第3章二极管及其基本电路.ppt

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1、本章内容简介 半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路有广泛的应用。本章在简要地介绍半导体的基本知识后，主要讨论了半导体器件的核心环节PN 结。在此基础上，还将介绍半导体二极管的结构、工作原理,特性曲线、主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用。最后对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予简要的介绍。,1,第三章 二极管及其基本电路,主要内容 1.半导体的基本知识 2.PN结的形成及特点 3.半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路,2,第三章 二极管及其基本电路,基本要求 1.了解半导体的基础知识 2.理解PN结的单向导电工作原理 3.掌握二极管（包括稳

2、压管）的V-I特性及主要性能指标 4.掌握二极管电路的分析方法和应用,3,第三章 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识3.2 PN结的形成及特性3.3 半导体二极管3.4 二极管的基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管,4,第三章 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体,5,第三章 二极管及其基本电路,3.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导电性能介于导体与绝缘体之间材料，称为半导体。在电子器件中，常用的半导体材料有：元素半导体，

3、如硅（Si）、锗（Ge）等；化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。,6,3.1 半导体的基本知识,半导体有以下特点：1半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 2半导体受外界光和热的激励时，其导电能力将会有显著变化。3在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会显著增加。,7,3.1 半导体的基本知识,3.1.2 半导体的共价键结构,在电子器件中，用得最多的半导体材料是硅和锗，它们的简化原子模型如下图所示。硅和锗都是四价元素，在其最外层原子轨道上具有四个电子，称为价电子。由于原子呈中性，故在图中原子核用带圆圈的+4符号表示。半导体与金属和许多绝缘体一样，均具有晶体结

4、构，它们的原子形成有排列，邻近原子之间由共价键联结，其晶体结构示意图如下所示。图中表示的是晶体的二维结构，实际上半导体晶体结构是三维的。,3.1.2 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,3.1.2 半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,3.1.3 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晶体形态。,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,3.1.3 本征半导体,本征激发 在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚进入导带，成为自由电

5、子，在晶体中产生电子-空穴对的现象称为本征激发.空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点.,3.1.3 本征半导体,由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它能源的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其它电子又可转移到这个新的空位。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向和电子移动的方向是相反的。本征半导体中的自由电子和空穴数总是相等的。,3.1.3 本征半导体,3.1.4 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型半导体掺

6、入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,1.N型半导体,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，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,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正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。,2.P型半导体,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。,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。,空穴很容易俘获

7、电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,3.2 PN结的形成及特性3.2.1 PN结的形成3.2.2 PN结的单向导电性3.2.3 PN结的反向击穿3.2.4 PN结的电容效应,19,第三章 二极管及其基本电路,3.2.1 PN结的形成,平衡状态下的PN结(a)初始状态;(b)平衡状态;(c)电位分布,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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷

8、区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,3.2.2 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(1)PN结加正向电压时,低电阻 大的正向扩散电流,3.2.2 PN结的单向导电性,PN结正向运用,2.2.2 PN结的单向导电性,当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。,(2)PN结加反向电压时,高电阻 很小的反向漂移电流,PN结反向运用,PN结加正向电压时

9、，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,3.2.2 PN结的单向导电性,(3)PN结V-I 特性表达式,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,3.2.3 PN结的反向击穿,思考：1.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子 运动吗？2.什么是N型半导体？什么是P型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么 现象？3.PN结的单向导电性指的是什么？在PN 结中加反向电压时真的没有电流吗？,3.2.3 PN结的反向击穿,反向击穿分为电击穿和热击穿，电击穿包括雪崩击穿和齐纳

10、击。PN结热击穿后电流很大，电压又很高，消耗在结上的功率很大，容易使PN结发热,把PN结烧毁。热击穿不可逆；电击穿可逆,3.2.3 PN结的反向击穿,当反向电压足够高时,阻挡层内电场很强,少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用,获得很大的能量,在运动中与其它原子发生碰撞时,有可能将价电子“打”出共价键,形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流子一道,在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对,如此链锁反应,使反向电流迅速增大。这种击穿称为雪崩击穿。,3.2.3 PN结的反向击穿,所谓“齐纳”击穿,是指当结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏

11、),在结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。,3.2.3 PN结的反向击穿,所谓“齐纳”击穿,是指当结两边掺入高浓度的杂质时,其阻挡层宽度很小,即使外加反向电压不太高(一般为几伏),在结内就可形成很强的电场(可达2106 V/cm),将共价键的价电子直接拉出来,产生电子-空穴对,使反向电流急剧增加,出现击穿现象。,3.2.3 PN结的反向击穿,对硅材料的结,击穿电压大于V时通常是雪崩击穿,小于V时通常是齐纳击穿；在V和V之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了结的单向导电特性,因而一般使用时应避免出现击穿现象

12、,3.2.3 PN结的反向击穿,发生击穿并不一定意味着结被损坏。当PN结反向击穿时,只要注意控制反向电流的数值(一般通过串接电阻实现),不使其过大,以免因过热而烧坏结,当反向电压(绝对值)降低时,结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了结的反向击穿特性来实现稳压的,当流过结的电流变化时,结电压保持基本不变。,3.2.4 PN结的电容效应,(1)势垒电容CB 势垒电容是由阻挡层内空间电荷引起的。空间电荷区是由不能移动的正负杂质离子所形成的,均具有一定的电荷量,所以在结储存了一定的电荷,当外加电压使阻挡层变宽时,电荷量增加；反之,外加电压使阻挡层变窄时,电荷量减少。即阻挡层中的电荷量随外加电压

13、变化而改变,形成了电容效应,称为势垒电容,用表示。,3.2.4 PN结的电容效应,(2)扩散电容CD,扩散电容示意图,扩散电容是结在正向电压时,多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生的。当结加正向电压时,区的电子扩散到区,同时区的空穴也向区扩散。显然,在区交界处(x),载流子的浓度最高。由于扩散运动,离交界处愈远,载流子浓度愈低,这些扩散的载流子,在扩散区积累了电荷,总的电荷量相当于图中曲线以下的部分(图表示了区电子p的分布)。若结正向电压加大,则多数载流子扩散加强,电荷积累由曲线变为曲线,电荷增加量为；反之,若正向电压减少,则积累的电荷将减少,这就是扩散电容效应CD,扩散电容正比于正向电流

14、,即DI。所以结的结电容包括两部分,即Cj。一般说来,结正偏时,扩散电容起主要作用,；当结反偏时,势垒电容起主要作用,即。,扩散电容CD,P区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累,3.3 半导体二极管3.3.1 半导体二极管的结构3.3.2 二极管的伏安特性3.3.3 二极管的参数,39,第三章 二极管及其基本电路,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管分类 材料：硅二极管和锗二极管 用途：整流、稳压、开关、普通二极管 结构、工艺：点接触、面接触,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触

15、型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，所以极间电容小，适用于高频电路和数字电路。不能承受高的反向电压和大电流.,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，可承受较大的电流,但极间电容也大.适用于整流电路,不宜用于高频电路。,(b)面接触型,(4)二极管的代表符号,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线(1)正向特性：正向电压低于某一数值时,正向电流很小,只有当正向电压高于某一值

16、后,才有明显的正向电流。该电压称为导通电压,又称为门限电压或死区电压,用th表示。在室温下,硅管的th约为.V,锗管的约为.V。通常认为,当正向电压th时,二极管截止；th时,二极管导通。,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线(2)反向特性：二极管加反向电压,反向电流数值很小,且基本不变,称反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安()数量级,锗管的为微安数量级。当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生击穿。普通二极管反向击穿电压一般在几十伏以上(高反压管可达几千伏)。,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线(3)二极管的温度特性：二极管的特性对温度很敏感,温度升高,

17、正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高,正向压降减小.V；温度每升高,反向电流约增大 1 倍。,3.3.3 二极管的参数,器件参数是其特性的定量描述,是正确使用和合理选择器件的依据.(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)极间电容(5)反向恢复时间,3.3.3 二极管的参数,(1)最大整流电流IF 管子正常运行时,允许通过的最大正向平均电流.(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM 管子反向击穿时的电压值为反向击穿电压.击穿时,反向电流剧增,二极管的单向导电性被破坏,甚至因过热而损坏.

