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1、33 MHzAnalog Electronics第第3章章 半導體二極管及其基本應用電路半導體二極管及其基本應用電路本章重點本章重點1.二極管的單向導電性、穩(wěn)壓管的原理二極管的單向導電性、穩(wěn)壓管的原理。本章討論的問題：本章討論的問題：1為什么采用半導體材料制作電子器件？為什么采用半導體材料制作電子器件？2.什么是什么是N型半導體？什么是型半導體？什么是P型半導體？型半導體？當二種半導體制作在一起時會產生什么現象？當二種半導體制作在一起時會產生什么現象？3. PN結上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？它為什么具結上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？它為什么具有單向性？在有單向性？在PN結中加反向電壓
2、時真的沒有電流嗎？結中加反向電壓時真的沒有電流嗎？33 MHzAnalog Electronics3.1 半導體的基礎知識半導體的基礎知識3.1.1 本征半導體本征半導體 1.導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為自然界中很容易導電的物質稱為導體導體，金屬，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡膠、陶瓷、塑料和石英。膠、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、
3、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。33 MHzAnalog Electronics半導體半導體的導電機理不同于其它物質，所以的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。它具有不同于其它物質的特點。例如：例如：當受外界熱和光的作用時，當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。它的導電能力明顯變化。往純凈的半導體中摻入某些雜質，往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使它的導電能力明顯改變。會使它的導電能力明顯改變。熱敏性和熱敏性和光敏性光敏性摻雜性摻雜性33 MHzAnalog Electronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全純凈的
4、、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體完全純凈的、不含其他雜質且具有晶體結構的半導體稱為本征半導體稱為本征半導體 將硅或鍺材料提將硅或鍺材料提純便形成單晶體，純便形成單晶體，它的原子結構為它的原子結構為共價鍵結構。共價鍵結構。價價電電子子共共價價鍵鍵圖圖 3.1.1本征半導體結構示意圖本征半導體結構示意圖2.本征半導體的晶體結構本征半導體的晶體結構33 MHzAnalog Electronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖圖 3.1.2本征半導體中的本征半導體中的 自由電子和空穴自由電子和空穴自由電子自由電子空穴空穴 T 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
5、縛，成為自由電自由電子子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴空穴。3.本征半導體中的兩種載流子本征半導體中的兩種載流子（動畫1-1） （動畫1-2）在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。33 MHzAnalog Electronics本征半導體的導電原理+4+4+4+4在電場的作用下，一方面，自由電子將產生定向移動，形成電子電流，另一方面，價電子將按一定的方向依次填補空穴，其效果相當于空穴向相反的方向產生定向移動，形成空穴電流，因此，空穴可看作是一種載流子。 本征半導體中存在數量
6、相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和空穴空穴?？昭煽闯蓭д姷目昭煽闯蓭д姷妮d流子。載流子。33 MHzAnalog Electronics溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流?？昭ㄒ苿赢a生的電流。33 MHzAnalog Electronics4、本征半導體中載流子的濃度本征激發(fā) ：本征半導體因受激發(fā)而產生自由
7、電子和本征半導體因受激發(fā)而產生自由電子和空穴對的現象?？昭▽Φ默F象。復合：自由電子在運動過程中如果與空穴相遇就會自由電子在運動過程中如果與空穴相遇就會填補空穴，使兩者同時消失的現象。填補空穴，使兩者同時消失的現象。動態(tài)平衡：在一定的溫度下，單位時間內本征激發(fā)在一定的溫度下，單位時間內本征激發(fā)產生的電子空穴對與因復合而消失的電子空穴對相等，產生的電子空穴對與因復合而消失的電子空穴對相等，本征半導體中載流子的濃度一定。本征半導體中載流子的濃度一定。33 MHzAnalog Electronics1. 半導體中兩種載流子半導體中兩種載流子帶負電的帶負電的自由電子自由電子帶正電的帶正電的空穴空穴 2.
