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第3章半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路,本章重點(diǎn),1.二極管的單向?qū)щ娦浴⒎€(wěn)壓管的原理。,本章討論的問題：,1為什么采用半導(dǎo)體材料制作電子器件？,2.什么是N型半導(dǎo)體？什么是P型半導(dǎo)體？當(dāng)二種半導(dǎo)體制作在一起時(shí)會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？,3.PN結(jié)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PN結(jié)中加反向電壓時(shí)真的沒有電流嗎？,3.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識,3.1.1本征半導(dǎo)體,1.導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體,導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。,絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡膠、陶瓷、塑料和石英。,半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。,半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點(diǎn)。例如：,當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。,往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會使它的導(dǎo)電能力明顯改變。,完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體,將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。,價(jià)電子,共價(jià)鍵,圖3.1.1本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖,,,,,2.本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu),圖3.1.2本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴,自由電子,空穴,,T?,在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。,3.本征半導(dǎo)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(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理,在電場的作用下，一方面，自由電子將產(chǎn)生定向移動，形成電子電流，另一方面，價(jià)電子將按一定的方向依次填補(bǔ)空穴，其效果相當(dāng)于空穴向相反的方向產(chǎn)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(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。,空穴可看成帶正電的載流子。,溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。,本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：1.自由電子移動產(chǎn)生的電流。2.空穴移動產(chǎn)生的電流。,4、本征半導(dǎo)體中載流子的濃度本征激發(fā)：本征半導(dǎo)體因受激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對的現(xiàn)象。,,復(fù)合：自由電子在運(yùn)動過程中如果與空穴相遇就會填補(bǔ)空穴，使兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象。,動態(tài)平衡：在一定的溫度下，單位時(shí)間內(nèi)本征激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對與因復(fù)合而消失的電子空穴對相等，本征半導(dǎo)體中載流子的濃度一定。,1.半導(dǎo)體中兩種載流子,2.本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。,3.本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的濃度用ni和pi表示，顯然ni=pi。,4.由于物質(zhì)的運(yùn)動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動會達(dá)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(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。,小結(jié)：,3.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體,雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種,,N型半導(dǎo)體,P型半導(dǎo)體,1.N(Negative)型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。,空穴濃度少于電子濃度，即n>>p。電子為多數(shù)載流子，空穴為少數(shù)載流子。,二、P型半導(dǎo)體,,,,,,,,,,,,+4,,,,,,,,,,,,,+4,,,,在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。,空穴濃度多于電子濃度，即p>>n。空穴為多數(shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。,,,,3價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主原子。,受主原子,空穴,圖3.1.4P型半導(dǎo)體,說明：,1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。,4.雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。,3.雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。,2.雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。,(a)N型半導(dǎo)體,(b)P型半導(dǎo)體,圖雜質(zhì)半導(dǎo)體的簡化表示法,在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。,圖PN結(jié)的形成,3.1.3PN結(jié),,,,,耗盡層,1).擴(kuò)散運(yùn)動,2).擴(kuò)散運(yùn)動形成空間電荷區(qū),電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動。,——耗盡層。,1.PN結(jié)的形成,3).空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場,,空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差Uho——電位壁壘；——內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散——阻擋層。,4).漂移運(yùn)動,內(nèi)電場有利于少子運(yùn)動—漂移。,少子的運(yùn)動與多子運(yùn)動方向相反,5).