模電課件第2章半導(dǎo)體二極管及其基本電路1

1、2.1 半導(dǎo)體的基本知識2.2 pn結(jié)的形成及特性2.3 二極管基本電路及其分析方法2.4 特殊二極管本章基本教學(xué)要求本章基本教學(xué)要求熟練掌握二極管的外特性及主要參數(shù)正確理解pn結(jié)的單向?qū)щ娦哉莆斩O管的大信號和小信號電路模型一般了解半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理性本章重點內(nèi)容本章重點內(nèi)容半導(dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?、半?dǎo)體二極管的單向?qū)щ娞匦?、伏安特性以及主要參?shù)。伏安特性以及主要參數(shù)。二極管的應(yīng)用和二極管電路的二極管的應(yīng)用和二極管電路的分析方法分析方法硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性、穩(wěn)硅穩(wěn)壓二極管的伏安特性、穩(wěn)壓原理及主要電參數(shù)。壓原理及主要電參數(shù)。本章難點內(nèi)容本章難點內(nèi)容器件內(nèi)部的物理過程。器件內(nèi)部的物理過程。

2、器件特性的物理概念。器件特性的物理概念。2.1 2.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識2.1.1 2.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性2.1.2 2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1.3 2.1.3 半導(dǎo)體的溫度特性半導(dǎo)體的溫度特性 根據(jù)物體導(dǎo)電能力根據(jù)物體導(dǎo)電能力( (電阻率電阻率) )的不同，來劃分導(dǎo)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。體、絕緣體和半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的電阻率為半導(dǎo)體的電阻率為1010-3-310109 9 cm。典型的半。典型的半導(dǎo)體有導(dǎo)體有硅硅si和和鍺鍺ge以及以及砷化鎵砷化鎵gaas等。等。2.1.1 2.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)

3、電性 (1)(1)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)(2)(2)電子空穴對電子空穴對 (3)空穴的移動空穴的移動 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體?；瘜W(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為，常稱為“九個九個9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。 (1)(1)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為四個電子稱為價電子價電子。它們分別與周圍的四個原。它們分別與周圍的四個原子的價

4、電子形成子的價電子形成共價鍵共價鍵。共價鍵中的價電子為這。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見圖2.1。 （2 2）電子空穴對）電子空穴對 當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0k時，導(dǎo)體中沒時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由自由電子電子。 自由電子產(chǎn)

5、生的同時，在其原來的共價自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴空穴。原子的。原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等。電子的負(fù)電量相等。 這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)，也稱也稱熱激發(fā)熱激發(fā)。 因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為出現(xiàn)的，稱為電子空穴對電子空穴對。游離的部分自由電子也游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為可能回到空穴中去，稱為復(fù)合，復(fù)合，如圖如圖2.2所示。所示。 本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)

6、平衡。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會達(dá)到動態(tài)平衡。 圖圖2.2 本征激發(fā)和復(fù)合的過程本征激發(fā)和復(fù)合的過程（動畫動畫2-1） (3) (3) 空穴的移動空穴的移動 自由電子的定自由電子的定向運動形成電子電向運動形成電子電流。相鄰共價鍵中流。相鄰共價鍵中的價電子依次充填的價電子依次充填空穴可視為形成了空穴可視為形成了空穴電流，它們的空穴電流，它們的大小相等方向相反大小相等方向相反。見圖。見圖2.32.3的動畫的動畫演示。演示。（動畫（動畫2-2）圖圖2.3 空穴在晶格中的移動空穴在晶格中的移動2.1.22.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體(1) (1) n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(2) (2) p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)

7、體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 (1(1）n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，可形成，可形成 n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體, ,也稱也稱電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體。 因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵，而多余四個半導(dǎo)體原子

8、中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。電子。 在在n型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由自由電子是多數(shù)載流子電子是多數(shù)載流子,它主要由它主要由雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。n型半導(dǎo)型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.4所示。所示。 圖2.4 n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖(2) p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在本征半

9、導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了、銦等形成了p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體，也稱為也稱為空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體。 因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。 p型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中: 空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子負(fù)離子。三。三價雜質(zhì)價雜質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主

