N结二极管及其应用

u
i IS (eUT 1)
正向特性为 指数曲线
u
若正向电压u UT，则i ISeUT
若反向电压u UT，则i IS
反向特性为横轴的平行线
2. 温敏特性：T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓
→反向饱和电流IS↑，U(BR)
增大1倍/10℃
↓
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
动态平衡 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。
电子线路
2、什么是热平衡状态？
在一定温度下，激发和复合会达到一种动态平衡，单位
体积内的两种载流子的数量就不再增长。
3 Eg
带隙能量
ni pi A0T e2 2KT
波尔兹曼常数
绝对温度
与半导体材料相关参数
电子线路
3、本征半导体中的两种载流子
u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一
变容 二极管
个常数。其 Cb = f (U) 曲线如图示。
O
u
电子线路
5. 扩散电容 Cd
扩散浓度梯度变化--多子在扩散过程中积累而引起的。
正偏，P 区电子浓度 np( N 区空穴浓
度 pn)分布曲线如图示。
N
当电压加大，np (pn)会升高，反之浓度
会降低。
点接触型：结面积小， 面接触型：结面积大， 平面型：结面积可小、
结电容小，故结允许 结电容大，故结允许 可大，小的工作频率
的电流小，最高工作 的电流大，最高工作 高，大的结允许的电
频率高。
频率低。
流大。
电子线路
2、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u)
正向电压变化，变化载流子积累电荷
量发生变化，相当于电容器充电和放电
过程 —— 扩散电容效应。
当加反向电压时，扩散运动被削弱，
扩散电容的作用可忽略。
电子线路
PN 结
P
nP
2 Q

1 Q
O
x
x = 0 处为 P 与 耗
尽层的交界处
综述
PN 结总的结电容 Cj： Cj Cb Cd
正偏，结电容较大，主要决定于扩散电容，即 Cj Cd； 反偏时，结电容较小，主要决定于势垒电容，即 Cj Cb Cb 和 Cd 很小，常几pF ~ 几十pF， 结面积大达几百pF。
反向饱 和电流
导通 电压
u
i IS (eUT 1)
温度的 电压当量
(常温下UT 26mV)
击穿 电压
材料 硅Si 锗Ge
开启电压 0.5V 0.1V
导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V
开启 电压
反向饱和电流
1µA以下 几十µA
电子线路
2、二极管的伏安特性及电流方程
从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 正、反导电性
可见， PN 结具有单向导电性。
电子线路
思考
PN结耗尽层物理位臵是不是一定沿交界面中心线对称？
P
N
电子线路
5、PN 结的电容效应
当PN上的电压发生变化时，PN 结中储存的电荷量将随之发生变
化，使PN结具有电容效应。 势垒电容 扩散电容
1. 势垒电容Cb：由 PN 结的空间电荷区变化形成的。
空间
耗尽层变窄，扩散运动加剧，
耗尽层变宽，阻止扩散运动，有
由于外电源的作用，形成扩散电
利于漂移运动，形成漂移电流。由于
流，PN结处于导通状态。
电流很小，故可近似认为其截止。
电子线路
2、PN 结的单向导电性
综上所述： 当 PN 结正向偏臵时，回路中将产生一个较大的 正向电流， PN 结处于 导通状态；
当 PN 结反向偏臵时，回路中反向电流非常小， 几乎等于零， PN 结处于截止状态。
低频小信号模型
输入交流信号应满足交流小信号激励条件，交流分析时
，二极管才能看作为线性器件；
高频小信号模型
rd
rd
Cd
电子线路
4.交直流混合电路应用举例
1.小信号工作情况分析
VDD = 5V，vi = 0.1sint V
电子线路
3. 二极管的反向击穿特性
热击穿——不可逆
雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
雪崩击穿---碰撞电离：反向电压足够高时，
空间电荷区的合成电场较强，倍增效应！
齐纳击穿----电场击穿：当反向电压 足够高，空间电荷区中的电场强度达 到105V／cm以上；场致激发！ 低掺杂PN结，雪崩击穿主要的，击穿电压>6V；重掺杂PN结中，齐纳击 穿主要的，击穿电压<6V。击穿电压6V左右,兼有两种击穿现象。
结电容不是常量！在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。 PN结高频小信号时的等效电路：
rd
电子线路
势垒和扩散电 容的综合效应
问题
为什么将自然界导电性能中等的半导体材料
制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺 杂，改善导电性能？
为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子
还是少子是影响温度稳定性的主要因素？
Cb Cd
电子线路
伏安特性曲线
电流方程
击穿
反 电压 反向饱
向
和电流
击
穿 反向饱和
导
通
正向
导通 导通
u
电压 i IS (eUT 1)
开启
重要公式
电压
“三工作区” “四关键点”
温度电压当量UT
静态工作点Q
指标参数
直交 流流 电电 阻阻
非线性元件 如何线性化
处理？
模型？
4、二极管电路静态直流分析—等效分段线性化模型
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电
子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数 目很少，故导电性很差。 温度敏感：温度升高，热运动 加剧，载流子浓度增大，导电 性增强。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
电子线路
二、杂质半导体
Q点越高，工作电流愈大，直流电阻越小。 反向偏臵：直流电阻很大，Is=0，RD=∞； 电子线路
3、 二极管的交流电阻 rd
1.动态交流电阻rd：Q点附近，电压微变与电流微变之比。rd
=
ΔuD ΔiD
二极管微变
等效电路
小信号作用
Q点切线斜率倒数，正向很小，反向很大，Q越高，rd越小。
该模型用于二极管处于正向偏臵条件下，且UD>>UT 。rd的估算？ 电子线路
(a)N 型半导体
电子线路
(b) P 型半导体
三、PN结的形成及其单向导电性
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有。
P N型半导体
P
N
PN结
P区空穴 浓度远高 于N区。
电子线路
扩散运动
N区自由电 子浓度远高
于P区。
1、PN 结的形成
多子扩散运动 内电场
空间电荷区 漂移运动。
半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们 原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。
本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。
无杂质 稳定的结构 电子线路
2、本征半导体的结构
共价键 由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚
而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴
P 电荷区 N
空间
P
电荷区
N
I+ V U R

