中北大學模電半導體二極管及其基本電路

1、第 1 章 半導體二極管及其基本電路,1.1　半導體的基礎知識,1.2　半導體二極管,1.3　半導體二極管的應用,1.4　特殊二極管,小　結,知識要點,1.正確理解雜質半導體 2.正確理解PN結的形成及特性； 3.熟練掌握二極管的特性； 4.深刻理解二極管的主要技術指標； 5.了解其他功能特殊二極管，可擴展； 6.根據工程應用，能夠正確選擇、安全、合理應用二極管。,1.1　半導體的基礎知識,,1.1.1　本征半導體,

2、1.1.2　雜質半導體,1.1.3　PN結及其特性,幾個概念,電阻率： 電阻率是用來表示各種物質電阻特性的物理量。 單位：Ω·m或ohmm（歐姆·米）。 定義：某種材料制成的長1米、橫截面積是1mm2，在常溫下（20℃時）導線的電阻，叫做這種材料的電阻率。,導體、絕緣體和半導體,金屬導體：電阻率為10-8～10-6Ω·m,隨溫度降低，電阻率降低趨于0變成超導體絕緣體：>108Ω·

3、;m半導體：10-5～107Ω·m,1.1.1 本征半導體,半導體 —,導電能力介于導體和絕緣體之間的物質。,本征半導體 —,完全純凈、結構完整的半導體晶體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結構上呈單晶體形態(tài)。,按照晶體結構：單晶半導體和多晶半導體,1）半導體的原子結構,硅(鍺)的原子結構,簡化模型,(束縛電子),,2）本征半導體的晶體結構,,硅(鍺)的共價鍵結構,共價鍵 —,相鄰原子共有價電子所形成

4、的束縛。,半導體的特點,,1.熱敏性：半導體的導電能力與溫度有關，利用該特性可做成熱敏器件。,2.光敏性：半導體的導電能力與光的照射有關，利用該特性可做成光敏器件。,3.摻雜性：摻如有用的雜質可以改變半導體的導電能力，利用該特性可做成半導體器件。,本征半導體的原子結構和共價鍵,鍺晶體的共價鍵結構示意圖 半導體能帶結構示意圖,價帶中留下的空位稱為空穴,自由電子定向移動形成電子流,,,共價鍵內的電子稱為束縛電子,,,,,,,

5、,,,外電場E,束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流,掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子,3）本征半導體的導電情況,,當溫度為絕對零度以下時，該結構為絕緣體在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴),本征激發(fā),,復 合：,自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。,漂 移：,自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。,在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價

6、鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。,載流子 ：,自由運動的帶電粒子,兩種載流子,電子(自由電子),空穴,兩種載流子的運動,自由電子(在共價鍵以外)的運動,空穴(在共價鍵以內)的運動,結論：,1. 本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；,2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；,3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關。,1.1.2 雜質半導體,一、N 型半導體,,電子為多數(shù)載流子,空穴為少數(shù)載流子,

7、二、 P 型半導體,,,P 型,硼原子,空穴,空穴 — 多子,電子 — 少子,載流子數(shù) ? 空穴數(shù),,,深入思考,為什么半導體不摻入6價，7價元素，導電性能不是會更好嗎？,三、雜質半導體的導電作用,,I,,,,,,,,,,,IP,,,,,,,,,,IN,,I = IP + IN,N 型半導體 I ? IN,P 型半導體 I ? IP,四、P 型、N 型半導體的簡化圖示,,P 型：,N 型：,1.1.3 PN 結,一、PN 結(P

8、N Junction)的形成,,1）載流子的濃度差引起多子的擴散,2） 交界面處形成空間電荷區(qū)，產生了一個內電場,3）內電場阻礙了多子的擴散和促使了少子漂移,4）產生了兩種電流：擴散電流和漂移電流,空間電荷區(qū)（阻擋層、耗盡層）,5. 擴散和漂移達到動態(tài)平衡后擴散電流 等于漂移電流，總電流 I = 0。 形成的空間電荷區(qū)，又稱阻擋層或耗盡層。,6. 內電場所建立的電位差（請牢記） 硅材料半導體為：0.6~0.8V

