半导体器件基础与二极管电路.pptx

19 九月九月 2024本章内容概述本章内容概述u导体器件的出现改变了电子电路的组成格局，从导体器件的出现改变了电子电路的组成格局，从20世纪世纪60年代开始，半导体器件开始逐步取代真空管年代开始，半导体器件开始逐步取代真空管器件，在电子电路中占据绝对主导地位。器件，在电子电路中占据绝对主导地位。u本章首先介绍半导体器件的基础知识，介绍本章首先介绍半导体器件的基础知识，介绍PN结的结的单向导电原理，然后着重介绍半导体二极管器件的单向导电原理，然后着重介绍半导体二极管器件的外部特性和主要参数，为正确使用器件打下基础，外部特性和主要参数，为正确使用器件打下基础，最后介绍几种常用的二极管应用电路。最后介绍几种常用的二极管应用电路。19 九月九月 2024导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体一、导体一、导体 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般都是导体。金属一般都是导体。二、绝缘体二、绝缘体 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。三、半导体三、半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。半导体有温半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。敏、光敏和掺杂等导电特性。5.1 5.1 半导体二极管的工作原理与特性半导体二极管的工作原理与特性半导体的导电特性半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：不同于其它物质的特点。例如：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于电能力明显变化。光敏元件、热敏元件属于此类。此类。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。二极管、三极会使它的导电能力明显改变。二极管、三极管属于此类。管属于此类。本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半导体制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称，常称为为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技电子技术中用的最多的是术中用的最多的是硅硅和和锗锗。它们的最外层电子（价电。它们的最外层电子（价电子）都是四个。子）都是四个。一、本征半导体1、本征半导体结构、本征半导体结构图图5.1 Ge和和Si原子的模型原子的模型 GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定的。纯纯净净的的晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为为本本征征半半导导体体。Ge或或Si原原子子生生成成晶晶体体时时，其其原原子子排排列列就就由由杂杂乱乱无无章章的的状状态态变变成成了了非非常常整整齐齐的的状状态态，原原子子间间的的距距离离都都是是相相等等的的。研研究究一一块块纯纯净净的的Ge或或Si晶晶体体时时，可可发发现现每每个个原原子子有有4个个相相邻邻的的原原子子围围绕绕着着，每每两两个个相相邻邻原原子子间间共共有有一一对对电电子子(称称为为价价电电子子)，组组成成共共价价键键结结构构，共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有，并并为为它它们们所所束束缚缚，在在空空间间形形成成排排列列有有序序的的晶晶体体。如如图图5.2所所示示。其本征半导体晶体结构如图其本征半导体晶体结构如图5.3所示。所示。图图5.2 Ge或或Si晶体的共价键结构晶体的共价键结构 共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子+4+4+4+4图5.3 本征半导体晶体结构示意图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自由电子由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。八个，构成稳定结构。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，形成晶体。则排列，形成晶体。+4+4+4+42 2、本征激发、本征激发在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可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子（即以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力），它的导电能力为为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。