10、雜質(zhì)受主雜質(zhì)。p型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖如圖2.5所示。所示。圖2.5 p型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2.5 p型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖2.1.3 2.1.3 雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 摻入雜摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: t=300 k室溫下室溫下, ,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: : 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差以上三個濃度基本上依次相差106/

11、cm3 。 2摻雜后摻雜后 n 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n=51016/cm32.2 pn結(jié)結(jié)2.2.1 pn結(jié)的形成結(jié)的形成2.2.2 pn結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?.2.3 pn結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)2.2.1 pn結(jié)的形成結(jié)的形成 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì), ,分別形成分別形成n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體。此時將在型半導(dǎo)體。此時將在n型半型半導(dǎo)體和導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程: : 因濃度差因濃度差 多子的擴散運動多子的擴散運動由由雜質(zhì)離子形成空間

12、電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散內(nèi)電場阻止多子擴散 最后最后,多子的多子的擴散擴散和少子的和少子的漂移漂移達(dá)到達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。對于。對于p型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和n型型半導(dǎo)體結(jié)合面，半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的離子薄層形成的空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)稱為稱為pn結(jié)結(jié)。在空間電。在空間電荷區(qū)，由于缺少荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱多子，所以也稱耗盡層耗盡層。 圖圖2.6 pn結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程 （動畫動畫2-3） pn 結(jié)形成結(jié)形成的過程可參閱的過程可參閱圖圖2.6。2.2.2 pn結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的

13、單向?qū)щ娦?如果外加電壓使如果外加電壓使pn結(jié)中：結(jié)中： p區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于n區(qū)的電位，稱為加區(qū)的電位，稱為加正向電壓正向電壓，簡稱，簡稱正偏正偏； pn結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦?，若外加電壓使電流從，若外加電壓使電流從p區(qū)流到區(qū)流到n區(qū)，區(qū)， pn結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。是高阻性，電流小。 p區(qū)的電位低于區(qū)的電位低于n區(qū)的電位，稱為加區(qū)的電位，稱為加反向電壓反向電壓，簡稱簡稱反偏反偏。 (1) pn結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況 外加的正向電壓有外加的正向電壓有一部分降落在一部分降落在pn結(jié)區(qū)，結(jié)區(qū)，方向與方向

14、與pn結(jié)內(nèi)電場方向結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。相反，削弱了內(nèi)電場。于是于是, ,內(nèi)電場對多子擴散內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠(yuǎn)電流加大。擴散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，漂移電流的影響，pn結(jié)結(jié)呈現(xiàn)低阻性。呈現(xiàn)低阻性。 pn結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況如圖2.7所示。所示。 （動畫（動畫2-4）圖圖2.7 2.7 pn結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓時的導(dǎo)電情況時的導(dǎo)電情況 (2) pn結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況 外加的反向電壓有一部分降落在外加的反向電壓有一部分降落在pn結(jié)

15、區(qū)，方向與結(jié)區(qū)，方向與pn結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時擴散電流大大減小。此時pn結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散于擴散電流，可忽略擴散電流，電流，pn結(jié)呈現(xiàn)高阻性。結(jié)呈現(xiàn)高阻性。 在一定的溫度條件下，在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大本上與所加反向電壓的大小無關(guān)小

16、無關(guān)，這個電流也稱為這個電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 pn結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如圖結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況如圖2.8所示。所示。圖圖 2.8 pn結(jié)加反向電壓時的結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況導(dǎo)電情況 pn結(jié)加正向電壓結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電有較大的正向擴散電流；流；pn結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電有很小的反向漂移電流。流。由此可以得出結(jié)由此可以得出結(jié)論：論：pn結(jié)具有單向?qū)ЫY(jié)具有單向?qū)щ娦?。電性?（動畫（動畫2-5）圖圖 2.8 pn結(jié)加反向電壓時結(jié)加反向電壓時的導(dǎo)電情況的導(dǎo)電情況2.2.3

17、pn結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng) pn結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。因素決定。 一是勢壘電容一是勢壘電容cb ， 二是擴散電容二是擴散電容cd 。 (1) 勢壘電容勢壘電容cb 勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使。當(dāng)外加電壓使pn結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄結(jié)上壓降發(fā)生變化時，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)pn結(jié)中存儲結(jié)中存儲的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢壘電容的示意圖見圖容的示意圖見圖2.9。圖 2.9