擴(kuò)散與漂移的動態(tài)平衡,擴(kuò)散運(yùn)動使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減小；隨著內(nèi)電場的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，總的電流等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定，形成PN結(jié)。,即擴(kuò)散運(yùn)動與漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。,2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1.PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài),PN結(jié)外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。,圖3.1.6,在PN結(jié)加上一個(gè)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R。,2.PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)(反偏),反向接法時(shí)，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場的作用；,外電場使空間電荷區(qū)變寬；,不利于擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流IS；,由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。,圖3.1.7PN結(jié)加反向電壓時(shí)截止,反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。,當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,綜上所述：,可見，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?IS：反向飽和電流UT：溫度的電壓當(dāng)量在常溫(300K)下，UT?26mV,3.PN結(jié)的電流方程,PN結(jié)所加端電壓u與流過的電流i的關(guān)系為,4.PN結(jié)的伏安特性,i=f(u)之間的關(guān)系曲線。,,,正向特性,反向特性,圖1.1.10PN結(jié)的伏安特性,反向擊穿齊納擊穿雪崩擊穿,當(dāng)加于PN結(jié)的反向偏置電壓超過某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱為反向擊穿。擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。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(qiáng)的電場，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛形成電子－空穴對，致使電流急劇增加。,雪崩擊穿：如果摻雜濃度較低，不會形成齊納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時(shí)，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)。對于硅材料的PN結(jié)來說，擊穿電壓>7V時(shí)為雪崩擊穿，0時(shí):,二極管導(dǎo)通，uo=u2,u2<0時(shí):,二極管截止,uo=0,半波整流電路,全波整流電路,忽略二極管正向壓降,2.開關(guān)電路,利用二極管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān),0V0V,導(dǎo)通導(dǎo)通,導(dǎo)通截止,截止導(dǎo)通,0V4.3V,4.3V0V,4.3V4.3V,0V,0V,0V,4.3V,求vI1和vI2不同值組合時(shí)的v0值（二極管為理想模型）。,解：,,導(dǎo)通導(dǎo)通,3.集成運(yùn)放輸入端保護(hù)電路,當(dāng)UI大到一定程度時(shí)二極管導(dǎo)通，使集成運(yùn)放的凈輸入電壓限定在二極管的導(dǎo)通電壓。R為限流電阻,2.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(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)動態(tài)電阻。,即,根據(jù),得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),則,常溫下（T=300K）,,圖3.2.6二極管的微變等效電路,,3.3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(dǎo)體二極管，其結(jié)構(gòu)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。穩(wěn)壓管的伏安特性正向特性、未擊穿時(shí)的反向特性曲線與普通二極管的相似，但反向擊穿特性曲線很陡。,穩(wěn)壓管的伏安特性和等效電路,(1)穩(wěn)定電壓UZ,(2)動態(tài)電阻rZ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流下，所對應(yīng)的反向擊穿電壓。,rZ=?VZ/?IZ,(3)最大耗散功率PZM,(4)最大穩(wěn)定電流IZmax和最小穩(wěn)定電流IZ(IZmin),(5)溫度系數(shù)——?VZ=?VZ/?T,2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù),3.3.2穩(wěn)壓管的基本應(yīng)用電路,1.穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓,（1）設(shè)電源電壓波動(負(fù)載不變),UI↑→UO↑→UZ↑→IZ↑,UO↓←UR↑←IR↑,↓,#不加R可以嗎？,（2）設(shè)負(fù)載變化(電源不變),RL↓→UO↓→UZ↓→IZ↓,UO↑←UR↓←IR↓,↓,例1：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用,穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Iz=2mA，負(fù)載電阻RL=2k?，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200?，求iZ。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k?--4k?，是否還能穩(wěn)壓？,UZ=10Vui=12VR=200?Izmax=12mAIz=2mARL=2k?(1.5k?~4k?),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k?,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k?,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）,負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用,,例2：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用,解：ui和uo的波形如圖所示,（UZ＝3V）,2.限幅電路,四窗口比較器,發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)將電能轉(zhuǎn)換為光能的半導(dǎo)體器件。正偏時(shí)，有正向電流通過而發(fā)光，其正向通態(tài)管壓降為1.6—2.2V.,符號和特性,工作條件：正向偏置,一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(1?2)V,符號,特性,3.4發(fā)光二極管,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,點(diǎn)陣LED,七段LED,,