当温度升高或受到光的照射时，价电子能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，成为参与导电，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一，同时共价键上留下一个空位，称为个空位，称为空穴空穴。1 1）.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子空穴显示出的功效类似空穴显示出的功效类似正正电荷电荷(严格地说，空穴不是严格地说，空穴不是正电荷正电荷)，所以，空穴也是一种载流子。，所以，空穴也是一种载流子。2 2）.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+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（但是，当一个自由补（但是，当一个自由电子进入空穴时，空穴电子进入空穴时，空穴就会消失，这称为复合）就会消失，这称为复合），这样的结果相当于空，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动移相当于正电荷的移动电流电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。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.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。出现了空穴。由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。二、杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。掺掺杂杂的的半半导导体体称称为为杂杂质质半半导导体体。掺掺杂杂的的方方法法是是将将少少量量的的杂杂质质元元素素加加入入到到加加热热了了的的Ge或或Si晶晶体体中中。如如果果在在Si晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的五五价价杂杂质质元元素素，例例如如磷磷(P)元元素素，则则P原原子子将将全全部部扩扩散散到到加加热热了了的的Si晶晶体体中中。因因为为P原原子子比比Si原原子子数数目目少少得得多多，所所以以当当冷冷却却后后形形成成固固态态晶晶体体时时，整整个个晶晶体体结结构构不不变变，只只是是某某些些位位置置上上的的Si原原子子被被P原原子子代代替替了了。因因为为每每个个P原原子子有有5个个外外层层子子，所所以以组组成成共共价价键键后后就就自自然然而而然然地地多多出出一一个个电电子子，此此电电子子受受原原子子核核的的束束缚缚力力很很小小，很很容容易易成成为为自自由由电电子。子。1.N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N型型半导体半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原子中只有因五价杂质原子中只有四个价电四个价电子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一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中自自由由电子是多数载流子电子是多数载流子,它它主要由主要由杂质原子提供杂质原子提供；另外，硅晶体另外，硅晶体由于热激由于热激发发会产生少量的电子空会产生少量的电子空穴对，所以穴对，所以空穴是少数空穴是少数载流子。载流子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N型半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为单位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原子施主原子。N型半导体的结构示意图如下图所示。型半导体的结构示意图如下图所示。磷原子核自由电子+4+4+5+4N N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。本征半导体中成对产生的电子和空穴。2.P 2.P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。杂质半导体的示意表示法：杂质半导体的示意表示法：P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。3.杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。小小 结结 1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。和材料性质有关。19 九月九月 2024u载流子的运动载流子的运动载流子在电场作用下的漂移运动载流子在电场作用下的漂移运动没有电场作用时没有电场作用时,半导体内部的自由电子和空穴的运动半导体内部的自由电子和空穴的运动是杂乱无章的热骚动，其运动方向不断改变，因此从是杂乱无章的热骚动，其运动方向不断改变，因此从平均的意义上来说不会产生电流。平均的意义上来说不会产生电流。当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还要叠当有外电场作用时，自由电子在热运动的同时还要叠加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向的加上逆电场方向的运动，空穴则叠加上顺电场方向的运动。运动。在在电电场场作作用用下下载载流流子子的的运运动动称称为为漂漂移移运运动动。由由漂漂移移运运动动产产生生的的电电流为流为漂移电流漂移电流。电场电场 E+-eq19 九月九月 2024u载流子的运动载流子的运动(续续)载流子的扩散运动载流子的扩散运动如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在如果在半导体中两个区域自由电子和空穴的浓度存在差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边差异，那么载流子将从浓度大的一边向浓度小的一边扩散。扩散。由由于于浓浓度度差差引引起起的的载载流流子子运运动动为为扩扩散散运运动动。相相应应产产生生的的电流为电流为扩散电流扩散电流。1.PN1.PN结的形成结的形成 物物质质从从浓浓度度大大的的地地方方向向浓浓度度小小的的地地方方运运动动叫叫扩扩散散。当当P型型半半导导体体和和N型型半半导导体体结结合合在在一一起起时时，因因为为空空穴穴在在P区区中中是是多多子子，在在N区区中中是是少少子子；同同样样，电电子子在在N区区中中是是多多子子，在在P区区中中是是少少子子，所所以以在在P、N两两区区交交界界处处，由由于于载载流流子子浓浓度度的的差差异异，要要发发生生电电子子和和空空穴穴的的扩扩散散运运动动，多多子子都都要要向向对对方方区区域域移移动动。当当电电子子和和空空穴穴相相遇遇时时会会复复合合消消失失。假假设设扩扩散散运运动动的的方方向向由由正正指指向向负负(P区区指指向向N区区)，则则空空穴穴将将顺顺扩扩散散运运动动方方向向移移动动，电电子子将逆扩散运动方向移动。将逆扩散运动方向移动。5.1.1 PN结及其单向导电特性P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。扩散到对方的载流子在扩散到对方的载流子在P区和区和N区的交区的交界处附近被相互中和掉，使界处附近被相互中和掉，使P区一侧因区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，失去空穴而留下不能移动的负离子，N区一侧因失去电子而留下不能移动的区一侧因失去电子而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由正、负离子组成的渐形成由正、负离子组成的空间电荷空间电荷区（耗尽层）区（耗尽层）。由于。由于P区一侧带负电，区一侧带负电，N区一侧带正电，所以出现了方向由区一侧带正电，所以出现了方向由N区指向区指向P区的区的内电场内电场内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过PN结的电流为0。内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区 扩扩散散的的结结果果在在两两区区交交界界处处的的P区区一一侧侧，出出现现了了一一层层带带负负电电荷荷的的粒粒子子区区(即即不不能能移移动动的的负负离离子子)；在在N区区一一侧侧，出出现现了了一一层层带带正正电电荷荷的的粒粒子子区区(即即不不能能移移动动的的正正离离子子)，形形成成了了一一个个很很薄薄的的空空间间电电荷荷区区，这这就就是是PN结结，如如图。图。浓度差浓度差 多子扩散多子扩散 空间电荷区空间电荷区 (杂质离子杂质离子)内电场内电场 促少子促少子 阻多子阻多子 漂移漂移 扩散扩散 动态平衡时动态平衡时PN结形成过程：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中的空穴中的空穴.N区区 中的电子（中的电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3).3).P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少子子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。