18、 勢壘電容示意圖 擴散電容是由多子擴散后，在擴散電容是由多子擴散后，在pn結(jié)的另一側(cè)面結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因積累而形成的。因pn結(jié)正偏時，由結(jié)正偏時，由n區(qū)擴散到區(qū)擴散到p區(qū)區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在流。剛擴散過來的電子就堆積在 p 區(qū)內(nèi)緊靠區(qū)內(nèi)緊靠pn結(jié)結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2) 擴散電容擴散電容cd 反之，由反之，由p區(qū)擴散到區(qū)擴散到n區(qū)的空穴，在區(qū)的空穴，在n區(qū)內(nèi)也形區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴散電容的示意圖成類似的濃度梯

19、度分布曲線。擴散電容的示意圖如圖如圖2.10所示。所示。 圖圖 2.10 2.10 擴散電容示意圖擴散電容示意圖 當(dāng)外加正向電壓當(dāng)外加正向電壓不同時，擴散電流即不同時，擴散電流即外電路電流的大小也外電路電流的大小也就不同。所以就不同。所以pn結(jié)兩結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電就相當(dāng)電容的充放電過程。勢壘電容和擴過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電散電容均是非線性電容。容。2.3 2.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型2.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線2.3

20、.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù)2.3.4半導(dǎo)體二極管的溫度特性半導(dǎo)體二極管的溫度特性半導(dǎo)體二極管的型號半導(dǎo)體二極管的型號2.3.52.3.1 2.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型 在在pn結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面點接觸型、面接觸型和平面型型三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖三大類。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.11所示。所示。(1) 點接觸型二極管點接觸型二極管 pn結(jié)面積小，結(jié)電容小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。用于檢波和變頻等高頻電路。(a)(a

21、)點接觸型點接觸型 圖圖 2.11 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 圖圖 2.11 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖(c)(c)平面型平面型(3) 平面型二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造工往往用于集成電路制造工藝中。藝中。pn 結(jié)面積可大可小，用結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。于高頻整流和開關(guān)電路中。(2) 面接觸型二極管面接觸型二極管 pn結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。于工頻大電流整流電路。(b)(b)面接觸型面接觸型 圖圖 2.11 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖2.3.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線 式中式中is

22、 為反向飽和電流，為反向飽和電流，v 為二極管兩端的為二極管兩端的電壓降，電壓降，vt =kt/q 稱為溫度的電壓當(dāng)量，稱為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻為玻耳茲曼常數(shù)，耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，為電子電荷量，t 為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度。對于室溫（相當(dāng)。對于室溫（相當(dāng)t=300 k），則有），則有vt=26 mv。) 1(etsvvii 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線如圖2.122.12所示。所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管限的是反向伏安特性曲線。根據(jù)理論推導(dǎo)，二極

23、管的伏安特性曲線可用下式表示的伏安特性曲線可用下式表示(2.1)(2.1)圖圖 2.12 二極管的伏安特性曲線二極管的伏安特性曲線圖示(1) 正向特性正向特性 硅硅二極管的死區(qū)電壓二極管的死區(qū)電壓 vth=0.5 v左右左右 鍺鍺二極管的死區(qū)電壓二極管的死區(qū)電壓 vth=0.2 v左右。左右。 當(dāng)當(dāng)0vvth時，正向電流為零，時，正向電流為零，vth稱為死區(qū)稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。電壓或開啟電壓。 當(dāng)當(dāng)v0即處于正向特性區(qū)域。即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：正向區(qū)又分為兩段： 當(dāng)當(dāng)vvth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。律增長。(2) 反向特性反向

24、特性當(dāng)當(dāng)v0時，即處于反向特性區(qū)域。時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：反向區(qū)也分兩個區(qū)域： 當(dāng)當(dāng)vbrv0時，反向電流很小，且基時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱電流也稱反向飽和電流反向飽和電流i is s 。 當(dāng)當(dāng)vvbr時，時，反向電流急劇增加反向電流急劇增加，vbr稱為稱為反向擊反向擊穿電壓穿電壓 。 在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。不同。 硅二極管硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很?。环聪蝻柡碗娏饕埠苄?；鍺