8、 本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現，本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現，稱為稱為 電子電子 - 空穴對?？昭▽?。3. 本征半導體中本征半導體中自由電子自由電子和和空穴空穴的濃度的濃度用用 ni 和和 pi 表示，顯然表示，顯然 ni = pi 。4. 由于物質的運動，自由電子和空穴不斷的產生又由于物質的運動，自由電子和空穴不斷的產生又不斷的復合。不斷的復合。在一定的溫度下，產生與復合運動在一定的溫度下，產生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。會達到平衡，載流子的濃度就一定了。5. 載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升載流子的濃度與溫度密切相關，它隨著溫度的升高，基本
9、按指數規(guī)律增加。高，基本按指數規(guī)律增加。小結：小結：33 MHzAnalog Electronics3.1.23.1.2雜質半導體雜質半導體雜質半導體有兩種雜質半導體有兩種N 型半導體型半導體P 型半導體型半導體1. N(Negative) 型半導體型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價價雜質元素，如雜質元素，如磷、銻、砷等，即構成磷、銻、砷等，即構成 N 型半導體型半導體( (或稱電子型或稱電子型半導體半導體) )。33 MHzAnalog Electronics+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子自由電子施主原子施主原子圖圖 3.1.3N 型半導體
10、型半導體空穴濃度少于電子空穴濃度少于電子濃度，即濃度，即 n p。電子電子為多數載流子為多數載流子，空穴為，空穴為少數載流子。少數載流子。33 MHzAnalog Electronics二、二、 P 型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3價價雜質元素，如硼、雜質元素，如硼、鎵、銦等，即構成鎵、銦等，即構成 P 型半導體型半導體。+3空穴濃度多于電子空穴濃度多于電子濃度，即濃度，即 p n。空穴空穴為多數載流子為多數載流子，電子為，電子為少數載流子。少數載流子。3 價雜質原子稱為價雜質原子稱為受主原子。受主原子。受主受主原子原
11、子空穴空穴圖圖 3.1.4P 型半導體型半導體33 MHzAnalog Electronics說明：說明：1. 摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。定少數載流子的濃度。4. 雜質半導體總體上保持電中性。雜質半導體總體上保持電中性。 3. 雜質半導體的表示方法如下圖所示。雜質半導體的表示方法如下圖所示。2. 雜質半導體雜質半導體載流子的數目載流子的數目要遠遠高于本征半導要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。體，因而其導電能力大大改善。( (a) )N 型半導體型半導體( (b) ) P 型半導體型半導體圖圖 雜質半導體的簡化
12、表示法雜質半導體的簡化表示法33 MHzAnalog Electronics 在一塊半導體單晶上一側摻雜成為在一塊半導體單晶上一側摻雜成為 P 型半導體，另型半導體，另一側摻雜成為一側摻雜成為 N 型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，一個特殊的薄層，稱為稱為 PN 結結。 PNPN結結圖圖 PN 結的形成結的形成3.1.3PN結結33 MHzAnalog Electronics耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN1). 擴散運動擴散運動2). 擴散運動擴散運動形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)電 子 和 空 穴電 子 和 空 穴濃度差形成濃度差形成多數
13、多數載流子的擴散運載流子的擴散運動。動。耗盡層。耗盡層。PN1.PN 結的形成結的形成33 MHzAnalog Electronics3). 空間電荷區(qū)產生內電場空間電荷區(qū)產生內電場PN空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內電場內電場Uho空間電荷區(qū)正負離子之間電位差空間電荷區(qū)正負離子之間電位差 Uho 電位壁電位壁壘壘； 內電場內電場；內電場阻止多子的擴散；內電場阻止多子的擴散 阻擋層阻擋層。4). 漂移運動漂移運動內電場有利內電場有利于少子運動于少子運動漂漂移。移。 少子的運動少子的運動與多子運動方向與多子運動方向相反相反 阻擋層阻擋層33 MHzAnalog Electronics5). 擴散與漂移的動
14、態(tài)平衡擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減?。粩U散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減小；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；隨著內電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，總的電流等于零，當擴散電流與漂移電流相等時，總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定，形成空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定，形成PN 結結。即即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。PNPN結結33 MHzAnalog Electronics1. 外加正向電壓時處于導通狀態(tài)外加正向電壓時處于導通狀態(tài)外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正