，数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:2.PN2.PN结的单向导电特性结的单向导电特性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是：P 区区加正、加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区区加负、加负、N 区加正电压。区加正电压。一、一、PN 结正向偏置结正向偏置+RUf内电内电场场外电外电场场变薄变薄PN+_内电场被削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。扩散电流的扩散电流。扩散电流远大于漂移电流，可忽远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。(1)当当0UfUT时时，UT为为死死区区电电压压，或或称称门门坎坎电电压压。这这时时由由于于外外电电场场还还不不足足以以克克服服内内电电场场对对载载流流子子扩扩散散所所造造成成的的阻阻力力，所所以以正正向向电电流流If几几乎乎为为零零，PN结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。结呈现出一个大电阻，好像有一个门坎。(2)当当UfUT后后，这这时时在在外外电电场场的的作作用用下下，内内电电场场被被大大大大削削弱弱，多多子子不不断断地地向向对对方方区区域域扩扩散散，且且进进入入空空间间电电荷荷区区后后，一一部部分分空空穴穴会会与与负负离离子子中中和和，一一部部分分电电子子会会与与正正离离子子中中和和，使使空空间间电电荷荷量量减减少少，PN结变窄。结变窄。空空间间电电荷荷区区中中载载流流子子数数量量的的增增加加，相相当当于于PN结结电电阻阻的的减减小小。这这样样，载载流流子子就就能能顺顺利利地地越越过过PN结结，形形成成闭闭合合的的回回路路，产产生生较较大大的的正正向向电电流流If。因因为为外外电电源源不不断断地地向向半半导导体体提提供供空空穴穴和和电电子子，所所以以使使电电流流If得得以以维维持持。PN结结的的正正向向特特性性曲曲线线如如图图(b)所示。所示。(1)空空间间电电荷荷区区变变窄窄的的过过程程，相相当当于于载载流流子子充充进进了了PN结结。P区区一一侧侧充充正正电电(充充入入空空穴穴)，N区区一一侧侧充充负负电电(充充入入电电子子)，这这现现象象如如同同一一个个电电容容器器的的充充电电，此此电电容容称称为为耗耗尽尽层层电电容容Ct。它它是是由由耗耗尽尽层层内内电电荷荷存存储储作作用用引引起起的的。我我们们知知道道,耗耗尽尽层层内内有有不不能能运运动动的的正正负负离离子子,因因而而该该层层缺缺少少载载流流子子,导导电电率率很很低低,相相当当于于介介质质,而而它它两两边边的的P区区和和N区区导导电电率率相相对对很很高高,相相当当于于金金属属。当当外外加加电电压压改改变变时时,耗耗尽尽层层的的电电荷荷量量也也要要改改变变,引引起起电电容容效效应应,耗耗尽尽层层有势垒有势垒,因此称为势垒电容。因此称为势垒电容。需要指出的是：需要指出的是：二、二、PN 结反向偏置结反向偏置+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制的扩散受抑制(可忽略扩可忽略扩散电流散电流)。少子漂移加强，。少子漂移加强，但少子数量有限，只能但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。形成较小的反向电流。PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。RUR 因因此此，PN结结处处于于反反偏偏时时，电电阻阻是是很很大大的的。PN结的反向特性曲线如图所示。结的反向特性曲线如图所示。IR有有时时也也称称为为反反向向饱饱和和电电流流IS。这这是是因因为为当当温温度度不不变变时时，少少子子的的浓浓度度不不变变，所所以以在在一一定定的的电电压压范范围围内内，IR几几乎乎不不随随反反偏偏电电压压的的增增加加而而变变大大，见见图图。但但温温度度升升高高会会使使少少子子增增加加，故故IR会会随随温温度度的的上上升升而而增增长长很很快快，这这就就是是PN结结的的温温度度特性。特性。由由此此可可见见，PN结结具具有有单单向向导导电电的的特特性性及及温温度特性。度特性。19 九月九月 2024u半导体二极管半导体二极管半导体二极管的电路符号与基本结构半导体二极管的电路符号与基本结构 半导体二极管内部就是一个半导体二极管内部就是一个PN结，将其封装并接出两结，将其封装并接出两个引出端，从个引出端，从 P 区引出的端称为阳极（正极），从区引出的端称为阳极（正极），从 N 区引出的端称为阴极（负极）。电路符号如图所示。区引出的端称为阴极（负极）。电路符号如图所示。