半导体材料及二极管

第一章 半导体材料及二极管
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1.3 晶体二极管及其应用
二极管的核心是一个PN结。
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图1.11 二极管的结构和电路符号
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1.3.1 晶体二极管的伏安特性
二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流
与其端电压 vD之间的关系。
iD
vD
iD Is (eVT 1)
（1.16）
vD --加在二极管上的端电压
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输入电压的变化量为：
VI 10%VI 1.5V
输出电压的变化量为：
Vo
rz // RL R rz // RL
VI
0.094V
输出电压的相对变化量为：
Vo 0.094 1%
Vo
9
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例1.4为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳 压电源为汽车收音机提供一个9V的电压，稳压电
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2.滤波电路
试分析滤波电路的工作原理。
图1.25 滤波电路
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3.限幅电路
限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路。
Vomax
VIL VIH
Vomin
图1.26 限幅电路的电压传输特性
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试分析双向限幅电路的工作原理。
图1.27 双向限幅电路
R
VImin Vz
I z min
Vz RL min
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例1.3 采用 Vz 9V , rz 4的Si稳压管2DW3的稳压电路如图
1.34所示。如果输入电压 VI的波动 VI 1，0%试问输
出电压的波动 Vo ?
VI
Vo
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图1.34
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解：
图1.35 稳压电路模型及增量等效模型
源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围 （ 11 ～ 13.6 ） V ， 收 音 机 的 电 流 介 于 0( 关 掉 ) ～ 100mA(最大音量)之间。
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图1.36
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解：（1）当负载电流最大 ILm，ax 输出电压最小 时V，Imin流过
稳压管的电流最小
I
z
min， 则VIm
代数法：求解非线性方程组
计算复杂，必须借助计算机
几何法：图解法
粗糙，必须知道伏安关系曲线
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模型法：近似线性法
方便，可以利用线性电路分析方法
如何模型化？
根据伏安关系
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1.3.3 二极管模型
1.二极管伏安特性的分段线性近似模型
图1.18 二极管模型 （a)理想开关模型 （b）恒压源模型 （c）折线近似模型
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1.3.8 小结
半导体知识 二极管知识 二极管应用
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一、半导体知识
1．本征半导体
单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅 （Si）和锗（Ge）。前者是制造半导体IC的材料 （三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体 器件和IC的重要材料）。
纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。 在一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现 象是本征激发（又称热激发或产生）。本征激发产 生两种带电性质相反的载流子——自由电子和空穴 对。温度越高，本征激发越强。
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空穴是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的本 质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显 示电荷的空位宏观定向运动。
在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇， 使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。 复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载 流子处于平衡状态。
iD --流过二极管上的电流
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1.正偏伏安特性
二极管的正偏伏安特性方程:
vD
iD IseVT
（1.17）
二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增 加。
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2.反偏伏安特性
二极管的反偏伏安特性方程:
is Is
（1.18）
可见，二极管反向电流 iD不随反向偏压 v而D 变化， 仅有很小的反向饱和电流。
1.整流电路
图1.22 直流稳压电源方框图
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试分析半波整流电路的工作原理，指出其不足， 提出改进方法。
图1.23 半波整流电路
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试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足， 提出改进方法。
全波整流电路
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试分析桥式整流电路的工作原理
桥式整流电路
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1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的开关按键来实现功 能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
按键
PCBA
开关键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型，尽量选择 平头类的按键，以防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计间隙建议 留0.05~0.1mm，以防按键死键。 3.要考虑成型工艺，合理计算累积公 差，以防按键手感不良。
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例1.1 硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路 如图1.19所示，求二极管工作点。
图1.19
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解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作 点。
VD VON 0.7V
ID
E VD R
3 0.7 300
7.67mA
为什么采用恒压源模型？
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三、二极管知识
普通二极管内芯片就是一个PN结，P区引出正电极， N区引出负电极。
在低频运用时，二极管具有单向导电特性，正偏时 导通，Si管和Ge管导通电压典型值分别是0.7V和 0.2V；反偏时截止，但Ge管的反向饱和电流比Si管 大得多。
二极管的低频小信号模型就是交流电阻，它反映了 在工作点Q处，二极管的微变电流与微变电压之间 的关系。
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二极管交流电阻 定义： 估算:
rd
diD dvD
1
Q
rd VT ID
二极管伏安特性
vD
iD Is (eVT 1)
二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有理想 开关、恒压源模型和折线模型三种近似。
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四、二极管应用 单向导电特性应用