15、偏。外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向耗盡層耗盡層VRI空間電荷區(qū)變窄，有利空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有于擴散運動，電路中有較大的正向電流。較大的正向電流。圖圖 3.1.6PN什么是什么是PN結的單向結的單向導電性？導電性？有什么作用？有什么作用？33 MHzAnalog Electronics在在 PN 結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2. 外加反向電壓時處于截止狀態(tài)外加反向電壓時處于截止狀態(tài)( (反偏反偏) )反向接法時，外電場與內電場的方向一致，
16、增強了內反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；外電場使空間電荷區(qū)變寬；耗盡層耗盡層PN外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向VRIS33 MHzAnalog Electronics耗盡層耗盡層PN外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向VRIS不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流散電流，電路中產生反向電流 IS ；由于少數載流子濃度很低，反向電流數值非常小。由于少數載流子濃度很低，反向電流數值非常小。33 MHzAnalog Electronics耗盡層耗
17、盡層圖圖 3.1.7PN 結加反向電壓時截止結加反向電壓時截止 反向電流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對溫度十分敏感對溫度十分敏感，隨著溫度升高，隨著溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。PN外電場方向外電場方向內電場方向內電場方向VRIS33 MHzAnalog Electronics 當當 PN 結正向偏置時，回路中將產生一個較大的結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流，正向電流， PN 結處于結處于 導通狀態(tài)導通狀態(tài)； 當當 PN 結反向偏置時，回路中反向電流非常小，結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，幾乎等于零， PN 結處于結處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)。綜上
18、所述：綜上所述：可見，可見， PN 結具有結具有單向導電性單向導電性。33 MHzAnalog Electronics) 1e (STUuIiIS ：反向飽和電流反向飽和電流UT ：溫度的電壓當量溫度的電壓當量在常溫在常溫( (300 K) )下，下， UT 26 mVPN結所加端電壓結所加端電壓u與流過的電流與流過的電流i的關系為的關系為) 1e (SkTquIi33 MHzAnalog Electronics4.PN結的伏安特性結的伏安特性i = f ( (u ) )之間的關系曲線。之間的關系曲線。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu / V正向特性正向
19、特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓擊穿電壓擊穿電壓U(BR)反向特性反向特性圖圖 1.1.10PN結的伏安特性結的伏安特性反向擊穿反向擊穿齊納擊穿齊納擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿33 MHzAnalog Electronics 當加于PN結的反向偏置電壓超過某一數值時，反向電流急劇增加，這種現象我們就稱為反向擊穿反向擊穿。 擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿雪崩擊穿和齊納擊穿。 齊納擊穿：齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，不大的反向電壓就可形成很強的電場，而破壞共價鍵，使價電子脫離共價鍵束縛形成電子空穴對，致使電流急劇增加。雪崩擊穿：雪崩擊穿：如果摻雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當反向電壓較高時，能加快少子的
20、漂移速度，從而把電子從共價鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應。 對于硅材料的PN結來說，擊穿電壓7V時為雪崩擊穿，0 時時:二極管導通，二極管導通，uo=u2u2 0 時時:二極管截止二極管截止, , uo=0半波整流電路33 MHzAnalog Electronicsu1u2aTbD1RLuoD2u2io全波整流電路全波整流電路u2uouD1 t 2 3 4 0uD20 ：uD2 = -2u2忽略二極管正向壓降忽略二極管正向壓降33 MHzAnalog Electronics2.開關電路開關電路利用二極管的單向導電性可作為電子開關vI1 vI2二極管工作狀態(tài)D1 D2v00V 0V導通 導通導通
21、 截止截止 導通0V 4.3V4.3V 0V4.3V 4.3V0V0V0V4.3V求vI1和vI2不同值組合時的v0值（二極管為理想模型）。解：解：導通 導通33 MHzAnalog Electronics3.集成運放輸入端保護電路集成運放輸入端保護電路當UI大到一定程度時二極管導通，使集成運放的凈輸入電壓限定在二極管的導通電壓。R為限流電阻33 MHzAnalog Electronics 2. 低頻交流小信號作用下等效電路低頻交流小信號作用下等效電路 二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個動態(tài)電阻。其正向特性可以等效成一個動態(tài)電阻
