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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,*,页 共,22,页,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,可编辑,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,可编辑,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/9/14,#,2,半导体二极管及其基本电路,学习目标,1,、 掌握以下基本概念：半导体材料的特点、空穴、,扩散运动、漂移运动、,PN,结正偏、,PN,结反偏；,2,、 了解,PN,结的形成过程及半导体二极管的单向导电性；,3,、 掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法；,4,、 正确理解半导体二极管的主要参数；,5,、 掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管,的一般原则。,2,半导体二极管及其基本电路,2.1,半导体基础知识,2.2 PN,结的形成和特性,2.3,半导体二极管的结构及指标参数,2.4,二极管电路的分析方法与应用,2.5,特殊二极管,2.1.1,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。,典型的半导体有,硅（,Si,）,和,锗（,Ge,）,以及,砷化镓（,GaAs,）,等，还有掺杂或制成其他化合物半导体材料，如硼（,B,）、磷（,P,）、铟（,In,）和锑（,Sb,）等。其中硅是最常用的一种半导体材料。,半导体有以下特点：,半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。,半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。,在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。,2.1.2,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,2.1.3,本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,载流子,可以自由移动的带电粒子。,电导率,与材料单位体积中所含载流子数有关，,载流子浓度越高，电导率越高。,本征激发：,当,T=0K,和无外界激发时，半导体中没有载流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,2.1.3,本征半导体、空穴及其导电作用,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位称为,空穴,。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为,电子空穴对,。,本征激发,动画,1-1,空穴,2.1.3,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,。,2.1.3,杂质半导体,N,型半导体（,施主杂质）,多数载流子,自由电子 少数载流子,空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,多余电子，,成为自由电子,+5,自由电子,+5,在本征半导体中掺入五价的元素,(,磷、砷、锑,),2.1.3,杂质半导体,P,型半导体（,受主杂质）,多数载流子,空穴 少数载流子,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+3,在本征半导体中掺入三价的元素（硼）,+3,空穴,空穴,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,空穴和自由电子在硅晶体中的移动有两种过程,扩散和漂移，相应地可形成两种电流,扩散电流和漂移电流,。,一、扩散,扩散是与不规则的热运动联系在一起的，在一块处于热平衡状态的半导体中，均匀分布的自由电子和空穴不会因随机运动而造成电荷的定向流动。但是，如果由于某种原因（例如不均匀光照）使硅片一个部分中的自由电子浓度高于其它的部分，那么电子将会从高浓度区域向低浓度区域扩散。这一扩散过程引起电荷的定向流动，相应产生的电流称为,扩散电流,（,Diffusion Current,）。,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,例如图,2-1-6(a),所示的硅棒，其中图,1-1-6(b),所示为空穴沿,x,轴方向的浓度分布。