半导体二极管及其基本电路课件.ppt

1、电子技术电子技术 第二章 半导体二极管模拟电路部分模拟电路部分第二章第二章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.2 2.2 PNPN结的形成及特性结的形成及特性2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 2.4 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2.5 2.5 特殊二极管特殊二极管半导体的基本知识（1）自然界的物体根据其导电能力自然界的物体根据其导电能力(电阻率电阻率)的不的不同，可划分为导体、绝缘体和半导体。同，可划分为导体、绝缘体和半导体。u半导体半导体 SemiconductorSemiconducto

2、ru半导体的特性半导体的特性 1 1）当受外界热和光的作用时，它的）当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。导电能力明显变化。2 2）往纯净的半导体中掺入某些杂质，）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变会使它的导电能力明显改变。共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。构成稳定结构。半导体的基本知识（4）共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束

3、缚电子很难脱离共价键成为常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此半导体，因此半导体中的自由电子极少，所以半导体在常温下几乎不导电。中的自由电子极少，所以半导体在常温下几乎不导电。共价键有很强的结合力，使原子规共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成则排列，形成晶体晶体。+4+4+4+4半导体的基本知识（5）本征半导体（1）本征半导体本征半导体(Intrinsic Semiconductors)(Intrinsic Semiconductors)完全纯净的完全纯净的(纯度达到99.9999999%)、结构完整的半导体晶体。、结构完整的半导体晶体。本征半导体的导电机理本征半导体的导

4、电机理在绝对在绝对0 0（T T=0K=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子完全价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0 0，相当于绝缘体，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发（在常温下，由于热激发（本征激发本征激发），），使一些价电使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束

5、缚电子本征半导体本征半导体中存在中存在数量相等数量相等的自由电子和空穴。的自由电子和空穴。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。由热激发而产生的自由电子和空穴对。本征半导体（2）+4+4+4+4在其它力的作用下，空在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴动，因此可以认为空穴是载流子。是载流子。本征半导体（3）温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半

6、导体性能的一个重要导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体（4）杂质半导体（1）u 杂质半导体杂质半导体(Extrinsic Semiconductors)(Extrinsic Semiconductors)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

7、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。掺入的杂质主要是主要是三价三价或或五价五价元素。掺入杂质的本征半导体元素。掺入杂质的本征半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入掺入五价五价杂质元素（如磷）的半导体。杂质元素（如磷）的半导体。P P型半导体型半导体掺入掺入三价三价杂质元素（如硼）的半导体。杂质元素（如硼）的半导体。杂质半导体（2）u N N型半导体型半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四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，而多余的一个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余

8、的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N N型半导体中型半导体中自由电子自由电子是是多数载流子多数载流子(多子多子），），它主要由杂质原子提供；它主要由杂质原子提供；空穴空穴是是少数载流子少数载流子（少子少子）,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。电子空穴对电子正电荷量正电荷量=施主原子施主原子+本征激发的空穴本征激发的空穴负电荷量负电荷量=施主释放的电子施主释放的电子+本征激发的本征

9、激发的电子电子电子空穴对（平衡）不能移动不能移动N N型半导体整体呈型半导体整体呈电中性电中性，电子是多数载流子，电子是多数载流子杂质半导体（3）uP P型半导体型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺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。少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在在P P型半导体中型半导体中空穴空穴是是多数载流子，多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成；形成；自由自由电子电子是是少数载流子，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，使杂质原子成为负离子。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质三价杂

10、质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。空穴电子空穴对负电荷量负电荷量=受主原子受主原子+本征激发的本征激发的电子电子正电荷量正电荷量=硅失电子释放的硅失电子释放的空穴+本征激发的本征激发的空穴电子空穴对（平衡）不能移动不能移动P P型半导体整体呈型半导体整体呈电中性电中性，空穴空穴是多数载流子是多数载流子PN结的形成 在在N N型半导体和型半导体和P P型半型半导体的结合面上形成如下导体的结合面上形成如下物理过程物理过程:因浓度差因浓度差空间电荷区空间电荷区形成形成内电场内电场 内电场促使内电场促使少子漂移少子漂移 内电场阻止内电场阻止多子扩散多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的

11、漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡，PNPN结形成。结形成。多子的多子的扩散扩散运动运动由由杂质离子形成杂质离子形成空间电荷区空间电荷区 P区N区空间电荷区内电场1.1.空间电荷区中没有载流子空间电荷区中没有载流子。2.2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P 区中的空穴区中的空穴.N N区中的电子（区中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩扩散运动散运动）。）。3.3.P P 区中的电子和区中的电子和N N 区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子）数量有限，因此由它们的运动（数量有限，因此由它们的运动（漂移漂移运动运动）形成的电流很小。形成的电流很小。注意注意:

12、PN结的特性PN结的性质PNPN结的单向导电性（结的单向导电性（1 1）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，称为加正正向电压向电压，简称，简称正偏正偏(Forward Bias)(Forward Bias)uPNPN结加结加正向正向电压时电压时（Forward-Based PN Junction)Forward-Based PN Junction)特点特点：低电阻：低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压

13、时的导电情况外电场PN结的性质-PNPN结的单向导电性（结的单向导电性（2 2）PN结的伏安特性结的伏安特性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位低于区的电位低于N N区的电位，称为区的电位，称为加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏(Reverse Bais)(Reverse Bais)。u PNPN结加结加反向反向电压时电压时(Reverse-Based PN Junction)(Reverse-Based PN Junction)特点特点：高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况外电场iD/mA1.00.5

14、iD=IS0.51.00.501.0 D/VPN结的性质PNPN结的单向导电性（结的单向导电性（3 3）PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单结具有单向导电性。向导电性。PNPN结的结的的电容效应（1 1）PNPN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容一是势垒电容C CB B(反偏反偏)二是扩散电容

15、二是扩散电容C CD D(正偏正偏)(1)势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容CD 反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧

16、堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。半导体二极管(Diode)结构（1）在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分管。二极管按结构分有点接触型有点接触型、面接触型面接触型和和平平面型面型三大类。三大类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用于检波和变频等高频电路。高频电路。(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半导体二极管结构（2）(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造往往用于集成电

17、路制造艺中。艺中。PN 结面积可大可小，结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4)二极管的代表符号二极管的代表符号(d)代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 a半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极管图片（1）半导体二极管图片（2）半导体二极管图片（3）二极管的伏安特性（1）其中：其中：iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特

18、性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V)1(/SDD TVveIiI 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+iDvD-R二极管的二极管的伏安特性伏安特性曲线可用下式表示曲线可用下式表示Current-Voltage RelationshipCurrent-Voltage Relationship二极管的伏安特性（2）当当PNPN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称突然快速增加，此

19、现象称为为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。iDOVBR D热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆二极管的伏安特性（3）0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向

20、击穿特性实际二极管器件实际二极管器件的几个典型值：的几个典型值：死区电压死区电压：硅管：硅管0.5V0.5V左右、锗管左右、锗管0.2V0.2V左右左右导通压降导通压降：硅管：硅管0.7V0.7V左右、锗管左右、锗管0.3V0.3V左右左右反向饱和电流反向饱和电流：硅管几十：硅管几十uAuA、锗管几百、锗管几百uAuA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)最大反向工作电压最大反向工作电压V VRMRM(3)(3)反向饱和电流反向饱和电流I IR R0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/A

21、iD/mA死区死区VthVBRIFVRMIR以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。保护等等。下面介绍两个交流参数。（4）微变电阻微变电阻 r rD DiDuDIDUDQ iD uDr rD D 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q Q 附近电压的变化与附近电压的变化与电流的变化之比：电流的变化之比：DDDiur显然，显然，r rD D是对是对Q Q附近的微小变化区域内的电阻附近的微小变化区域内的电阻。PNPN结高频小

22、信号时的等效电路结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电容的综合效应容的综合效应rd二极管的模型 1.理想模型理想模型3.折线模型折线模型 2.恒压降模型恒压降模型特点：死区电压特点：死区电压=0 正向导通压降正向导通压降=0 0 反向饱和电流反向饱和电流=0 0特点：正向导通压降特点：正向导通压降 =死区电压死区电压 =0.7V0.7V或或0.3V0.3V 反向饱和电流反向饱和电流=0 0特点：正向导通压降特点：正向导通压降 =死区电压死区电压 =0.5V0.5V或或0.2V0.2V 反向饱和电流反向饱和电流=0 0二极管电路分析举例（1）含二极管电路的分析方法确定确定二极

23、二极管的管的工作工作状态状态 根据工根据工作状态用作状态用不同的模不同的模型型代替二代替二极管极管在等效后在等效后的的线性线性电电路中作相路中作相应的分析应的分析若二极管工作在若二极管工作在截止截止状态则可等效为状态则可等效为断开断开的开关的开关若二极管工作在若二极管工作在导通导通状态则可等效为状态则可等效为导通导通的开关的开关U UONONID或电压为或电压为U UONON的的电压源电压源二极管电路分析举例（2）如何判断二极管的工作状态如何判断二极管的工作状态？步骤步骤1 1、假设假设二极管截止，即将二极管断开。二极管截止，即将二极管断开。2 2、计算二极管两端的电压、计算二极管两端的电压

24、U UD D=V=V阳阳-V-V阴阴3 3、判断：若、判断：若 U UD D00，则二极管工作于，则二极管工作于导通导通状态状态 若若 U UD D00=50 U UD2D2=0-=0-（-5-5）=50=50则则D D1 1、D D2 2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U U0 0=0=0D1D2U0R5V二极管电路分析举例（4）（2 2）当）当U UA A=U=UB B=3V=3V时时设D D1 1、D D2 2截止，则等效电路为截止，则等效电路为由电路，有由电路，有 U UD1D1=3-=3-（-5-5）=80=80 U UD2D2=3-=3-（-5-5）

