PN结和二极管

2015年9月21日星期一 发光管
触敏屏
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二极管是一种非线性器件，需应用线性化 模型分析法对其应用电路进行分析。
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型号命名规则
2AP9 2DW7B 1N4001 1N4007 1N4148 1N5819 2DW7B
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2.4.2 整流电路
二极管 = PN结 + 引线 + 管壳。 类型：点接触型、面接触型和平面型 (1) 点接触型—
(a)点接触型 30
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(2) 面接触型—
(3) 平面型—
(b)面接触型
(c)平面型
符号
阳极(Anode)
D1 D2
阴极(Cathode) 新符号
旧符号
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标记 Diode
PN结的形成过程
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PN结的形成小结：
浓度差
多子扩散空间电荷区(杂质离子)
内电场
促使少子漂移 阻止多子扩散
当多子扩散和少子漂移达到动态平衡，形成PN结
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实质
PN结，空间电荷区，耗尽层，内电场，电阻
电位壁垒：硅材料0.6～0.8V
锗材料0.2～0.3V
导带与价带之间是禁带。
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2.1.2 P型和N型半导体
杂质半导体 本征半导体的缺点？
1、电子浓度=空穴浓度； 2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！
(1) N型半导体 (2) P型半导体 (3) 杂质对半导体导电性的影响
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(1）N型半导体（电子型半导体） 施主杂质
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
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在硅和锗的能带图中，磷的能级位置在禁带 之中而又靠近导带，只要很小的激发能便可使多 余的电子挣脱原子核的束缚变成自由电子；而硼 的能级只比价带顶高0.045eV，只要很小的激发 能，价电子就会挣脱共价键的束缚，从价带跳到 这个能级上，在价带上留下一个空穴。
外加的反向电压增强了内电场 PN结呈现高阻性
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反向饱和电流 （IS= IR ） (Saturation)
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2.2.2 PN结的伏－安特性
定性 ——单向导电性
一、二极管方程（定量）
理想二极管(PN结）方程：
V
I IS (e VT 1)
IS :反向饱和电流 VT =kT/q :温度的电压当量 室温（T=300 K）下，
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2.3 二极管模型
一、大信号模型
V
I IS(e nVT 1)
IS :反向饱和电流 n :与工艺有关的常数
理想模型
0
ID
恒压模型
0
ID
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VD 0 VD 0
VD Vr VD Vr
Vr为开启电压
硅：0.5~0.7V 锗：0.1~0.3V
箝位电路 限幅电路
2.4.6 稳压电路
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2.4.7 门电路
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2.4.1简介 半导体二极管图片
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半导体二极管图片
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半导体二极管图片
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半导体二极管图片
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结构类型
基本要求
1.正确理解PN结。 2.熟练掌握器件（二极管）的外特性、主 要参数。 3.会查阅电子器件手册。
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作业 题2－18，题2－21，题2－25
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2.1 半导体基础 2.2 PN结和二极管 2.3 二极管模型 2.4 二极管的应用
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2.1 半导体基础
半导体 定义:电阻率 10－5Ω ·m导体，107Ω ·m绝缘体， 之间的为半导体。 特点:导电能力可控（受控于光、热、杂质等） 典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等
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二、小信号模型
即系统模型
势垒电容
Cj
C j0
/1
Vp
0
m
Ψ0内建势
扩散电容 Cd aID a为常数
微变电阻
rd
dVD dI D
Vt ID
kT eI D
rd
正偏 反偏
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2.4 二极管的应用
2.4.1 简介
2.4.2 整流电路
2.4.3 检波电路
2.4.4 2.4.5
2.1.1 本征半导体 2.1.2 P型和N型半导体
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2.1.1 本征(intrinsic)半导体
——纯净无掺杂的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.9999999%，常称为“九个9”。
(1) 共价键结构 (2) 电子空穴对 (3) 空穴的移动 (4) 能带结构
受主杂质 负离子
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(3) 杂质对半导体 导电性的影响
影响很大。载流子数目剧增
典型数据如下: 1 T=300 K室温下,本征硅的
电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3 2 掺杂后 N 型半导体中的
自由电子浓度: n=5×1016/cm3 3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
正离子
特 点：
多数载流子：自由电子（主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 由热激发形成） 掺 杂：少量掺入五价杂质元素（如：磷5个价电子）
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(2）P型半导体（空穴型半导体） 特 点：
多子：空穴（主要由杂质原子提供） 少子：电子（ 由热激发形成） 掺 杂：少量掺入三价杂质（如硼B、镓Ga和铟In等3个价电子）
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种类 1、普通二极管 2、稳压二极管 3、光电二极管 将光信号转换为电信号的器件，
常用于光的测量，或做光电池。
4、发电二极管
（LED）
5、激光二极管
将电信号转换为光信号的器件， 常用于显示，或做光纤传输中 的光发射端。
发射相干单色光的特殊发光二 极管。主要用于小功率光电设 备，如光驱、激光打印头等。
电子(- ) 空穴(+)
本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡!