25、二極管鍺二極管的反向擊穿特性的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。 從擊穿的機理上看，硅二極管若從擊穿的機理上看，硅二極管若|vbr|7v時時,主要是雪崩擊穿；若主要是雪崩擊穿；若|vbr|4v時時, 則主要是齊納擊則主要是齊納擊穿。當(dāng)在穿。當(dāng)在4v7v之間兩種擊穿都有，有可能獲得之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點。零溫度系數(shù)點。2.3.3 半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的參數(shù) 半導(dǎo)體二極管的主要的參數(shù)介紹如下：半導(dǎo)體二極管的主要的參數(shù)介紹如下： (1) 最大整流電流最大整流電流if二極管長期連續(xù)工作時，允許通過二極管的最大整流電流

26、的平均值。(2) 反向擊穿電壓反向擊穿電壓vbr和最大反向工作電壓和最大反向工作電壓vrm 二極管反向電流二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓值稱為反向擊穿電壓電壓vbr。 為安全計，在實際為安全計，在實際工作時，最大反向工作電壓工作時，最大反向工作電壓vrm一般只按反向擊穿電壓一般只按反向擊穿電壓vbr的一半計算。的一半計算。 (3) 反向電流反向電流i ir r (4) 正向壓降正向壓降vf(5) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rd 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向反向工作電

27、壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安電流一般在納安(na)級；鍺二極管在微安級；鍺二極管在微安( a)級。級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約平下，約0.60.8v；鍺二極管約；鍺二極管約0.20.3v。 反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，顯然， rd與工作電流的大小有關(guān)，即與工作電流的大小有關(guān)，即 rd = vf / if2.3.4 半導(dǎo)體二極管的溫度特性半導(dǎo)體二極管的溫度特性 溫度對二極管的性能有較大的影響，

28、溫度升溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加溫度每增加88，反向電流將約增加一倍；鍺二，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加極管溫度每增加1212，反向電流大約增加一倍。，反向電流大約增加一倍。 另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加小，每增加11，正向壓降，正向壓降vf(vd)大約減小大約減小2 2mv，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從圖即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從圖01.1301.13所示所示二極管的伏安特性曲線上看出。二極管的伏安特性曲線上看出

29、。 圖圖2.13 溫度對二極管伏安特性曲線的影響溫度對二極管伏安特性曲線的影響圖示2.3.5 半導(dǎo)體二極管的型號半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片2.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法簡單二極管電路的圖解分析方法 二極管是一種非線性器件，因而其電路一二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但

30、前提條件是已知二極管的是已知二極管的v v - -i i 特性曲線。特性曲線。例例2.4.1 電路如圖所示，已知二極管的電路如圖所示，已知二極管的v-i特性曲線、電源特性曲線、電源vdd和和電阻電阻r，求二極管兩端電壓，求二極管兩端電壓vd和流過二極管的電流和流過二極管的電流id 。 解：由電路的解：由電路的kvlkvl方程，可得方程，可得 rviddddv dddd11vrri v即即 是一條斜率為是一條斜率為-1/r的直線，稱為的直線，稱為負(fù)載線負(fù)載線 q的坐標(biāo)值（的坐標(biāo)值（vd，id）即為所求。）即為所求。q點稱為電路的點稱為電路的工作點工作點2.4.2 二極管正向二極管正向v-av-a

31、特性的建模特性的建模 根據(jù)二極管在實際電路中工作狀態(tài)和對分根據(jù)二極管在實際電路中工作狀態(tài)和對分析精度的不同要求，可以為二極管建立不同析精度的不同要求，可以為二極管建立不同的模型，常用的二極管模型有以下幾種：的模型，常用的二極管模型有以下幾種： 2.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管v v- -i i 特性的建模特性的建模 將指數(shù)模型將指數(shù)模型 分段線性化，得到二極分段線性化，得到二極管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e (dsd tviiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）v v- -i i特性特性 （b b）代表符號）代表符號 （