阳极阳极阴极阴极D二极管电路符号二极管电路符号根根据据PN结结的的单单向向导导电电性性，二二极极管管只只有有当当阳阳极极电电位位高高于于阴阴极极电电位位时时，才能按箭头方向导通电流。才能按箭头方向导通电流。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。符号箭头指示方向为正，色点则表示该端为正极。为了防止使用时极性接错，管壳上标有为了防止使用时极性接错，管壳上标有“”符号或色点，符号或色点，如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常如果二极管极性接错，不仅造成电路无法正常工作，还会烧坏二极管及电路中其他元件。工作，还会烧坏二极管及电路中其他元件。5.1.2 5.1.2 半导体二极管半导体二极管 的基本结构的基本结构 半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号(a)点点 接接 触触 型型；(b)面面 接接 触触 型型；(C)符符 号号:f=1/(2RC)19 九月九月 2024半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性DiD+uDuD/ViD0正向导通正向导通0.5锗锗 硅硅0.21.正向特性正向特性外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎外加正向电压时，正向特性的起始部分，正向电流几乎为零。这一段称为为零。这一段称为“死区死区”。对应于二极管开始导通时的外。对应于二极管开始导通时的外加电压称为加电压称为“死区电压死区电压”。锗管约为。锗管约为0.2V,硅管约硅管约0.5V。19 九月九月 2024其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 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=300K）正向：正向：反向：反向：近似近似PN结方程结方程19 九月九月 2024半导体二极管的伏安特性（续）半导体二极管的伏安特性（续）2.反向特性反向特性外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为载流子漂移运动所形成的很小的反向电流，称为反向饱和电流反向饱和电流或或漏电流漏电流。该电流受温度影响很大。该电流受温度影响很大。3.击穿特性击穿特性 外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，这种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。种现象称为击穿（击穿时，二极管失去单向导电性）。对应的对应的电压称为电压称为击穿电压击穿电压。uD/ViD0正向导通正向导通反向截止反向截止击穿击穿0.5锗锗硅硅0.2反向饱和电流反向饱和电流19 九月九月 2024 反向击穿现象有两种类型：反向击穿现象有两种类型：(1)雪雪崩崩击击穿穿。当当反反向向电电压压太太高高时时，载载流流子子在在阻阻挡挡层层中中将将受受到到强强烈烈的的电电场场加加速速作作用用，获获得得足足够够的的能能量量去去碰碰撞撞原原子子，产产生生新新的的电电子子空空穴穴对对。被被撞撞出出的的载载流流子子获获得得能能量量后后又又可可能能再再去去碰碰撞撞别别的的原原子子，如如此此连连锁锁反反应应造造成成了了载载流流子子的的剧剧增增。这这种种击击穿穿多多发发生生在在掺掺杂杂浓浓度度不不大大的的PN结。雪崩击穿电压一般高于结。雪崩击穿电压一般高于6V。(2)齐齐纳纳击击穿穿。当当反反向向电电压压足足够够大大时时，阻阻挡挡层层中中的的强强电电场场会会将将电电子子从从共共价价键键中中强强行行拉拉出出，产产生生电电子子空空穴穴对对，使使载载流流子子剧剧增增(其其效效果果与与温温度度升升高高相相仿仿)。这这种种击击穿穿多多发发生生在在掺掺杂杂浓浓度度较较高高的的PN结结。齐齐纳纳击击穿穿电电压压一一般般低低于于6V。19 九月九月 2024PN结被击穿后，结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，结上的压降高，电流大，功率大。当功率大。当PN结上的功耗使结上的功耗使PN结发热，并超过它结发热，并超过它的耗散功率时，的耗散功率时，PN结将发生结将发生热击穿热击穿。这时。这时PN结的结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧结烧毁。毁。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19 九月九月 2024二极管的电路模型二极管的电路模型在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性在实际电路分析、设计中常使用逐段线性的二极管特性1.