18、一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半,以确保管子安全运行.,3.3.3 二极管的参数,(3)反向电流IR 管子未被击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的单向导电性愈好.(4)极间电容 极间电容是反映二极管中PN结电容效应的参数,Cd=CD+CB.在高频和开关状态运用时,必须考虑极间电容的影响.,3.4 二极管的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3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,50,第三章 二极管及其基本电路,3.4 二极管的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 例3.4.1(P73),51,3.4.1 简单二极管电路的图解

19、分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法一、二极管V-I特性的建模二、模型分析法应用举例,52,第三章 二极管及其基本电路,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.理想模型,3.折线模型,2.恒压降模型,一、二极管V-I特性的建模,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。,1.理想模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,当iD1mA时，vD=0.7V。,2.恒压降模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,3.折线模型（实际模型）,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,4.小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可

20、以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,二 模型分析法 应用举例,1 整流电路 2.二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,（2）VDD=1V 时,例2.4.2 提示,3.4.2 应用举例,3.限幅电路,限幅电路,Vi VR时 二极管导通，vo=vi。,Vi VR时 二极管截止，vo=VR。,3.4.2 应用举例,4.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关p81,3.4.2 应用举例,3.4.2 应用举例,5.低电压稳压电路（P82）6.小信号

21、情况分析（P83）,3.4.2 应用举例,课堂练习,1 电路如图所示，求AO的电压值,解：,先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。,则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。,阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。,导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。,所以，AO的电压值为-6V。,2 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：1、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。2、在室温300K时，D的小信号交流等效电 阻r交。,3.4.2 应用举例,解：,3.4.2 应用举例,3 二极管限幅电路:

22、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。,3.4.2 应用举例,3.4.2 应用举例,3.5 特殊二极管3.5.1 稳压二极管3.5.2 变容二极管3.5.3 肖特基二极管3.5.4 光电子器件,68,第三章 二极管及其基本电路,3.5 特殊二极管,3.5.1 稳压二极管,1.符号及稳压特性,(a)符号,(b)伏安特性,3.5 特殊二极管,3.5.1 稳压二极管,符号及稳压特性 稳压管的稳压作用原理在于，电流有很大增量时，只引起很小的电压变化。反向击穿曲线愈陡，

23、动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。在稳压管稳压电路中一般都加限流电阻R，使稳压管电流工作在IZmax和IZmix的稳压范围。另外，在应用中还要采取适当的措施限制通过管子的电流，以保证管子不会因过热而烧坏。,(b)伏安特性,(1)稳定电压VZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,2.稳压二极管主要参数,3.5.1 稳压二极管,(2)动态电阻rZ,稳压管工作在稳压区时,端电压变化量与其电流变化量之比.,rZ=VZ/IZ,(3)最大稳定工作电流 IZmax 和 最小稳定工作电流 IZmin,(4)稳定电压温度系数,2.稳压二极管主要参数,3.5.1 稳压二极管,3.5.1 稳

24、压二极管,3.稳压电路,正常稳压时 VO=VZ,3.5.2 变容二极管 结电容随反向电压的增加而减小的效应显著的二极管。,74,第三章 二极管及其基本电路,3.5.3 肖特基二极管(P89),75,第三章 二极管及其基本电路,3.5.4 光电子器件 1.光电二极管 随着科学技术的发展，在信号传输和存储等环节中，越来越多地有效地应用光信号。光电二极管是光电子系统的电子器件。光电二极管的结构与PN结二极管类似，管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照强度的增加而上升。光电二极管的主要特点是，它的反向电流与照度成正比。,76,第三章 二极管及其基

25、本电路,2.发光二极管(LED)发光二极管通常用元素周期表中、族元素的化合物，如砷化镓、磷化镓等所制成的。当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。光谱范围是比较窄的，其波长由所使用的基本材料而定。发光二极管常用来作为显示器件，除单个使用外，也常作为七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几mA到十几mA。,77,第三章 二极管及其基本电路,3.激光二极管 激光二极管的物理结构是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。在正向偏置的情况下，LED结发射出光来并与光谐振腔相互作用，从而进一步激励从结上发射出单波长的光，这种光的物理性质与材料有关。半导体激光二极管的工作原理，理论上与气体激光器相同。主要应用于小功率光电设备中，如光盘驱动器和激光打印机的打印头等。,78,第三章 二极管及其基本电路,79,复习：复习第三章所学内容进行总结。思考：1.二极管V-I特性的简化模型有哪几种？2.二极管电路有哪些分析方法？作业：3.2.1（2）3.4.2(3)3.4.5 3.4.6预习：4.1 BJT,