,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,这样一个浓度分布将导致沿,x,轴方向的空穴扩散电流，由于在任何一点的电流值与浓度曲线的斜率（或称为浓度梯度）成比例关系，则：,J,p,-qD,p,J,p,为扩散电流密度（即沿,x,轴方向每单位面积中的电流），单位为 ；,q,为电子的电荷量,1.610,-19,C;,D,p,为比例常数,称为空穴扩散系数。由于斜率 是负的，则在,x,方向将得到一个正电流。,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,类似地，在由电子浓度梯度（斜率）产生电子扩散的情况下，同样可以得到电子的扩散电流密度。,J,n,qD,n,这里,D,n,为电子的扩散系数。,对于在硅材料中扩散的空穴和电子，常温下扩散系数的典型值分别为：,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,二、漂移：,在外加电场作用下，载流子将在热骚动状态下产生定向的运动，其中自由电子产生逆电场方向的运动，空穴产生顺电场方向的运动。,载流子的这种定向运动称为,漂移运动,。由它产生的电流称为,漂移电流,。而且两种载流子所产生的,漂移电流,均是顺电场方向的。,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,设,J,p-drift,和,J,n-drift,分别为空穴和自由电子的漂移电流密度（即通过单位截面积的电流），则它们可分别表示为,总的漂移电流密度为：,式中，,p,和,n,分别为空穴和自由电子的浓度，,q,为电子电荷量,=1.610,-19,C,（库仑）,E,为外加电场强度，单位为,V/cm,。,P,和,N,分别为空穴和电子的迁移率。,2.1.4,两种导电机理,扩散和漂移,室温时硅材料中，,用电阻率表示为：,用电导率表示为：,例,1-1-4,：自己看。,2.2.1 PN,结的形成,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由,杂质离子,形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,2.2.1 PN,结的形成,达到动态平衡时，由内建电场产生的电位差称为,内建电位差,，用,V,B,表示，也可称为,势垒电压,V,o,。,式中： （室温,T=300K,，即,27,时）,N,a,和,N,d,分别为,P,型和,N,型半导体的掺杂浓度。,在室温时，硅的 ；锗的 。,在温度升高时，由于,n,i,的增大影响比,V,T,大，因而,V,B,将相应地减小。,通常温度每升高,1,，,V,B,大约减小,2.5mV,。,2.2.2 PN,结的单向导电性,PN,结加正向电压时的导电情况,PN,结的伏安特性,1.PN,结加正向电压时,低电阻,很大的正向扩散电流,外加的正向电压，方向与,PN,结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，,PN,结呈现低阻性,。,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加正向电压，简称,正偏,。,2.2.2 PN,结的单向导电性,1.PN,结加正向电压时,在正常工作范围内，,PN,结上正偏电压略有增大（如,0.1V,），,I,便会显著增大，因此，正向电流,I,是随外加正偏电压,V,升高而急速上升的。这样，,正向偏置的,PN,结表现为一个很小的电阻,。,2.2.2 PN,结的单向导电性,PN,结加反向电压时的导电情况,PN,结的伏安特性,2.PN,结加反向电压时,高电阻,很小的反向漂移电流,外加反向电压,方向与,PN,结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时,PN,结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，,PN,结呈现高阻性,。,P,区的电位低于,N,区的电位，称为加反向电压，简称,反偏,。,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，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与外加反向电压的大小无关，这个电流也称为,反向饱和电流,。,2.2.2 PN,结的单向导电性,2.PN,结加反向电压时,反向饱和电流用,I,S,表示,。,室温时，硅,PN,结的 ，,锗,PN,结的 。,由于,I,S,很小，,PN,结在反向偏置时，呈现出一个很大的电阻，此时可认为基本不导电的。可见，,PN,结的正向电阻很小，反向电阻很大（基本不导电），,这就是,PN,结的单向导电性。,2.2.2 PN,结的单向导电性,其中,I,S,反向饱和电流,V,T,热电压,且在常温下（,T,=300K,）,V,T,=,kT,/,q,= 0.026V,= 26mV,PN,结的伏安特性曲线,3. PN,结,V,-,I,特性表达式,2.2.3 PN,结的反向击穿,当,PN,结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为,PN,结的反向击穿。