9、 鍺材料半導體為：0.1~0.3V,P-N區(qū)摻雜濃度相同——PN結對稱，不同——不對稱,二、PN 結的單向導電性,,,,1）正向偏置（Forward bias) ——外加正向電壓,1.定性分析,,內電場,,外電場,（限流電阻）,外電場使多子向 PN 結移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。,擴散運動加強形成正向電流 IF 。,IF = I多子 ? I少子 ? I多子,,2）反向偏置( Reverse bias)

10、 ——外加反向電壓,外電場使少子背離 PN 結移動， 空間電荷區(qū)變寬。,PN 結的單向導電性（重點掌握）： 正偏導通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。,漂移運動加強形成反向電流 IR,IR = I少子 ? 0,2）定量估算,,反向飽和電流,溫度的電壓當量,電子電量,玻爾茲曼常數(shù),當 T = 300(27?C)：,當加正向電壓（u&g

11、t;>UT）時,,當加反向電壓（u<<UT）時,,i≈–IS,UT = 26 mV,課堂擴展,1）請將PN結伏安特性（公式1-1）用泰勒級數(shù)展開。2）當u=Acos（ωt）時，將其帶入展開式，會有什么變化？,,3）伏安特性,,,反向擊穿,正向特性,反向特性,4）PN結的擊穿特性,當PN結上所加的反向電壓達到某一數(shù)值時，反向電流激增的現(xiàn)象。,1）雪崩擊穿,當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區(qū)與原子發(fā)生

12、碰撞，產生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增。,2）齊納擊穿,當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。,擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發(fā)生。,擊穿是可逆。摻雜濃度大的二極管容易發(fā)生。,3）熱擊穿,— 不可逆擊穿,PN結的電流或電壓較大，使PN結耗散功率超過極限值，使結溫升高，導致PN結過熱而燒毀。,,5）PN結的電容效應,（1）勢壘電容CB,,當外加電壓不同時，耗盡層的

13、電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢壘電容。,,（2）擴散電容CD,擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在 P 區(qū)內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。,,外加電壓不同情況下，P、N區(qū)少子濃度的分布將發(fā)生變化，擴散區(qū)內電荷的積累與釋放過程與電容充放電過程相

14、同，這種電容等效為擴散電容。,特別提醒,勢壘電容和擴散電容均是非線性電容,并同時存在。外加電壓變化緩慢時（為低頻信號）可以忽略，但是變化較快時（高頻信號）不容忽略。,1.2　半導體二極管,1.2.1 半導體二極管的結構和類型,1.2.2 半導體二極管的伏安特性,1.2.3 溫度對二極管伏安特性的影響,,,1.2.4 半導體二極管的主要參數(shù),1.2.6 半導體二極管的模型,1.2.5 半導體器件的型號及二極管的選擇,1.

15、2.1 半導體二極管的結構和類型,,構成：,PN 結 + 引線 + 管殼 = 二極管(Diode),符號：,A,(Anode),C,(Cathode),分類：,按材料分,,硅二極管,鍺二極管,按結構分,,點接觸型,面接觸型,平面型,引腳式,貼片式,1.2.2 二極管的伏安特性,,一、PN 結的伏安方程,反向飽和電流,溫度的電壓當量,電子電量,玻爾茲曼常數(shù),當 T = 300(27?C)：,UT = 26 mV,,二、二極管的伏

16、安特性,,,正向特性,Uth,門限電壓,iD = 0,Uth = 0.5~0.6 V,0.1~0.2V,(硅管),(鍺管),U ? Uth,iD 急劇上升,0 ? U ? Uth,UD(on) = 0.7 V,硅管 0.7 V,0.3 V,鍺管 0.2 V,反向特性,,,,,,,反向擊穿電壓U (BR),反向擊穿,U(BR) ? U ? 0,iD = IS,< 0.1 ?A(硅),幾十 ?A (鍺),,,U < U(B

17、R),反向電流急劇增大,(反向擊穿),,反向擊穿,電擊穿,熱擊穿,反向擊穿原因：,齊納擊穿：(Zener),反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。,雪崩擊穿：,反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。,— PN 結未損壞，斷電即恢復。,— PN 結燒毀。,,,硅管的伏安特性,鍺管的伏安特性,材料 門限電壓 導通電壓 反向電流Is硅 0.5～0.6V 0.7V

