降模型 3. 实际模型

23 例2：理想二极管电路中 vi= Vm sinωt V，求输出波形v0。
2.限幅电路 例2：理想二极管电路中 vi= Vm sinωt V，求输出波形v0。 vi t Vm VR 解： Vi> VR时，二极管导通，vo=vi。 Vi< VR时，二极管截止， vo=VR。

24 3.开关电路 利用二极管的单向导电性可作为电子开关 例11：求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。 解： vI1 vI2
二极管工作状态 D D2 v0 0V V 导通 导通 0V 0V V 导通 截止 0V 5V V 截止 导通 0V 5V V 截止 截止 5V

25 例9：判别二极管是导通还是截止。 解： 截止 截止 9V 14V 9V 1V 2.5V 12.5V 14V 12.5V 1V 2.5V 1V
+ 9V - + 14V - - 9V + 1V 2.5V 12.5V 14V + 12.5V - + 1V - 截止 截止 + 2.5V - + 1V -

26 + 18V - 2V 2.5V 12.5V 14V 1V 导通

27 例4： 求整流电路的输出波形。 解： 正半周： D1、D3 导通 D2、D4 截止 负半周 D2、D4导通 D1、D3截止

28 vI=6V 时，输出v0的值。 vI=0V时，D截止。v0 = vI 例5： 求(1).vI=0V,vI=4V,
(2). Vi=6sinωt V 时， 输出v0的波形。 实际模型 解：(1) . vI=0V时，D截止。v0 = vI vI=4V时，D导通。 折线模型 vi t vI=6V时，D导通。 6V 3V (2). Vi=6sinωt V （理想模型）

29 例6： 理想二极管电路中 vi=V m sinωt V，求输出波形v0。
Vm V1 V2 Vi>V1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。 Vi<V2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。 V2<Vi<V1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。

30 例7：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。
解：① VI<25V，D1、D2均截止。 VO=25V ② VI >25V ，D1导通，D2截止。 VI 25V 75V 100V 50V 125V VO 150V ③VI>137.5V，D1、D2均导通。 VO=100V 137.5

31 例8：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。
VI VO - 5V +5V +2.5V -2.5V 当VI<0时 D1导通 D2截止 当VI>0时 D1截止 D2导通

32 已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。
例10： 已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。 试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。 求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交 。 解： C R 1K E 1.5V + VD － vi(t)

33 二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 v i ,二极管的VD 为0.6伏，试画出其输出波形。
例3： 二极管限幅电路:已知电路的输入波形为 v i ,二极管的VD 为0.6伏，试画出其输出波形。 解： Vi> 3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。 Vi< 3.6V时，二极管截止， vo=Vi。

34 特殊二极管 稳压二极管 特殊二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管 的伏安特性曲线完全一样。
稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。

35 最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。
(2) 动态电阻rZ rZ =VZ /IZ， rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) 最大耗散功率 PZM 最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。 (4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin 最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZ＜IZmin则不能稳压。

36 例12： 稳压管的稳压过程。 IR IZ Io RL Io IR Vo IZ IR Vo