,热击穿,不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿,电击穿,可逆,2.2.3 PN,结的反向击穿,PN,结的击穿有,雪崩击穿,和,齐纳击穿,两种,1,、雪崩和齐纳击穿,雪崩击穿,发生在低掺杂的,PN,结中，由碰撞电离而形成，击穿电压一般较高，且随掺杂浓度降低而增大。,齐纳击穿,发生在高掺杂的,PN,结中，强电场直接把价电子从共价键中拉出来形成。且击穿电压随掺杂浓度增加而减小。,2.2.3 PN,结的反向击穿,当 时的击穿一般属于,雪崩击穿,，且具有正温度系数；当 时的击穿一般属于,齐纳击穿,，且具有负温度系数。,当 左右时，两种击穿现象都有可能发生。相应击穿电压的温度系数将趋于零。,2.2.3 PN,结的反向击穿,2,、稳压二极管,PN,结一旦击穿后，尽管通过它的反向电流急剧增大，但,PN,结两端的电压几乎维持不变。同时，只要限制它的反向电流，使,PN,结的发热不超过它的耗散功率而引起热击穿，,PN,结就不会被烧坏。,当加在,PN,结两端的反向电压降低后，,PN,结仍可以恢复原来的状态，利用这种特性制成的二极管称为,稳压二极管,或,齐纳二极管,，简称,稳压管,。,2.2.3 PN,结的反向击穿,2,、稳压二极管,稳压管的主要参数有三个：,稳压电压,V,Z,：,是指在规定电流,I,Z,时稳压管两端的电压；,最小稳定电流,I,Zmin,：,保证稳压管可靠击穿所允许的最小反向电流，当 时，稳压管将不再稳压。,最大稳定电流,I,Zmax,：,保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流，当 时，加到,PN,结上的功率将使,PN,结过热而烧毁。,2.2.4 PN,结的电容效应,(1),势垒电容,C,B,势垒电容示意图,(2),扩散电容,C,D,扩散电容示意图,PN,结的高频等效电路,结电容,C,包括,势垒电容和扩散电容,2.2.4 PN,结的电容效应,1,、,势垒电容,C,B,（又称,耗尽区电容,）,因为其电荷量存储在耗尽区而得名,式中：,V,为,PN,结所加的反偏电压，,V,B,为内建电位差。,n,为常数，称为变容指数，一般为 。,在现代电子设备中，,常把,反偏的,PN,结,作为压控可变电容来使用。,2.2.4 PN,结的电容效应,2,、扩散电容,C,D,由载流子的扩散运动而形成的电容。,式中，,K,D,为一常数，其值与,PN,结两边的掺杂浓度等有关。,当外加反向电压时，,I= -I,S,，,C,D,趋于零。,2.2.4 PN,结的电容效应,3,、,PN,结电容,C,j,，势垒电容和扩散电容之和,PN,结正偏时：,C,D,较大，且 ，,，为,PN,结反偏时： ，,，为,2.2.4 PN,结的电容效应,4,、变容二极管,利用,PN,结的电容特性可制作成,变容二极管,，简称为,变容管,。,变容管的最大电容量约为,5-300pf,，最大电容与最小电容之比大约为,5,：,1,。,2.3,半导体二极管的结构及指标参数,2.3.1,半导体二极管的结构,(1),点接触型二极管,PN,结面积小，结电容小，,用于检波和变频等,高频电路。,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、面接触型和平面型三大类。,(2),面接触型二极管,PN,结面积大，用,于大电流整流电路,2.3.1,半导体二极管的结构,(3),平面型二极管,(4),二极管的代表符号,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。,THANK YOU,SUCCESS,2024/8/29,36,可编辑,二极管实例,2.3.1,半导体二极管的结构,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,2.3.2,二极管的主要参数,(6),最高工作频率,f,M,(1),最大整流电流,I,F,(2),反向击穿电压,V,BR,和最大反向工作电压,V,RM,(3),反向电流,I,R,(4),正向压降,V,F,(5),极间电容,C,2,3,3,半导体器件型号命名方法,半导体器件型号命名，一般由五部分组成,:,二极管：如,2AP1 2CZ57,等,三极管：如,3DG6 3DG12,等,但现在很多的半导体器件因为进口或出口的原因而沿用了日本或其他国家的命名方法，如,1N4007,、,2SC1835,等,2,3,3,半导体器件型号命名方法,附：半导体器件型号命名方法,（根据国家标准,GB249-74,）,1,、半导体器件的型号由五个部分组成,2,、型号组成部分的符号及其意义见表,1-3-3(P.19),2.4,二极管电路的分析方法与应用,2.4.1,二极管,V,-,I,特性模型,1.,理想二极管模型,反向偏置时：,电流为,0,，电阻为,正向偏置时：,管压降为,0,，电阻也为,0,2.,恒压降模型,当,i,D,1mA,时，,V,D,=0.7V,。