25、=80=80则则D D1 1、D D2 2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U U0 0=3V=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V二极管电路分析举例（5）（3 3）当）当U UA A=3V=3V，U UB B=0=0时时设D D1 1、D D2 2截止，则等效电路为截止，则等效电路为由电路，有由电路，有 U UD1D1=3-=3-（-5-5）=80=80 U UD2D2=0-=0-（-5-5）=50=50UD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即出现矛盾！即D D1 1、D D2 2不可能不可能同时导通！

26、同时导通！规定：承受正偏压大的二极管优先导通。二极管电路分析举例（6）则则D D2 2处于截止状态，处于截止状态，最终电路如上图所示：最终电路如上图所示：所以，所以，U U0 0=3V=3VD1D2U0R5V3V则等效电路为：则等效电路为：由电路，有由电路，有 U UD2D2=0-3=-30=0-3=-30（4 4）当）当U UA A=0=0，U UB B=3V=3V时时所以，所以，U U0 0=3V=3V同理可得：同理可得：D D1 1截止，截止，D D2 2导通导通。D1D2U0R5V3V二极管电路分析举例（7）试一试试一试P P9797 3.4.5 3.4.5ttuo0ui0(b)Vui

27、uoRL(a)1.二极管整流电路(理想模型）二极管基本应用电路举例二极管基本应用电路举例 试一试试一试P P9797 3.4.1 3.4.1ui0UILuoUomaxUominUIH 限幅电路的传输特性2.二极管限幅电路（恒压源模型）二极管限幅电路（恒压源模型）二极管基本应用电路举例二极管基本应用电路举例tVuiuoR(a)E2Vui/V0(b)55tuo/V052.7 试一试试一试P P9999 3.4.9 3.4.9ui3.3.二极管二极管钳位钳位电路电路 钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，下图是一个简单的二级管钳位电路的例子。下图

28、是一个简单的二级管钳位电路的例子。uc=2.5Vuo设输入信号设输入信号u ui i为幅度为幅度+2.5V+2.5V的方波信号，的方波信号，ui2.5V-2.5V当当u ui i000时，时，D D截止，截止，i iD D=0=0，回路无回路无法放电，使电容法放电，使电容C C的电压保持的电压保持u uc c=u ui i=2.5V=2.5V，而输出电压：而输出电压：u uo o=u=ui i+u+uc c=u ui i+2.5V=5V2.5V=5VVo5V4.4.二极管电平选择电路二极管电平选择电路二极管基本应用电路举例二极管基本应用电路举例特殊二极管稳压二极管变容二极管肖特基二极管光电二极

29、管发光二极管稳压二极管（齐纳二极管)-伏安特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管压二极管稳压时工作在反向电击穿状态稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管-稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数(1)(1)稳定电压稳定电压V VZ Z(2)(2)动态电阻动态电阻r rZ Z 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流I IZ Z下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。r rZ Z =V VZ Z/I IZ Z(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 P PZMZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工

30、作电流 I IZmaxZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 I IZminZmin稳压二极管-稳压电路分析稳压电路分析+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 V VO O=V VZ ZIZmin IZ IZmaxuoiZDZRiLiuiRL5mA 20mA,V,10minmaxzzzWIIU已知稳压管的技术参数已知稳压管的技术参数:k2LR解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为流为I Iz zmax max。求求：电阻电阻R R和输入电压和输入电压 u ui i 的正常值。的正常值。mA25maxLZWzRUIi102

31、521RUiRu.zWi方程方程1 1要求要求当输入电压由正常值发生当输入电压由正常值发生 20%20%波动时，负载电压不变。波动时，负载电压不变。稳压二极管电路分析举例（1）令输入电压降到下限令输入电压降到下限时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电流为流为I Iz zmin min。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWi方程方程2 2uoiZDZRiLiuiRL联立方程联立方程1 1、2 2，可解得：，可解得：k50V7518.R,.ui稳压二极管电路分析举例（2）稳压二极管电路分析举例（3）例：例：图中的稳压管的稳定电压值分别是图中的稳压管的稳定电压值分别是7 7V V和和1313V V，求输求输出电压，采用恒压降模型出电压，采用恒压降模型RS uo40V2KRS uo40V2KRS uo40V2KRS uo40V2KRS uo3V2KRS uo40V2K熟悉二极管的外特性及主要参数。正确理解PN结的形成及单向导电性掌握二极管的理想模型和恒压降模型方程。熟悉稳压管的外特性及主要参数。掌握稳压管电路的原理以及限流电阻的计算。本章基本要求电子技术电子技术 第二章 结 束模拟电路部分模拟电路部分