理想二极管的电路模型理想二极管的电路模型iDuDO导通电压导通电压UD与二极管材料有关：与二极管材料有关：硅管为硅管为0.60.7V，锗管为，锗管为0.20.3V。2.考虑导通电压的二极管模型：考虑导通电压的二极管模型：iDuDO_+uDiDuDUDuDUD+uDiD_19 九月九月 20243.考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型考虑正向伏安特性曲线斜率的二极管电路模型 以动态电阻以动态电阻rD表示曲线的斜率，表示曲线的斜率，(rD的值随二极管工作点的值随二极管工作点Q变化而变化）变化而变化）iDuDOUDuDUD+uDiD_rD19 九月九月 2024u理想二极管应用电路实例理想二极管应用电路实例限幅电路限幅电路+ui_+uO_RE输入电压为一正弦波。输入电压为一正弦波。电池电压：电池电压：E=4V08t40t截截止止截截止止导导通通导导通通 如如果果考考虑虑二二极极管管导导通通电电压压，则则此时输出电压应为此时输出电压应为4.7V。当当输输入入电电压压小小于于电电池池电电压压时时，二二极极管管两两端端电电压压处处于于反反向向偏偏置置，截截止止，没没有有电电流流流流过过，所所以以输输出电压跟随输入电压变化。出电压跟随输入电压变化。当当输输入入电电压压大大于于电电池池电电压压时时，二二极极管管两两端端电电压压处处于于正正向向偏偏置置，导导通通，二二极极管管两两端端电电压压为为0，所所以以输输出出电电压与电池电压相同，为压与电池电压相同，为4V。解：解：当当ui+10V时：时：VD1正偏短路，正偏短路，VD2反偏开路，反偏开路，uo=+10V。当当ui-10V时：时：VD1反偏开路，反偏开路，VD2正偏短路，正偏短路，uo=-10V。当当-10VUI+10V时：时：VD1、VD2均反偏开路，均反偏开路，uo=ui。uo波形如图波形如图(b)所示。所示。例例 电路及输入电压电路及输入电压Ui的波形如图所示，画出输出的波形如图所示，画出输出电压电压uo的波形。的波形。图 二极管双向限幅电路 (a)电路；(b)波形补充：二极管与门和或门电路补充：二极管与门和或门电路 1.1.电路2.2.工作原理A、B为输入信号 （+3V或0V）Y 为输出信号 VCC+10V电路输入与输出电压的关系AB0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V一、二极管与门一、二极管与门用逻辑1 1表示高电平（此例为+3V+3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0.7V0.7V）ABY0V0V0.7V0V3V0.7V3V0V0.7V3V3V3.7V3.逻辑赋值并规定高低电平4.真值表ABY000010100111 二极管与门的真值表A A、B B全1，Y Y才为1。可见实现了与逻辑5.5.逻辑符号6.6.工作波形(又一种表示逻辑功能的方法）7.7.逻辑表达式YA B二极管与门二极管与门（a a）电路）电路 （b b）逻辑符号）逻辑符号 （c c）工作波形）工作波形1.1.电路2.工作原理电路输入与输出电压的关系ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3VA、B为输入信号（+3V或0V）F为输出信号 二、二极管或门二、二极管或门4.真值表ABF0V0V0V0V3V2.3V3V0V2.3V3V3V2.3V可见实现了或逻辑3.逻辑赋值并规定高低电平用逻辑1 1表示高电平（此例为+2.3V+2.3V）用逻辑0 0表示低电平（此例为0V0V）ABF000011101111A A、B B有1，F F就1。二极管或门的真值表 二极管或门二极管或门（a a）电路）电路 （b b）逻辑符号）逻辑符号 （c c）工作波形）工作波形5.5.逻辑符号6.6.工作波形7.7.逻辑表达式FA+B19 九月九月 2024u半导体二极管主要参数半导体二极管主要参数uDiD0URWMIRIOMUBR1.最大整流电流最大整流电流 IOM：二极管长时间安全工作所允许流过的：二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由最大正向平均电流。由PN结结面积和散热条件决定，超结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。过此值工作可能导致过热而损坏。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM：为保证二极管不被反向击穿而规定为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。表表5.1 Si和和Ge二极管的二极管的UT、UD及及IS值值 19 九月九月 2024uDiD0URWMIRIOMUBR3.反反向向电电流流 IR：二二极极管管未未被被击击穿穿时时，流流过过二二极极管管的的反反向向电电流流。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。