,2.4.1,二极管,V,-,I,特性模型,3.,折线模型（实际模型）,4.,小信号电路模型,2.4.2,二极管电路的分析方法,二极管的静态工作情况分析,例,1,：求,V,DD,=10V,时，二极管的,电流,I,D,、电压,V,D,值,(a),理想模型,V,D,=0V,，,I,D,=,V,DD,/,R,=10V/10kW=1mA,(b),恒压降模型,(c),折线模型,V,D,=0.5V+,I,D,r,D,=0.5V+0.931mA0.2k =0.69V,二极管电路,二极管电路简化分析法,2.4.3,二极管应用电路,1.,整流电路,整流电路,是电源设备的重要组成部分，其组成框图如下图所示。图中，,电源变压器,将电网电压,220V/50Hz,变换成所需的交流电压,v,i,；,整流电路,将交流电压变换成单极性电压,v,1,；,滤波电路,取出,v,1,中的直流分量，滤除,v,1,中的交流成份，,稳压电路,用来克服电网电压波动和输出负载变化对,V,0,的影响，以输出稳定的直流电压,V,0,，并进一步抑制滤波电路未滤净的残留交流成分（或称为纹波电压）。,2.4.3,二极管应用电路,半波整流电路,由图可见，当,v,i,为正半周时，整流二极管,D,导通，电流由上而下流过负载；当,v,i,为负半周时，二极管,D,截止，负载中没有电流，负载上电压降为零。因此，输出为半周的正弦脉冲电压，如图,(b),所示。,2.4.3,二极管应用电路,半波整流电路,输出电压的平均值为（,直流成分,）：,而,交流成分,则是由频率为,50Hz,及其整数倍的众多正弦波组成。,通过滤波器，输出反映平均分量的直流电压，及叠加因未滤净的残留交流成分，即纹波电压。,2.4.3,二极管应用电路,2.,限幅电路,限幅电路,又称,削波电路,，是用来限制输出电压范围的电路。它的典型特性如图所示。,图中，,v,i,和,v,o,分别为限幅电路的输入和输出电压。,V,IL,和,V,IH,分别称为下门限和上门限电压。,V,omax,和,V,omin,分别为限幅器电路的上、下限幅电压。,图,2-4-16,限幅器电路的双向限幅特性,2.4.3,二极管应用电路,2.,限幅电路,由图可见,当 时,当,当,例如，输入电压为正弦波,时，输出变换为上、下削平的周期性波形。,，,A,为常数；,图,2-4-16,限幅器电路的双向限幅特性,2.4.3,二极管应用电路,2.,限幅电路,通常将具有上、下门限的限幅电路称为,双向限幅电路,。仅有一个门限的称为,单向限幅电路,，其中，仅有上门限的称为,上限幅电路,，仅有下门限的称为,下限幅电路,，它们的限幅特性分别如图：,图,2-4-17,单向限幅特性,2.4.3,二极管应用电路,利用二极管的正向导通特性或反向击穿特性可以构成,限幅电路,。下图所示是采用两个二极管构成的双向限幅电路。,若二极管采用恒电压降模型表示,，则它的上、下门限值分别为：,图,2-4-18,双向限幅特性,2.4.3,二极管应用电路,当 时，,D,1,导通，,D,2,截止,，,；,当 时，,D,1,、,D,2,均截止， ；,当 时，,D,1,截止，,D,2,导通， 。,画出电路的,限幅特性,如上图,(b),所示。,图,2-4-18,双向限幅特性,2.4.3,二极管应用电路,3.,开关电路,利用二极管的单向导电性可作为,电子开关,例,3,：求,v,I1,和,v,I2,不同值组合时的,v,0,值（,二极管为理想模型,）,。,v,I1,v,I2,二极管工作状态,v,0,D,1,D,2,0V,0V,导通,导通,0V,0V,5V,导通,截止,0V,5V,0V,截止,导通,0V,5V,5V,截止,截止,5V,图,2-4-20,二极管开关电路,2.5,特殊二极管,2.5.1,稳压二极管,1.,符号及稳压特性,稳压二极管,是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。,2.5.1,稳压二极管,2.,稳压二极管主要参数,(1),稳定电压,V,Z,(2),动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压,r,Z,=,V,Z,/,I,Z,(3),最大耗散功率,P,ZM,(4),最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作电流,I,Zmin,2.5.1,稳压二极管,3.,稳压电路,稳压管的稳压过程,正常稳压时,V,O,=,V,Z,稳压条件是什么？,I,Zmin,I,Z,I,Zmax,不加,R,可以吗？,上述电路,V,I,为正弦,波，且幅值大于,V,Z,，,V,O,的波形是怎样的？,2.5.2,肖特基二极管,是由金属和半导体接触而形成的，又称为,肖特基势垒二极管,金属或半导体中的电子要逸出体外，都必须要有足够的能量去克服体内原子核的吸引力。通常把逸出一个电子所需的能量称为,逸出功,。,图,2-5-1,肖特基二极管,2.5.2,肖特基二极管,如果将逸出功大的金属与逸出功小的半导体相接触，电子就会从半导体逸出并进入金属，从而使交界面的金属侧带负电，半导体侧留下带正电的施主离子，如图所示。