18、 <0.1μA鍺 0.1～0.2V 0.3V 幾十μA,1.2.3 溫度對二極管伏安特性的影響,,T 升高時，導通電壓,UD(on)以 (2 ? 2.5) mV/ ?C 下降,90?C,1.2.4 二極管的主要參數(shù),,1. IF — 最大整流電流(最大正向平均電流),2. URM — 最高反向工作電壓，為 U(BR) / 2,3. IR — 反向電流(越小單向導

19、電性越好),4. fM — 最高工作頻率(超過時單向導電性變差),影響工作頻率的原因 —,PN 結的電容效應,結論：1. 低頻時，因結電容很小，對 PN 結影響很小。 高頻時，因容抗增大，使結電容分流，導致單向 導電性變差。2. 結面積小時結電容小，工作頻率高。,1.2.5 半導體二極管的模型,1） 理想二極管模型,特性,,,符號及等效模型,正偏導通， uD = 0；,,反偏截止 iD = 0 UB

20、R = ?,2 ）二極管的恒壓源模型,uD = UD(on),,0.7 V (Si),0.3V (Ge),,,3）二極管的折線模型,,,,圖解法,,【例1-1】 電路如圖1-15所示，VD為硅二極管，R=2k?，求出VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。,解:,當VDD=2V時,采用恒壓源模型進行分析,UO=VDD﹣Uon=2V﹣0.7V=1.3V,IO=UO/R=1.3V/2k?=0.65mA,當VDD=10V時,采用理想

21、二極管模型分析,UO=VDD =10V,IO=UO/R=10V/2k?=5mA,圖1-19（a）,1.3 半導體二極管的應用,二極管在電路中有著廣泛的應用，利用它的單向導電性，可組成整流、限幅、檢波電路，還可做元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件等。,1.3.1 二極管在限幅電路中的應用,限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路、,和雙向限幅電路三種 。,1）串聯(lián)限幅電路,,,uD=ui﹣E ，uo=ui-uD,當uD≥Uon

22、,即ui?E+Uon時,VD正向導通,uD=Uon,uo=ui﹣Uon,輸出波形,當uD?Uon,即ui<E+Uon時,VD截止,流過二極管的電流為零,uo=E,因二極管VD與輸出端串聯(lián)，故稱它為串聯(lián)限幅電路。,,,電壓傳輸特性（限幅特性）uo=f(ui),輸出波形,,2）并聯(lián)限幅電路,,,,因二極管VD和輸出端并聯(lián)，故稱為并聯(lián)限幅電路。,3）雙向限幅電路,,,,二極管VD1和VD2反向并聯(lián)在電路的輸出端。,1.3.2 二極管

23、在整流電路中的應用,1）單相半波整流電路,,,2）全波整流電路,,,1. 4　特殊二極管,1.4.1 穩(wěn)壓二極管,1.4.2 發(fā)光二極管,1.4.3 光電二極管,1.4.4 變容二極管,1.4.1 穩(wěn)壓二極管,,一、伏安特性,符號,工作條件：反向擊穿,特性,二、主要參數(shù),1）穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的 反向電壓值。,2）穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好，

24、 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。,3）最大工作電流 IZM,P ZM = UZ IZM,5）動態(tài)電阻 rZ,rZ = ?UZ / ?IZ,越小穩(wěn)壓效果越好。,幾 ? ? 幾十 ?,4）最大耗散功率 PZM,5）穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) α,UZ < 4 V， α < 0 (為齊納擊穿)具有負溫度系數(shù)；,UZ > 7 V， α > 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；,4 V <

25、 UZ < 7 V， α 很小。,,三. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理,,IR = IDZ + IO,UO= UI – IR R,① 負載電阻RL不變，輸入電壓UI變化時,② 當輸入電壓UI不變，負載電阻RL變化時,（1）穩(wěn)壓原理,⑵ 限流電阻的選擇,,,,,,限流電阻R的選擇按下式,限流電阻的選擇公式推導教材P21,【例1-5】,已知 穩(wěn)壓二極管參數(shù)：UZ=6V，IZmin=10mA，PCM=200mW，R=500Ω。rz和反向