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(3) 空穴的移动(导电）
空穴的运动 = 相邻共价键中的价电子反向依次填 补空穴来实现的
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(4) 能带结构
自由电子的能量较大，其能级位 置处于导带之中；
价电子的能量较低，能级位置在 价带之中；
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2.2 PN结和二极管
2.2.1 平衡态PN结中的载流子分布 2.2.2 PN结的伏－安特性 2.2.3 PN结的击穿
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2.2.1 平衡态PN结中的载流子分布 形成
两种载流子的 两种运动 动态平衡时
形成PN结 两种运动：
扩散（浓度差） 漂移（电场力）
（一）符号、伏安特性 和典型应用电路
(b) (b) 伏安特性
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（二）主要参数
(1) VZ —— 稳定电压 (2) IZ ——稳定工作电流
IZmin ~IZmax (3)PZM ——最大耗散功率
取决于PN结的面积和散热等条件，超过则热击穿 PZM = VZ IZmax
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VZ RL min
IZ min
Rmax
=
VImin VZ I Zmin I Lmax
(2) Izmax：当输入电压最大，负载电流最小时
VIman VZ Rmin
VZ RL max
IZ max
Rmin
=
VImax VZ I Zmax I Lmin
Rmin < R Rmax
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(1）共价键结构
空间排列有序的晶体
以 硅原子(Si)为例：原子外层轨道上的电子有4个，价 电子
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意图
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（2）电子空穴对
T=0 K时
本征激发和复合的过程
本征激发（热激发） 电子空穴对：载流子（Carrier) 复合
单向导电性
单向导电性： PN结正偏时导通（大电流）， PN结反偏时截止（小电流）。
偏置(bias)
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(1) PN结正偏(UP>UN )时 ——导通
外加的正向电压削弱了内电场。 PN结呈现低阻性
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正偏 正向电流
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(2) PN结反偏(UP<UN )时 ——截止
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注意：
稳压二极管在工作时应反接，并 串入一只电阻。
电阻的作用： 限流保护 误差调节
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二、电路原理
(1) 输入电压变化时
VI↑→VO↑ →VZ↑ →IZ↑ →IR↑ →VR↑ →VO↓
(2) 负载电流变化时
IL↑→IR↑→VR↑→VZ↓（VO↓）→IZ↓→IR↓→VR↓→VO↑
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三、稳压电阻的计算
稳压性能与动态电阻、稳压电阻R有关
稳压管的动态电阻越小，稳压电阻R越大， 稳压性能越好。
稳压电阻R 的作用
电压调节、限流
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稳压电阻的 计算如下：
(1) Izmin：当输入电压最小，
负载电流最大时
VImin VZ Rmax
见第十一章
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2.4.3 检波电路
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2.4.4 箝位电路
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2.4.5 限幅电路
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2.4.6 稳压电路
一、稳压二极管
应用在反向击穿区 （雪崩击穿和齐纳击穿）
击穿有两种机制：
一是齐纳击穿：重掺杂， 空间电荷区很窄不太大的反偏 压就会产生很强的电场，把电 子从共价键上拉出来，形成电 子空穴对。电子被反向电场扫 到N区，空穴被扫到P区，成 为反向电流。
一是雪崩击穿：轻掺杂，耗尽区较宽，穿越耗尽区 的少子受到电场加速，获得足够的动能，把共价键上的 电子碰下来，产生电子空穴对。这些电子被电场加速， 又会产生新的电子空穴对，如同雪崩一样，导致反向电 流随着反向偏压增大而迅速增大。
பைடு நூலகம்
2.4.7 门电路
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本章小结
1．半导体材料中有两种载流子：电子和空穴。电子 带负电，空穴带正电。在纯净半导体中掺入不同的 杂质，可以得到N型半导体和P型半导体。 2．采用一定的工艺措施，使P型和N型半导体结合在 一起，就形成了PN结。PN结的基本特点是单向导电 性。 3．二极管是由一个PN结构成的。其特性可以用伏安 特性和一系列参数来描述。在研究二极管电路时， 可根据不同情况，使用不同的二极管模型。
VT=26 mV
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理想二极管的伏安特性曲线
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二、实际二极管的伏安特性
理想D伏安特性：
V
I IS (e VT 1)
实际二极管的伏安特性 两点区别： 1)正向特性(V>0)
存在死区电压
硅：Vth=0.5 V 锗：Vth=0.1 V
2)反向特性(V<0) 存在击穿电压
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三、二极管的主要参数
(1) IF——最大整流电流
长期连续工作时，允许通 过的最大正向平均电流
(2) VBR——反向击穿电压
(3) IR（IS）—— 反向饱和电流
硅 (nA)级；锗 (A)级
(4) rd ——动态电阻 rd =VF /IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数
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2.2.3 PN结的击穿