32、c c）正向偏置時的電路模型）正向偏置時的電路模型 （d d）反向偏置時的電路模型）反向偏置時的電路模型1. 理想理想二極管模型二極管模型 在實際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的壓降在實際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的壓降大時，利用此模型來近似分析是可行的。該模型的特大時，利用此模型來近似分析是可行的。該模型的特點是：二極管反向偏置時電流為零，而正向偏置時，點是：二極管反向偏置時電流為零，而正向偏置時，其管壓降為零。其管壓降為零。圖圖2.14 理想二極管等效模型理想二極管等效模型(a)電路符號電路符號 (b)vi特性特性 該模型的基本思想是當(dāng)二極管正向?qū)ê?，該模型的基本思想是?dāng)二極管正向?qū)?/p>

33、通后，其管壓降認(rèn)為是恒定的且不隨電流而變，典型值其管壓降認(rèn)為是恒定的且不隨電流而變，典型值硅管為硅管為0.7v，鍺管為，鍺管為0.3v，但只有當(dāng)二極管正向，但只有當(dāng)二極管正向電流大于或等于電流大于或等于1ma時才是正確的。時才是正確的。2. 恒壓降恒壓降模型模型圖圖2.15 恒壓降等效模型恒壓降等效模型(a)電路符號電路符號 (b)vi特性特性3. 折線折線模型模型 為了較真實地描述二極管伏安特性，在恒壓降等為了較真實地描述二極管伏安特性，在恒壓降等效模型的基礎(chǔ)上作一定的修正，即認(rèn)為二極管的管壓效模型的基礎(chǔ)上作一定的修正，即認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著流過二極管電流的增加而增降不是恒

34、定的，而是隨著流過二極管電流的增加而增加。加。圖圖2.16 折線等效模型折線等效模型(a)電路模型電路模型 (b)v-i特性特性4. 小信號小信號模型模型 如果二極管在它的伏安（如果二極管在它的伏安（v-i）特性的某一）特性的某一小范圍內(nèi)工作，例如在靜態(tài)工作點小范圍內(nèi)工作，例如在靜態(tài)工作點q(即即v-i特性特性上的一個點上的一個點,此時此時vd=vd，id=id)附近工作，則可附近工作，則可把把vi特性看成為一條直線，其斜率的倒數(shù)就特性看成為一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所要求的小信號模型的微變電阻是所要求的小信號模型的微變電阻rd。參看圖中所示，微變電阻參看圖中所示，微變電阻rd可直接從可直接從

35、v-i特性上求得。通過特性上求得。通過q點作一條點作一條v-i特性的切線，并形成一直角三角形特性的切線，并形成一直角三角形,從而得到從而得到vd和和id，則，則 rd=vd/idrd的數(shù)值還可以從二極管的數(shù)值還可以從二極管v-i特性表達(dá)式導(dǎo)出，因為：特性表達(dá)式導(dǎo)出，因為： 圖圖2.17 2.17 小信號模型小信號模型（a)a)v-iv-i特性特性(b)(b)電路符號電路符號)1(etsvvddii取取i id d對對v vd d的微分，有：的微分，有：點上）在q( )1(tdtdvvtsvvsdddvivievieidvddvdigtdtd由此可得由此可得時）當(dāng)ktiivgrmamvdtddd

36、 300(1)()(26例如，當(dāng)例如，當(dāng)q q點上的點上的i id d=2ma=2ma時，時，r rd d=26mv/2ma=26mv/2ma=1313 2 2模型分析法應(yīng)用舉例模型分析法應(yīng)用舉例（1 1）整流電路）整流電路（a）電路圖）電路圖 （b）vs和和vo的波形的波形2 2模型分析法應(yīng)用舉例模型分析法應(yīng)用舉例（2 2）靜態(tài)工作情況分析）靜態(tài)工作情況分析v, 0dvma 1/ddd rvi理想模型理想模型（r=10k ） 當(dāng)當(dāng)vdd=10v 時，時，ma 93. 0/ )(dddd rvvi恒壓模型恒壓模型v 7 . 0d v（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）折線模型折線模型v 5 .