26、飽和電流均可忽略。試求：,① 當UI=20V，RL分別取1k?、100?或開路時，電路的穩(wěn)壓性能如何？輸出電壓UO=？ ② 當UI=7V，RL變化時，電路的穩(wěn)壓性能如何？,① 當RL=1k?時，,解:,見教材P22,,VDZ被反向擊穿,,因為：,,所以：,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好,當RL=100?時,,穩(wěn)壓管不能被擊穿,,當負載開路時,UO=UZ=6V,IDZ?IZmax,穩(wěn)壓管能穩(wěn)壓，且穩(wěn)壓性能很好,② 當UI=7V時,,當負

27、載開路時，流過穩(wěn)壓管的電流最大，為,故穩(wěn)壓管不能穩(wěn)壓,1.4.2 發(fā)光二極管,,發(fā)光二極管 LED (Light Emitting Diode),1） 符號和特性,工作條件：正向偏置,一般工作電流幾十 mA，導通電壓 (1 ? 2) V,符號,特性,2. 主要參數(shù),電學參數(shù)：I FM ，U(BR) ，IR,光學參數(shù)：峰值波長 ?P，亮度 L，光通量 ?,發(fā)光類型：,可見光：紅、黃、綠,顯示類型： 普通 LED ，,不可見光：紅外光,

28、點陣 LED,七段 LED ,,1.4.3 光電二極管,,1．符號和特性,符號,特性,工作條件：反向偏置,2. 主要參數(shù),電學參數(shù)：,暗電流，光電流，最高工作范圍,光學參數(shù)：,光譜范圍，靈敏度，峰值波長,實物照片,補充：選擇二極管限流電阻,步驟：,1. 設定工作電壓(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ ),2. 確定工作電流(如 1 mA；10 mA；5 mA),3. 根據歐姆定律求電阻 R = (UI ? UD)/ ID

29、,(R 要選擇標稱值),1.4.4 變容二極管,特點：結電容隨反向電壓的增加而減少,符號,應用：高頻技術中應用較多,,,,C(pF),-V(V),第 1 章 小 結,一、兩種半導體和兩種載流子,兩種載流子的運動,,電子,— 自由電子,空穴,— 價電子,兩 種半導體,,N 型 (多電子),P 型 (多空穴),二、二極管,1）特性,— 單向導電,正向電阻小(理想為 0)，反向電阻大(?)。,,,2） 主要參數(shù),正向 —

30、最大平均電流 IF,反向 —,最大反向工作電壓 U(BR)(超過則擊穿),反向飽和電流 IR (IS)(受溫度影響),,,IS,3）二極管的等效模型,理想模型 (大信號狀態(tài)采用),,,正偏導通 電壓降為零 相當于理想開關閉合,反偏截止 電流為零 相當于理想開關斷開,恒壓降模型,,,UD(on),正偏電壓 ? UD(on) 時導通 等效為恒壓源UD(on),否則截止，相當于二極管支路斷開,UD(on) = (0.6

31、 ? 0.8) V,估算時取 0.7 V,硅管：,鍺管：,(0.1 ? 0.3) V,0.2 V,折線近似模型,,,相當于有內阻的恒壓源 UD(on),4）二極管的應用,限幅,整流,5） 特殊二極管,工作條件,主要用途,穩(wěn)壓二極管,反 偏,穩(wěn) 壓,發(fā)光二極管,正 偏,發(fā) 光,光電二極管,反 偏,光電轉換,習題1.1，1.2拓展：假設VD1，VD2均為發(fā)光二極管，要使VD1,VD2單獨和全部點亮，寫出其A，B端所加的電壓信

32、號的條件。,知識拓展,知識拓展,1.分析復電壓、復電流、阻抗的物理意義。2. 提出一種測試半導體二極管伏安特性的方法。3.用萬用表如何判斷半導體二極管的好壞？,二極管電源整流工程應用拓展,5. USB電源是手機等便攜式設備的常用充電器。某設備的USB電源的參數(shù)如下，輸入AC:100~240V,50~60Hz，0.15A，輸出：DC 5V，1000mA假設：采用二極管橋式整流，1）請選擇變壓器，橋式二極管電路的參數(shù)。2）畫出