第3章二極管及其基本電路1PN結(jié)的單向?qū)щ娦?二極管的V-I特性3二極管模型及分析方法4穩(wěn)壓二極管重點(diǎn)：3.1半導(dǎo)體器件的基本知識3.2PN結(jié)的形成及特性3.3二極管3.4二極管的基本電路及分析方法3.5特殊二極管第3章二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體器件的基本知識導(dǎo)體：電阻率為10-6－10-3Ωcm;半導(dǎo)體：電阻率為10-3－108Ωcm;絕緣體：電阻率為108－1020Ωcm;1、物質(zhì)分類2、半導(dǎo)體特點(diǎn)熱敏性：溫度升高時，其電阻率迅速下降；光敏性：光線變化時，其電阻率立刻變化；摻雜性：在純凈的半導(dǎo)體（本征半導(dǎo)體）中摻入其他微量元素（雜質(zhì)半導(dǎo)體），其電阻率迅速下降；硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子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(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)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(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+44、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，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。載流子、自由電子和空穴溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。2.空穴移動產(chǎn)生的電流。5雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子半導(dǎo)體）。+4+4+5+4多余電子磷原子1.由磷原子提供的電子，濃度與磷原子相同。2.本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。N型半導(dǎo)體自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。N型半導(dǎo)體：摻入＋5價元素，雜質(zhì)半導(dǎo)體中自由電子數(shù)量大于空穴數(shù)量，電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子，以自己電子導(dǎo)電為主。3.2PN結(jié)的形成及特性一、PN結(jié)的形成二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀N結(jié)的電容效應(yīng)四、PN結(jié)的反向擊穿特性一、PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

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(kuò)散

P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。內(nèi)電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動＞漂移運(yùn)動→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動＞擴(kuò)散運(yùn)動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴(kuò)散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?/p>

(1)勢壘電容CB

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電，反偏時由于結(jié)電阻大因此作用較大。(2)擴(kuò)散電容CD

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，所以正偏時結(jié)電容較大。

當(dāng)外加正向電壓不同時，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。四、PN結(jié)的反向擊穿特性

當(dāng)反向電壓超過反向擊穿電壓UB時，反向電流將急劇增大，而PN結(jié)的反向電壓值卻變化不大，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。有兩種解釋：雪崩擊穿：當(dāng)反向電壓足夠高時（U>6V）PN結(jié)中內(nèi)電場較強(qiáng)，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。齊納擊穿：對摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U<4V），耗盡層可獲得很大的場強(qiáng)，足以將價電子從共價鍵中拉出來，而獲得更多的電子空穴對，使反向電流驟增。3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)類型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖02.11所示。(1)點(diǎn)接觸型二極管—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)平面型(3)平面型二極管—往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管—PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型3.3.2二極管的伏安特性曲線鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性式中IS為反向飽和電流，VD

為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。(2)反向特性當(dāng)V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。

當(dāng)V≥VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。3.3.3二極管的參數(shù)

二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM

二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。

(3)反向電流IR

(4)正向壓降VF(5)動態(tài)電阻rd在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即

rd=VF/IF3.4二極管基本電路及分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。

解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型（4）小信號模型過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型（4）小信號模型特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）電路模型3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vo的波形電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。（2）限幅電路（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。

對含有二極管的電路，常把二極管當(dāng)做理想模型處理，正向?qū)〞r，可將其視為短路，反向截止時忽略其反向飽和電流，視為開路；分析電路時，先將二極管取下，判別原二極管二端電壓方向，再將二極管接上，可知二極管導(dǎo)通情況。1、二極管電路如下圖所示,試判斷圖中的二極管是導(dǎo)通還是截止,并求出AO兩端電壓VA0，設(shè)二極管是理想的。ab解：將二極管取下,Uab=-15+12=-3V二極管D反向截止,所以：UAO=-12V解：將兩個二極管取下Uba=12V,二極管D1正向?qū)║dc=6+12=18二極管D2正向?qū)?，abcd且Udc＞Uba所以D2先導(dǎo)通后將D1截止,所以：UAO=-6V

穩(wěn)壓二極管的伏安特性

(a)符號(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(c)(a)

齊