,产生内建电场,E,， 构成,金属,半导体结,相当于,PN,结,。,图,2-5-2,金属,半导体结,的电荷分布,2.5.2,肖特基二极管,肖特基二极管,具有与,PN,结相似的伏安特性，即,单向导电性,。但两者也有差别， 主要表现在：,肖特基二极管,的,开启电压只有,0.4V,左右,，而一般硅二极管的开启电压在,0.6,0.7V,。,肖特基二极管是依靠一种载流子工作的器件，消除了,PN,结中存在的少子存储现象，因而可以运用于高频高速电路。,由于省掉了,P,型半导体，因而具有较低的串联电阻,r,S,。,2.5.3,光电子器件,一、光敏二极管,光敏二极管的,PN,结在反向偏置状态下工作。,当二极管加反偏时，它的反向电流随光照强度的增加而上升，从而将光信号转换为电信号。,图,2-5-4,光敏二极管,2.5.3,光电子器件,二、发光二极管,是将电能转换为光能的半导体器件，,工作时加正向偏置，正向导通电压一般大于,1V,。通常在,1.3,2.4V,之间。,发光二极管常用来作为显示器件，或者用来,将电信号变换为光信号,。,图,2-5-6,发光二极管,2.5.3,光电子器件,三、激光二级管,电路符号与普通发光二极管相同，但它发射出来的是单一波长的光。,激光二极管,发射的一般是,红外线,。具体波长与激光二级管的半导体材料有关。,图,2-5-10,激光二极管,2.5.3,光电子器件,四、光电耦合器,是由,发光器件,和,光敏器件,组合而成的一种器件。其中，,发光器件,一般为发光二极管，而,光敏器件,的种类较多，有光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻等。,通过,电光,和,光电,的变换将电信号从输入端传送到输出端。同时，两个二极管之间是电隔离的。,因此，,光电耦合器,是用光传输信号的电隔离器件。,图,2-5-11,光电耦合器,PN,结具有单向导电性；,半导体在本征激发后具有导电性能，,载流子浓度与温度有关；,P,型半导体中多子为空穴，少子为电子；,N,型半导体中多子为电子，少子为空穴；,第二章小结,二极管的三种模型,第二章小结,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,。,当,i,D,1mA,时，,v,D,=0.7V,（硅）,v,D,=0.25V,（锗）,1.,理想模型,2.,恒压降模型,第二章小结,3.,折线模型（实际模型）,第二章小结,二极管的小信号模型,静态工作点,Q,上小信号工作范围内，二极管等效动态电阻：,第二章习题常见类型,半导体基础知识正确的判断；,电子电路中二极管、稳压管工作状态的判断；,已知电子电路的输入电压，求输出电压。,例题,1,判断、填空,1.,在,N,型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为,P,型半导体。（ ）,2.,因为,N,型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ）,P,型半导体中不能移动的杂质离子带负电，说明,P,型半导体呈负电性。 （ ）,自由电子载流子填补空穴的“复合”运动产生空穴载流子。 （ ）,PN,结正向偏置时，其内外电场方向一致。 （ ）,二极管的电流方程是,。,稳压管的稳压区是其工作在,。,例题,1,判断、填空,9. PN,结正向偏置时，外电场的方向与内电场的方向,，有利,于,的,运动而不利于,的,；,PN,结反向偏置时，外电场的方向与内电场的方向,，有利于,的,运动而不利于,的,，这种情况下的电流称为,电流。,10. PN,结形成的过程中，,P,型半导体中的多数载流子由,向,区进行扩散，,N,型半导体中的多数载流子由,向,区进行扩散。扩散的结果使它们的交界处建立起一个,，其方向由,区指,向,区。,的建立，对多数载流子的,起削弱作用，对少子的,起增强作用，当这两种运动达到动态平衡时，,形成。,8. N,型半导体是在本征半导体中掺入极微量的,价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为,，少数载流子为,，不能移动的杂质离子带,电。,P,型半导体是在本征半导体中掺入极微量的,价元素组成的。这种半导体内的多数载流子为,，少数载流子为,，不能移动的杂质离子带,电。,经常,不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有,力量,Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will,Be,学习总结,结束语,当,你尽了自己的最大努力,时,，,失败,也是伟大,的，所以不要放弃，坚持就是正确的。,When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The,End,演讲,人：,XXXXXX,时,间：,XX,年,XX,月,XX,日,
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