第2章 二极管及其典型应用

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一、PN结的形成
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
P区
N区
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
内电场
耗尽层 =PN结
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因浓度差 多子的扩散运动 杂质离子形成空间电荷区
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答疑
平时答疑时间：自定
期末答疑时间：待定
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第1章 绪论
一、基本概念
二、模拟电子技术课程特点 三、电子技术主要应用
四、电子技术的发展
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一、基本概念
• 电子器件：组成电子电路的基本物理单元叫做电 子器件，简称器件。器件有分立器件和集成电路 器件两种。
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电子电路：由电子器件按一定规律和要求组成的 系统叫做电子电路(或简称电路)，电路可以实现一 定的功能。 电子技术概念：研究电子器件与电路系统分 析、设计、制造的工程实用技术。
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一、二极管的结构类型
P N PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路 PN 结面积大，用 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 往往用于集成电路制造工艺中。 于工频大电流整流电路 点接触型 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。 二极管按结构分 面接触型 平面型
-22 -14 -1 绝缘体 — 导电率为10 -10 s.cm 量级， 如：橡胶、云母、塑料等。
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间。 光敏器件 如：硅、锗、砷化镓等。 光电器件 半导体特性 掺杂特性 温度特性 光照特性
掺入杂质则导电率增加几百倍
温度增加使导电率大为增加
半导体器件
热敏器件
光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
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• 电子电路分类：模拟电子电路和数字电子电路。 • 模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的 处理是放大。 • 数字电路：对数字量进行处理的电路。
u(t) 或i(t) u(t) 或i(t)
O
t
O
T
2T 3T 4T
t
(a)模拟信号示意图
（b）数字信号示意图
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电子技术分类
模拟电子技术 数字电子技术
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二、二极管的特性曲线
伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线， PN结电流方程为：iD IS e
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二、本征半导体
共价键内的电子 称为束缚电子
+4 +4 +4
本征半导体的原子结构和共价键结构
自由电子定向移动 形成电子流 外电场E
导带
+4 +4
+4
禁带EG 价带
+4
+4
+4
挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子
束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
价带中留下的空位称为空穴半导体能带结构示意图 锗晶体的共价键结构示意图
35/137 扩散电容CD 在外加电压变化的情况 扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而 下，P、N区少子浓度的分 形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电 布将发生变化，扩散区内电 源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就 荷的积累与释放过程与电容 堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度 充放电过程相同，这种电容 等效为扩散电容。 分布曲线。
少子浓度
注意：势垒电容和扩散电容 均是非线性电容 , 并同时存 在。外加电压变化缓慢时可 以忽略，但是变化较快时不 容忽略。
ΔQsp ΔQsn xp o x
xn
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六、PN结的光电效应与电致发光
PN结的光电效应
PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻 挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光 子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、 N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场 的作用下电子迅速移向N区，孔穴移向P区，在回路内容形成 光电流，而P、N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自 由的扩散运动，对光电流基本没有贡献。 RL ED IP 注意：为了充分利用在 PN 结 各 区 内 产 生 的 光 生 载 流 子 ， PN 结 需 加 适 当 的反向偏压。
外
内
29/137 2. PN结加反向电压时的导电情况 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；
外电场与PN结内电场
方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动 阻碍增强，扩散电流大大减 小。少子在内电场的作用下 形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电 流大于扩散电流，可忽略扩 散电流。 PN结呈现高阻性，近似 认为截止状态。 外
PN结两端的电压与 流过PN结电流的关系式
i D I S e uD

UT
1

k 波尔兹曼常数；q为电子的电量；
T=300k（室温）时 UT= 26mv

当加正向电压时：
iD I S e
uD UT
(U>>UT)

当加反向电压时：
iD I S
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iD I S e


uD UT
1
iD

uD
当加正向电压时：
iD I S e
(U>>UT)
uD UT
U(BR)
Uon
反向击穿区 反向偏置区

正向偏置区
当加反向电压时：
iD I S
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四、PN结的反向击穿
反向击穿： PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电 流激增的现象。 击穿是可逆。掺杂浓度 小的二极管容易发生。 雪崩击穿 当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在 空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形 成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。 齐纳击穿 当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电 子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。
与外电场方向相同
始终在价带内运动 3. 本征半导体在热力学温度和没有外界能量激发下，不导电。
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三、杂质半导体
掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝）
等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。 掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。
掺入的五价元素如P（磷） 、砷等， 形成N型半导体，也称电子型半导体。
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二、PN结的接触电位差
内电场的建立，使PN结中产生电 位差。从而形成接触电位U。