22、。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根據根據得得Q點處的微變電導點處的微變電導QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVIDdd1gr 則則DIVT常溫下（常溫下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 圖圖3.2.6二極管的微變等效電路二極管的微變等效電路33 MHzAnalog Electronics3.33.3穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制造的面接觸型硅半導體二極管，其結構與普通二極管相似，只是摻雜濃度比普通二極管大得多，起穩(wěn)壓、限幅作用。1 1。穩(wěn)壓管的伏安特性。穩(wěn)壓管的伏安特性 正向特性、未擊穿時的反向特性曲線與普通二極管的相似，但反
23、向擊穿特性曲線很陡。 穩(wěn)壓管的伏安特性和等效電路 利用二極管反向擊穿特性實現穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)，反向電壓應略大于擊穿電壓。33 MHzAnalog Electronics(1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ(2) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流下，所對應的反工作電流下，所對應的反向擊穿電壓。向擊穿電壓。rZ = VZ / IZ (3) 最大耗散功率最大耗散功率 PZM (4) 最大穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流 IZmax 和最小穩(wěn)定電流和最小穩(wěn)定電流 IZ( IZmin ) (5) 溫度系數溫度系數 VZ= VZ / T 2.穩(wěn)壓管的主要參數33 M
24、HzAnalog Electronics 3.3.2 穩(wěn)壓管的基本應用電路穩(wěn)壓管的基本應用電路1. 穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUOUIUI UOUZ IZUOUR IR 33 MHzAnalog Electronics+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUOUIRLUOUZ IZUO UR IR 33 MHzAnalog Electronics例例1：穩(wěn)壓二極管的應用：穩(wěn)壓二極管的應用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術數據為：穩(wěn)壓值穩(wěn)壓二極管技術數據為：穩(wěn)壓值U UZ Z=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Iz
25、 z=2mA=2mA，負載電阻負載電阻R RL L=2k=2k ，輸入電壓輸入電壓u ui i=12V=12V，限流電阻限流電阻R=200 R=200 ，求求iZ。若若負載電阻負載電阻變化范圍為變化范圍為1.5 1.5 k k - 4 - 4 k k ，是否還能穩(wěn)是否還能穩(wěn)壓？壓？33 MHzAnalog ElectronicsRLuiuORDZiiziLUZUZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Iz=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ =
26、 i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）負載變化負載變化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之間之間,所以穩(wěn)壓管仍能起所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓作用33 MHzAnalog Electronics例例2：穩(wěn)壓二極管的應用：穩(wěn)壓二極管的應用tu0I/V63tu0O1/V3tu0O2/V3解：解： ui和和uo的波形如圖所示的波形如圖所示 （UZ3V）uiuO1DZR(a)(b)uiuO2RDZ33 MHzAnalo
27、g Electronics2. 限幅電路限幅電路)()(21DzOLDzOHUUUUUUZOUU33 MHzAnalog Electronics四四窗窗口口比比較較器器uIURLURH,uO1=-UOM,D1截止 uO2=+UOM,D2導通URLuIURHURL,uO1=+UOM,D1導通 uO2=-UOM,D2截止uO=+UZuO=0uO=+UZ33 MHzAnalog Electronics發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED ( (Light Emitting Diode) )將電能轉換為光能的半導體器件。正偏時，有正向電流通過而發(fā)光，其正向通態(tài)管壓降為1.62.2V.符號和特性符號和特性工作條件：工作條件：正向偏置正向偏置一般工作電流幾十一般工作電流幾十mA， 導通電壓導通電壓 (1 2) V符號符號u /Vi /mAO2特性特性3.4發(fā)光二極管發(fā)光二極管33 MHzAnalog Electronics發(fā)光類型：發(fā)光類型： 可見光：可見光：紅、黃、綠紅、黃、綠顯示類型：顯示類型： 普通普通 LED ，不可見光：不可見光：紅外光紅外光點陣點陣 LED七段七段 LED ,
合肥工業(yè)大學 模電 第3章課件
