电子技术基础模拟部分第五版第三章课件.ppt

1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 3.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗Ge

2、Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。半导体的导电能力随半导体的导电能力随温度、光照和掺杂温度、光照和掺杂等因等因素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半素发生显著变化，这些特点使它们成为制作半导体元器件的重要材料。导体元器件的重要材料。3.1.2 半导体的共价键结构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硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构+4 带一个单位负电荷的价电子 最外层轨道 带四个单位正电荷的原子核部分+14+32 3.1.3 本征半导体本征半导体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化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。晶体形态

3、。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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。主要是三价或五价元素。掺入

4、了杂质的掺入了杂质的本征半导本征半导体称为体称为杂质半导体杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。半导体。1.N1.N型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形成自由电子。成自由电子。在在N N型半导体中型半导体中

5、自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原子提供；子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。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提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。2.P2.P型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电子而在共价键中留下子而在共价键中留下一个空穴。一个空穴。在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主

6、要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。3.杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影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响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.

7、961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质end3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 3

8、.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动漂移运动：在电场作用引起的载流子在电场作用引起的载流子的运动。的运动。扩散运动扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子由载流子浓度差引起的载流子的运动。的运动。漂移电流漂移电流：在电场的作用下，自由电子会逆着电场在电场的作用下，自由电子会逆着电场方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，方向漂移，而空穴则顺着电场方向漂移，这样产生的电流称为漂移电流，这样产生的电流称为漂移电流，该电流的该电流的大小主要取决于载流子的浓度，迁移率和大小主要取决于载流子的浓度，迁移

9、率和电场强度。电场强度。扩散电流：扩散电流：半导体中载流子浓度不均匀分布时，载半导体中载流子浓度不均匀分布时，载流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而流子会从高浓度区向低浓度区扩散，从而形成扩散电流，形成扩散电流，该电流的大小正比于载流该电流的大小正比于载流子的浓度差即浓度梯度的大小。子的浓度差即浓度梯度的大小。3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.2 PN结的形成结的形成 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半导体和导体和P P型半导体型半导体的结合面的

10、结合面上形成如下物理过程上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽区耗尽区。电子从。电子从N N区到区到P

11、P区必须越过空间电区必须越过空间电荷区产生的能量高坡，也称为荷区产生的能量高坡，也称为势垒区势垒区。非对称PN结：在掺杂浓度不对称的在掺杂浓度不对称的 PN 结中，耗尽区结中，耗尽区在掺杂浓度大的一边延伸较小，而在掺杂浓度小的一边在掺杂浓度大的一边延伸较小，而在掺杂浓度小的一边延伸较大。延伸较大。耗尽区 耗尽区 +P区 N区 P区 N区 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。(1)P

12、N(1)PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。(2)PN(2)PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激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，基本上与形成

13、的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，所加反向电压的大小无关，这个电流这个电流也称为也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结加正向电压时导通 +外电场P区N区多子空穴多子电子V空间电荷区内电场扩散运动R +内电场外电场P区N区多子空穴多子电子VF变薄RPNPN结结加正向电压时导通加正向电压时导通PN结加正向电压时导通 +变薄内电场外电场P区N区多子空穴多子电子IFVF正向电流I：扩散电流RPN结加正向电压时导通 +变薄内电场外电场P区N区IFVFI：扩散电流内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流I。小结RPN结加正向电压时导通内外电场方向相反，故势垒降低，有利于扩散运动的

14、进行。PN结加反向电压时截止 +空间电荷区内电场外电场P区N区少子电子少子空穴V漂移运动2.外加反向电压PN结加反向电压时截止 +内电场外电场P区N区V变厚IRI：漂移电流反向电流温度一定时，反向电流IR趋于恒定值，称为反向饱和电流IS。PN结加反向电压时截止 +内电场外电场P区N区V变厚IRI：漂移电流小结内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流IR。PN结加反向电压时截止内外电场方向相同，故势垒升高，有利于漂移运动的进行。归纳：PNPN结加正向电压时，具有结加正向电压时，具有较大较大的正向的正向扩散电扩散电流流，呈现低电阻，呈现低电阻，PNPN结