整流器：半波整流，全波整流，桥式整流。 限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。 钳位电路* 通信电路中的应用*：检波器、混频器、倍频器等。
则限流电阻 :
R VImax Vz 13.6 9 15.3
I z max
300
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提高训练： 如何设计小功率电压源电路？
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1.3.6 PN结电容效应及应用
势垒电容 CT 扩散电容 CD
变容二极管
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1.3.7 特殊二极管
太阳能电池 光电二极管 发光二极管 肖特基二极管
R/
R // RL ,VI /
wenku.baidu.com
RL RL
R VI
图1.33 稳压管电路原理分析
问题：还有其他的分析方法吗？
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2）限流电阻R的选取
Iz
IR
IL
VI
Vz R
Vz RL
稳压管正常工作范围：
I z min I z I z max
可以求得：
VImax Vz
I z max
Vz RL max
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利用线性电路的叠加原理，可以画出只反映交变 电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流等效 电路，如图1.21(b)所示，由此交流通路可求出 :
I dm
Vm R rd
100 300 3.39
0.33mA
Vdm Idmrd 1.12mV
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1.3.4 二极管应用电路
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4.温度对二极管伏安特性的影响
➢温度对二极管正向特性的影响
dvD dT
(2 ~
2.5) mV
oC
➢温度对二极管反向特性的影响
T2 T1
IS (T2 ) IS (T1)2 10
图1.14 温度对二极管伏安特性的影响
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5. Si二极管与Ge二极管的差别
➢ Si 二极管的开启电压约 0.5-0.6V，Ge二极管的 开启电压约0.1-0.2V。
rd
dvD diD
Q
rd VT ID
如何证明？
说明:交流电阻与直流
电流成反比。
图1.17 二极管的交流电阻
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3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 IF ➢最高反向工作电压 VR ➢反向电流 I R ➢最高工作频率 fmax
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含二极管电路的分析 （非线性伏安关系）
4.钳位电路
钳位电路是一种能使整个信号电压直流平移的电 路。在稳定状态下，输出波形完全是输入波形的复 制品，但输出波形相对于输入波形有直流平移现象， 平移程度取决于电路。
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试找出图中的错误
图1.28 钳位电路原理分析 图1.29 钳位电路的波形
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1.3.5 稳压管及其应用
➢ Si二极管反向电流比Ge 二极管反向电流小得多， Si 管是pA量级，Ge管是 μA量级。
为什么？
图1.15 Si和Ge两种二极管伏安特性的差别
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1.3.2 二极管的直流电阻和交流电阻
1.直流电阻
RD
VD ID
Q
静态工作点
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图1.16 二极管的直流电阻
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2.交流电阻
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图1.12 二极管的伏安特性曲线
6
3.反向击穿特性
当加在二极管上的 反偏电压超过某一 数值VBR时，反偏电 流将急剧增大，这 种现象称为二极管 的反向击穿
图1.13 二极管的反向击穿特性
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导致二极管出现反向击穿的原因有下面两种： 雪崩击穿 齐纳击穿
只含两个未知量： 和Izma。x I z min 取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即
Iz min 0.1I z max
I z max
(VI min
VImax Vz Vz ) 0.1(VImax
Vz )
I L max
VImin
VImax Vz 0.9Vz 0.1VImax
300mA
2021/3（/6 a）电路图
（b）交流等效电路
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解：当未加正弦电压源，即 v(t)时 0，V 由例1.1可知，二
极管的工作点 的交流电阻为
， VD ，0.7则V可I估D 算7出.67该mA工作点处
rd
VT ID
26mV 7.67mA
3.39
在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。
直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交 流电流。
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2.二极管的交流小信号模型
图1.20 二极管的交流小信号模型
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例1.2 若在例1.1电路中串联一个正弦电压源
，
图1v.(2t)1（100as）in 2为 其104电mV路图，估算此时二极管上交流电
压与电流成分的振幅值 和 （T＝300K）。Vdm
I dm
图1.21 二极管交流电路分析
1.稳压管的伏安特性
图1.30 稳压管伏安特性曲线及电路符号
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2.稳压管的主要参数
稳定电压 Vz 最小稳定电流 Izmin 最大稳定电流 Izmax 动态电阻 rz 电压温度系数
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3.稳压管电路
图1.32 稳压管稳压电路
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1）稳压原理 试分析稳压原理
in R
Vz
ILmax
R VImin Vz I z min I L max
（2）当负载电流最小 ，IL输min 入电压最大 时，VI流max 过稳压
管的电流最大
I,则z max
VImax Vz R
R VImax Vz I z max
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令上两式相等，则:
(VImax Vz )(I z min ILmax ) I z max (VImin Vz )
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2．杂质半导体
在本征硅（或锗）中渗入微量5价（或3价）元素后 形成N型（或P型）杂质半导体。
在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会 全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和 杂质负离子对）。
由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子， 少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子 是自由电子。
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在常温下，多子>>少子,且多子浓度几乎等于杂质 浓度，与温度无关；少子浓度是温度的敏感函数。
在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少 子浓度。这也是Si器件工作温度高于Ge器件的原因。
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3．半导体中的两种电流
在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流 （这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而 产生的扩散电流。
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二、PN结
在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近， 会形成一个特殊的薄层——PN结。
PN结是非中性区（称空间电荷区），存在由N区指 向P区的内建电场和内建电压；PN结内载流子数远 少于结外的中性区（称耗尽层）；PN结内的电场 是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻 挡层）。