(a) PN 结加正向电压
电子线路
I
V UR
+
（b) PN 结加反向电压
5、PN 结的势垒电容
势垒电容的大小可用下式表示：
Cb

dQ dU


S l
：半导体材料的介电比系数； S ：结面积；
l ：耗尽层宽度。
Cb
由于 PN 结 宽度 l 随外加电压
1. N型半导体
5
多数载流子
空穴比未加杂质时的数目多 了？少了？为什么？
杂质半导体主要靠多数载 流子导电。掺入杂质越多，多 子浓度越高，导电性越强，实 现导电性可控。
磷（P）
电子线路
2. P型半导体
3
硼（B） 电子线路
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强，
电子线路
3、二极管的主要参数
最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效应 性能参数：
直流电阻 RD 交流电阻 rd
电子线路
3、二极管的直流电阻 RD
1.直流等效电阻：二极管两端直流电压与直流电流的比值 直流偏臵-- 静态工作Q点。 直流电阻：
为什么半导体器件有最高工作频率？
电子线路
§2 半导体二极管
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路 四、二极管的主要参数 五、稳压二极管
1、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
电子线路
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
1、二极管的组成
求二极管VD、ID=？
三种线性化模型电路 电子线路
VDD iD
VDD iD
VDD iD
+
D Vth

+
+
D
Von
D
rD


举例：二极管的静态工作情况分析
解： （1）VDD=10V 时 理想模型
（2）VDD=1V 时 理想模型
VD 0 V ID VDD / R 1 mA
恒压模型
VD 0 V ID =VDD/R=0.1 mA 恒压模型
产生内电场
漂移运动
扩散运动使靠近 接触面P区的空穴浓 度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度 降低，产生内电场。
扩散和漂移
动态平衡
PN结。
动态平衡条件：IF IR
电子线路
PN结是电中性的。
上节回顾：半导体与PN结
半导体 提纯 本征半导体 掺杂 掺杂半导体
控制 载流子
4晶 价体 元结 素构
导电 性能
1.由伏安特性折线化得到的等效电路
1. 理想模型
2. 恒压降模型
理想 二极管
近似分析 中最常用
3. 折线模型
△i与△u线性
理想开关
导通时 UD＝0 截止时IS＝0
电子线路
导通时UD＝Uth 截止时IS＝0
导通时UD=Uon+rDID 截止时IS＝0
举例：二极管的静态工作情况分析
（1）VDD=10V 时, R=10KΩ, （2）VDD=1V 时, R=10KΩ，
3、 二极管的交流电阻 rd估算
由
rd

uD iD
根据 iD =IS (euD/UT -1)
得Q点处的微变电导
g
d
=
diD duD
Q
= IS euD/UT UT
Q

ID UT
则
rd

1 gd
= UT ID
常温下（T=300K）
电子线路
rd
=
UT ID
=
26(mV) ID (mA)
交流量取决 于直流量。
讨论
例 二极管是非线性元件，它的直流电阻和交流电
阻有何区别？ 用万用表欧姆档测量的二极管电阻 属于哪一种？ 为什么用万用表欧姆档的不同量程 测出的二极管阻值也不同？
电子线路
上节回顾：二极管的导电特性
相互
二极管定性描述
印证
二极管定量描述
单电 反
向 导
容
向 击
电效 穿
性应 特
性
正反势扩齐雪 向向垒散纳崩 通截电电击击 导止容容穿穿
第二章 PN结二极管及其应用
§1.1 半导体基础知识 §1.2 半导体二极管 §1.3 二极管应用电路
§1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
电子线路
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，原子的最外层电子受原子 核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。
ID =
VDD -Von R+rD
=0.931
mA
VD Von IDrD 0.69 V
电如何子选线择路不同的等效电路？！
Vth
ID =
V+DD -Von RD +rD
+
=0.049
D
mA
+ D
rD VD =VonVD+IDrD =0.51 V



100V？5V？1V？ ？
4. 晶体二极管交流小信号模型
VD =Vth =0.7 V ID (VDD Vth ) / R 0.93 mA 折线模型
设Von =0.5 V rD =0.2 kΩ
VD Vth 0.7 V
ID =(VDD-Vth )/R=0.03 mA
折线模型 VDD
VDD
VDD
iD
设Von
iD
=0.5
V
iD
rD =0.2 kΩ
弱
本本 征征 激复 发合
成对载流子
自由电子、空穴
导电性能差 温度敏感
PN 型型
多子与少子
自由电子、空穴
导电率人控 导电性提高 温度不敏感
结合
PN结
空间电荷区 阻挡层 耗尽层
浓度差
扩散
多子 运动
内电场
漂移
少子 运动
百度文库
导电性？
电子线路
2、PN 结的单向导电性*
必要吗？
PN结加正向电压导通：
PN结加反向电压截止：
在杂质半导体中，温度变化 时，载流子的数目变化吗？少子 与多子变化的数目相同吗？少子 与多子浓度的变化相同吗？
小结
1. 掺入杂质浓度决定了多子浓度；温度决定了少子的浓度。 2. 杂质半导体多子的数目要远远高于本征半导体，因而 其导电能力大大改善。---------且温度不敏感！ 3. 杂质半导体总体上保持电中性，表示方法如下图所示。