15、结导通导通；PNPN结加反向电压时，具有结加反向电压时，具有很小很小的反向的反向漂移电漂移电流流，呈现高电阻，呈现高电阻，PNPN结结截止截止。在于它的耗尽区的存在，且其宽度可由外加电压改变。关 键这就是PN结的单向导电性。3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (3)PN(3)PN结结V V-I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性)1e(/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）V026.0 qkTVTmV 26 3.PN结V-I特性的表达式【可参

16、见教材P64图3.2.4】i/mAUBRu/Vi=-IS)1 (TDVvSDeIi式中：式中：iD:通过通过PN结的电流；结的电流；vD:PN结两端的外加结两端的外加 电压；电压；VT:温度的电压当量，温度的电压当量，在常温在常温(300K)下下，VT26mV（）；IS:反向饱和电流反向饱和电流IFIR(A)v 当加正向电压时：u为正值，表达为正值，表达式等效成式等效成：TUuSI e i v 当加反向电压时：u为负值，表达为负值，表达式等效成式等效成：SI i常数指数关系i/mAUBRu/Vi=-IS)1 (TUuSeIiIFIR(A)3.PN结V-I特性的表达式i/mAUBRu/Vi=-I

17、S)1 (TUuSeIiIFIR(A)v PN结的反向击穿：反向击穿电压反向击穿电击穿热击穿雪崩击穿齐纳击穿可逆不可逆3.2.4 PN结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应(1)(1)扩散电容扩散电容CD扩散电容示意图扩散电容示意图 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (2)(2)势垒电容势垒电容CBend3.3 半导体二极管半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极

18、结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大类。类。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PNPN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PNPN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型 3.3.2 二极管的伏

19、安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1e(/SDD TVIiv锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性3.3.2 二极管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/A硅管约为0.5V锗管约为0.1V它的大小与二极管的材料及温度等因素有关。几点说明：关于死区电压开启电压（或称死区电压）（或称门槛电压）Uon3.3.2 二极管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/A硅管约为0.7V锗管约为0.2V它的大小与二极管的材料有关。几点说明：关于死区电压

20、二极管的正向导通管压降Uon正向导通压降3.3.2 二极管的V-I特性UthUBRuD/ViD/mAiD/A几点说明：关于死区电压Uon2正向导通压降与温度的关系在环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。二极管的特性对温度很敏感。Uon1IDIS1IS2 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1)(1)最大整流电流最大整流电流I IF F(2)(2)反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM(3)(3)反向电流反向电流I IR R(4)(4)极间电容极间电容C CJ J（C CB B、C CD D）end1.IF：最大

21、整流电流3.3.3 二极管的主要参数指二极管长期运行时，允许通过的最大正向导指二极管长期运行时，允许通过的最大正向导通电流平均值。通电流平均值。指管子未击穿时的反向电流。其值愈小，则管指管子未击穿时的反向电流。其值愈小，则管子的单向导电性愈好。子的单向导电性愈好。温度对它影响很大，使用时应注意。温度对它影响很大，使用时应注意。2.IR：反向电流3.3.3 二极管的主要参数4.极间电容Cd（1 1）势垒）势垒电容电容CB（2 2）扩散电容扩散电容CD低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑；高频信号时才考虑作用。3.URM：最高反向工作电压指管子反向击穿时的电压值。指管子反向击穿时的电压值。一

22、般手册上给出的最大反向工作电压约为一般手册上给出的最大反向工作电压约为UBR的的一半。一半。3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的解分析法则较简单，但

23、前提条件是已知二极管的V V-I I 特性曲线。特性曲线。例例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方

24、法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e(DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V-I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折

25、线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs=0 时时,Q点称为静态工作点点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvv VRRivs=Vmsin t 时（时（VmVT。（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （

26、b）vs和和vo的波形的波形2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，时，mA 93.0/)(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7.0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5.0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDDD rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV当当VDD=1V 时，时，（自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 2 2模型分析法应

27、用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI=6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解：先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位，即即O点为点为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电

28、位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。end2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sin t V。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中

29、非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。3.5 特殊二极管特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管)1.1.符号及稳压特性符号及稳压特性 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。电击穿状态。(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所对应的反向工作下，所对应的反向工作电压。电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小

30、稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数3.5.1 齐纳齐纳二极管二极管3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ3.5.1 齐纳齐纳二极管二极管3.5.2 变容变容二极管二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性3.5.4 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管（a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 3.5.4 光电子器件光电子器件2.发光二极管发光二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 3.5.4 光电子器件光电子器件3.激光二极管激光二极管（a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号 end