U
接触电位U决定于材料及掺杂浓度 硅： U=0.7 V 锗： U=0.2 V
其电位差用 表示
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三、PN结的伏安特性
1. PN结加正向电压时的导电情况 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； 外电场方向与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，处 于导通状态。
杂质半导体
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N型半导体
+5 +4
在本征半导体中掺入的五价元素如P。 由于五价元素很容易贡献电 子，因此将其称为施主杂质。 施主杂质因提供自由电子而 带正电荷成为正离子。
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +5
+4
杂质原子提供 自由电子是多子
由热激发形成 空穴是少子
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P型半导体
内
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小结： PN结加正向电压时，呈 现低电阻，具有较大的正向 扩散电流； PN结加反向电压时，呈 现高电阻，具有很小的反向 漂移电流。 由此可以得出结论： PN结具有单向导电性。
31/137 3. PN结电流方程 由半导体物理可推出： 式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压
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电子技术 （模拟部分）
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北京市精品课程教学网站
http://202.112.146.13/jxjd/moniliu/wl/index.html
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考核方法
平时 10分 研究报告 10分 实验 15分
期中考试 15分 期末考试 50分 下周各自然班班长到九教五楼电子实验室找佟老师 商量本学期电子实验的安排。
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 半导体基础知识 PN结 二极管 二极管典型应用 二极管电路分析
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2.1 半导体基础知识
一、半导体的特性
二、本征半导体 三、杂质半导体
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一、半导体特性
何谓半导体？
物体分类 导体 导电率单位：西门子/米（S/m) — 导电率为105s.cm-1，量级，如金属
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移 扩散运动 漂移运动 动态平衡 PN 结 内电场阻止多子扩散
多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。 扩散运动产生扩散电流。 少子向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。 扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。 ，也称耗尽层。 稳定的空间电荷区 ，又称高阻区
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二、本征半导体
运载电荷的粒子称为载流子。如自由电子和空穴。
载流子
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 ,成对出现。
2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的
4．实践性
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三、电子技术的应用
应用领域 Application area 1．通信系统 Telecommunication System 2．控制系统 Control System 3．测试系统 Testing System 4．计算机 Computers 5．例如家用电器 Family Electronic 6．农业机械 Agriculture Machine 7．生物医学工程 Biomedical Engineering 8．航空航天技术 Spaceflight and Airplane 9．现代智能交通（ITS）
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二、本征半导体
本征半导体
完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。 在晶体中，质点的排列有一定的规律。
晶体特征
常用的本征半导体
硅、锗
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+14
+32
硅原子结构 价电子 +4
锗原子结构
正离子
硅（锗）的原子结构简化模型
D U D
D
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PN结的电致发光
如果在PN结加正偏电压U，外电场将消弱内建电场对
来自百度文库
载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，
注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子 的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内
产生光增益。
D
U
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2.3 二极管
一、二极管的结构类型 二、二极管的特性曲线 三、二极管的等效电路 四、稳压二极管 五、变容二极管 六、肖特基二极管 七、光电二极管 八、发光二极管 九、二极管的典型应用
诺利刀
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四、电子技术的发展
1904年：第一只真空二极电子管
、 电子学诞生。 1947年：贝尔实验室制成第一只 晶体管 1958年：集成电路IC
1969年：大规模集成电路LSI
1975年：超大规模集成电路VLSI （>105）
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第1章 结束
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第2章 二极管及其典型应用
PN结的电流或电压较大，使PN 不可逆击穿 — 热击穿。 结耗散功率超过极限值，使结温 击穿是可逆。掺杂浓度 升高，导致PN结过热而烧毁。 大的二极管容易发生。
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五、PN结电容
势垒电容CB 当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压的变 化而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄 变化所等效的电容为势垒电容。
+4 +3 +4
在本征半导体中掺入的三价元素如B。 因留下的空位(穴)很容易 俘获电子，使杂质原子成 为负离子。三价杂质 因 而也称为受主杂质。
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +3
+4
杂质原子提供
空穴是多子
由热激发形成 自由电子是少子
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2.2 PN结
一、PN结的形成 二、PN结的接触电位差 三、PN结的伏安特性 四、PN结的反向击穿 五、PN结电容 六、PN结的光电效应与电致发光
低频模拟电子技术
高频模拟电子技术
模拟电子技术：研究模拟电子器件与系统分析、设 计、制造的工程实用技术。 数字电子技术：研究数字电子器件与系统分析、设 计、制造的工程实用技术。
电子技术的基础知识: (1)电路理论 (2)信号与系统理论。
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二、模拟电子技术课程特点
1．规律性
2．非线性
3．工程性