37、 0th v（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）ma 931. 0dthddd rrvvi k 2 . 0dr設(shè)設(shè)v 69. 0ddthd rivv當(dāng)當(dāng)vdd=1v 時，時， （自學(xué)）（自學(xué)）（a）簡單二極管電路）簡單二極管電路 （b）習(xí)慣畫法）習(xí)慣畫法 2 2模型分析法應(yīng)用舉例模型分析法應(yīng)用舉例（3 3）限幅電路）限幅電路 電路如圖，電路如圖，r = 1k，vref = 3v，二極管為硅二極管。分別，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vi = 6sin t v時，繪出相應(yīng)的輸時，繪出相應(yīng)的輸出電壓出電壓vo的波形。的波形。 2 2模型分析法應(yīng)用

38、舉例模型分析法應(yīng)用舉例（4 4）開關(guān)電路）開關(guān)電路電路如圖所示，求電路如圖所示，求ao的電壓值的電壓值解：先斷開解：先斷開d，以，以o為基準(zhǔn)電位，為基準(zhǔn)電位， 即即o點為點為0v。 則接則接d陽極的電位為陽極的電位為-6v，接陰，接陰極的電位為極的電位為-12v。陽極電位高于陰極電位，陽極電位高于陰極電位，d接入時正向?qū)?。接入時正向?qū)ā?導(dǎo)通后，導(dǎo)通后，d的壓降等于零，即的壓降等于零，即a點的電位就是點的電位就是d陽極的電位。陽極的電位。所以，所以，ao的電壓值為的電壓值為-6v。2 2模型分析法應(yīng)用舉例模型分析法應(yīng)用舉例（6 6）小信號工作情況分析）小信號工作情況分析圖示電路中，圖示電路

39、中，vdd = 5v，r = 5k ，恒壓降模型的，恒壓降模型的vd=0.7v，vs = 0.1sin t v。（1）求輸出電壓）求輸出電壓vo的交流量和總量；（的交流量和總量；（2）繪出）繪出vo的波形。的波形。 直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。等概念，在放大電路的分析中非常重要。2.4 特殊特殊 二極管二極管 除了前面所討論的普通二極管外，在電除了前面所討論的普通二極管外，在電子器件的發(fā)展過程中還研制了若干種特殊二子器件的發(fā)展過程中還研制了若干種特殊二極管，如穩(wěn)壓二極管、光敏二極管、發(fā)光二極管，如穩(wěn)壓二極管、光敏二極管、發(fā)光二

40、極管、變?nèi)荻O管等，介紹如下：極管、變?nèi)荻O管等，介紹如下：1. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號和典型應(yīng)用電路如圖向區(qū)、符號和典型應(yīng)用電路如圖2.18所示。所示。圖見下頁 圖圖 2.18 穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性 (a)符號符號 (b) 伏安特性伏安特性 (c)應(yīng)用電路應(yīng)用電路(b)(c)圖示 從穩(wěn)壓二極管的伏從穩(wěn)壓二極管的

41、伏安特性曲線上可以確定安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。 (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓vz 在在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流電流iz下，所對應(yīng)的反下，所對應(yīng)的反向工作電壓。向工作電壓。(2) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rz 其概念與一般二極管的動態(tài)電其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。向特性上求取的。 rz愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。愈陡。 rz = vz / iz (3) (3) 最大耗散功率最大耗散功率 pzm 穩(wěn)壓管的最大功率損耗穩(wěn)壓管的最大

42、功率損耗取決于取決于pn結(jié)的面積和散熱等結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時條件。反向工作時pn結(jié)的功結(jié)的功率損耗為率損耗為 pz= vz iz，由，由 pzm和和vz可以決定可以決定izmax。 (4) (4) 最大穩(wěn)定工作最大穩(wěn)定工作電流電流 izmax 和最小穩(wěn)和最小穩(wěn)定工作電流定工作電流izmin 穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，電流取決于最大耗散功率，即即pzmax =vzizmax 。而。而izmin對對應(yīng)應(yīng)vzmin。 若若izizmin則不能則不能穩(wěn)壓。穩(wěn)壓。(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) vz 溫度的變化將使溫度的變化將使vz改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng) vz 7 v時，時，vz具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。 當(dāng)當(dāng) vz 4 v時，時， vz具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