此值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。4.最最高高工工作作频频率率 fM：二二极极管管维维持持单单向向导导电电性性的的最最高高工工作作频频率率。由由于于二二极极管管中中存存在在结结电电容容，当当频频率率很很高高时时，电电流流可可直直接接通通过结电容，破坏二极管的单向导电性。过结电容，破坏二极管的单向导电性。19 九月九月 2024u稳压二极管稳压二极管 稳压管是一种特殊的硅二极管。它允许通过较大的反向电流，稳压管是一种特殊的硅二极管。它允许通过较大的反向电流，经过特殊工艺使其反向击穿电压比普通二极管低得多（几到几经过特殊工艺使其反向击穿电压比普通二极管低得多（几到几十伏）。利用其反向击穿特性，配以合适的电阻，在电路中可十伏）。利用其反向击穿特性，配以合适的电阻，在电路中可起稳压的作用。起稳压的作用。二极管在加反向偏置电压时，处于截二极管在加反向偏置电压时，处于截止状态，仅有很小的反向饱和电流。但是止状态，仅有很小的反向饱和电流。但是如果反向电压增大到一定值时，如果反向电压增大到一定值时，PN结的电结的电场强度太大，将导致二极管的场强度太大，将导致二极管的反向击穿，这时，二极管反向反向击穿，这时，二极管反向电流迅速增大而电压却基本不变电流迅速增大而电压却基本不变反向击穿。反向击穿。uDiDOUBR 稳压管符号及特性曲线稳压管符号及特性曲线 (a)符号；符号；(b)伏安特性曲线伏安特性曲线阳极阳极 因因为为这这种种二二极极管管具具有有稳稳定定电电压压的的作作用用，所所以以要要与与用用于于整整流流、检检波波等等用用途途的的普普通通二二极极管管区区别别开开，称称为为稳稳压压管管。稳稳压压管管用用字字母母VDZ表表示示，它它的的符符号号如如图图(a)所所示示。图图(b)是是它它的的伏伏安安特特性性曲曲线线，由由图图(b)可可知知，稳稳压压管管在在反反向向击击穿穿时时的的曲曲线比较陡直。线比较陡直。值值得得指指出出的的是是：稳稳压压管管必必须须工工作作在在反反向向偏偏置置(利利用用正正向向稳稳压压的的除除外外)，即即阴阴极极接接电电源源正正极极，阳阳极极接接电电源源负负极极，如如图图(a)所所示示。如如果果极极性性接接错错，二二极极管管就就处处于于正正向向偏偏置置状状态态，稳稳压压效效果果就就差差了了。另另外外，稳稳压压管管可可以以串串联联使使用用，一一般般不不能能并并联联使使用用，因因为为并并联联有有时时会会因因电电流流分分配配不不匀匀而而引起管子过载损坏。引起管子过载损坏。2.稳压管的主要参数稳压管的主要参数 1)稳定电压稳定电压UZ UZ就就是是稳稳压压管管的的反反向向击击穿穿电电压压。由由于于制制造造工工艺艺不不易易控控制制，即即使使同同一一型型号号的的管管子子，UZ的的值值也会稍有不同。也会稍有不同。2)稳定电流稳定电流IZ和最大稳定电流和最大稳定电流IZM IZ的的稳稳压压管管正正常常工工作作时时的的反反向向电电流流，这这是是一一个个参参考考值值。IZM是是稳稳压压管管允允许许通通过过的的最最大大反反向向电电流流。当当稳稳压压管管工工作作电电流流IIZ时时，没没有有稳稳压压效果；正常工作时，效果；正常工作时，IZIIZM。19 九月九月 2024(4)最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM(5)动态电阻动态电阻(6)电压温度系数电压温度系数 U稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。动态电阻越小稳压管稳压效果越好。动态电阻越小稳压管稳压效果越好。稳压管受温度变化的影响系数。稳压管受温度变化的影响系数。19 九月九月 20245.2 5.2 二极管整流电路二极管整流电路 整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见整流电路的目的是把交流电压转变为直流脉动的电压。常见的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。的整流电路有单相半波、全波、桥式整流等。u单相半波整流电路单相半波整流电路u2 0时，二极管导通。时，二极管导通。I0忽略二极管正向压降：忽略二极管正向压降：u0=u2u20，二极管截止，二极管截止,输出电流输出电流为为0。u0=0u1+u2_+u1-aTbDRL+uO_O19 九月九月 2024u单相半波整流电路单相半波整流电路(续续)半波整流输入输出电压波形：半波整流输入输出电压波形：u00ui0u1+u2_+u1-aTbDRL+uO_O19 九月九月 2024u单相桥式全波整流单相桥式全波整流u1+u2_aTrbD4D2D1D3RLuO0 t+u1_输入电压为正半周时，输入电压为正半周时，D1D3导通，导通，D2D4截止。截止。输入电压为负半周时，输入电压为负半周时，D2D4导通，导通，D1D3截止。截止。输入电压的正负半周都有电流输入电压的正负半周都有