模電課件—2半導體二極管及其基本電路

1、 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.1 2.1 半導體基本知識半導體基本知識2.2 PN2.2 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?.3 2.3 半導體二極管半導體二極管2.4 2.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管2.5 2.5 其他類型的二極管其他類型的二極管 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.1 半導體的基本知識2.1.1 2.1.1 半導體材料及其導電特性半導體材料及其導電特性 根據(jù)物體導電能力根據(jù)物體導電能力( (電阻率電阻率) )的不同，來劃分的不同，來劃分導體、導體、絕緣體和半導體。絕緣體和半導體。 元素半導體：元素半導

2、體：硅（硅（Si）和鍺（鍺（Ge）化合物半導體：化合物半導體：砷化鎵（砷化鎵（GaAs）等。 半導體的導電能力介于導體、絕緣體之間，其導半導體的導電能力介于導體、絕緣體之間，其導電性能還有其獨特的特點。常用的電性能還有其獨特的特點。常用的半導體材料半導體材料有：有：導體（低價元素）導體（低價元素）半導體半導體絕緣體（高價元素）絕緣體（高價元素）金、銀、銅、鐵等金、銀、銅、鐵等硅、鍺、鎵等硅、鍺、鎵等橡膠、惰性氣體等橡膠、惰性氣體等 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.1.1 2.1.1 半導體材料及其導電特性半導體材料及其導電特性半導體材料具有與導體和絕緣體不同的半導

3、體材料具有與導體和絕緣體不同的導電特性導電特性1. 1. 熱敏特性：熱敏特性：溫度升高，導電能力增強。溫度升高，導電能力增強。2. 2. 光敏特性：光敏特性：受到光照，導電能力增強。受到光照，導電能力增強。3. 3. 摻雜特性：摻雜特性：在純凈的半導體中摻入雜質(zhì)，半導體的導電在純凈的半導體中摻入雜質(zhì)，半導體的導電能力增強。能力增強。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜典型的半導體是典型的半導體是硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe，它們都是它們都是4 4價元素。價元素。硅和鍺最外層軌道上的硅和鍺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。硅原子硅原子siSi鍺原子鍺原子

4、GeGe+4+42.1.2 2.1.2 本征半導體共價鍵結(jié)構(gòu)（硅）本征半導體共價鍵結(jié)構(gòu)（硅）1. 1. 半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)（硅）半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)（硅） 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜(a) 硅晶體的空間排列 價電子分別與周圍的四個原子的價電子形成價電子分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵共價鍵。共價鍵中的價電。共價鍵中的價電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖見 圖圖2-2圖圖2-2 硅原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖硅

5、原子空間排列及共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4(b) 共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜本征半導體本征半導體完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體（完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體（化學成化學成分純凈分純凈）。）。 制造半導體器件的半導體材料的純度要達到制造半導體器件的半導體材料的純度要達到99.9999999%99.9999999%，常稱為常稱為“九個九個9 9”。在絕對溫度在絕對溫度T=0KT=0K時，所有的時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為價鍵中，不會成為自由電子自由電子，因因此本

6、征半導體的導電能力很弱，此本征半導體的導電能力很弱，接近絕緣體。接近絕緣體。 本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4+4+4+4+4束縛電子束縛電子2. 2. 本征半導體中的兩種載流子本征半導體中的兩種載流子 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜當溫度升高或受到光的照射時，當溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子自由電子。自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為的共價鍵中就出現(xiàn)

7、了一個空位，稱為空穴空穴?？昭ㄊ前雽w區(qū)別于導體的一空穴是半導體區(qū)別于導體的一個重要特點。個重要特點。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴這一現(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)。本征半導體中的電子空穴對本征半導體中的電子空穴對 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜+4+4+4+4+4+4+4+4+4可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對?？梢姳菊骷ぐl(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象復合復合 在一定溫度下，本征激發(fā)和復合

8、在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。對的濃度一定。常溫常溫300300K K時：時：電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度硅：硅：1031.4 10cm鍺：鍺：1332.5 10cm電子空穴對 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜+4+4+4+4+4+4+4+4+4E空穴的移動空穴的移動圖圖2-3 空穴在晶格中的移動空穴在晶格中的移動小結(jié)：小結(jié)：晶體中存在著兩種導電的離子（電子、空穴）晶體中存在著兩種導電的離子（電子、空穴） 自由電子的定向運自由電子的定向運動形成了電子電流，空動形成了電子電流，空穴的定向運動

9、也可形成穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。動動 畫畫 演演 示示由于熱激發(fā)由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的自而產(chǎn)生的自由電子由電子自由電子移自由電子移走后而留下走后而留下的空穴的空穴 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜半導體的半導體的 導電機理導電機理自由電子自由電子 帶負電荷帶負電荷 電子流電子流 總電流總電流載流子載流子空空 穴穴 帶正電荷帶正電荷 空穴流空穴流 本征半導體的導電性取決于外加能量：本征半導體的導電性取決于

10、外加能量：溫度變化，導溫度變化，導電性變化；光照變化，導電性變化。電性變化；光照變化，導電性變化。自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空運動也可形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。在外加電場的作用下，電子和空穴會產(chǎn)生定實現(xiàn)的。在外加電場的作用下，電子和空穴會產(chǎn)生定向移動，形成電流而導電。向移動，形成電流而導電。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜(1) (1) P型半導體型半

11、導體(2) (2) N型半導體型半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變?yōu)殡s質(zhì)，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是化。摻入的雜質(zhì)主要是三價三價或或五價五價元素。元素。摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為摻入雜質(zhì)的本征半導體稱為雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體。2.1.3 2.1.3 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜1. P1. P型半導體型半導體在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入三價雜質(zhì)元素三價雜質(zhì)元素（如硼、鎵、銦等）（如硼、鎵、銦等）形成形成P P型半導體，型半導體，也稱為也稱為空穴

12、型半導體空穴型半導體。因三價雜質(zhì)原子。因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價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。電子而在共價鍵中留下一個空穴。 P型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+3+4+4硅原子空穴硼原子電子空穴對空穴受主離子P P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主型半導體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由要由摻雜形成；電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 模擬電子半導體二極管及其基本

13、電路 主講：劉童娜主講：劉童娜+4+4+4+4+4+4+4+4+5N型半導體型半導體2. N2. N型半導體型半導體在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入五價雜質(zhì)元素五價雜質(zhì)元素（如磷如磷）, ,可形成可形成N N型半導體型半導體, ,也稱也稱電子電子型半導體型半導體。因五價雜質(zhì)原子中只有四個。因五價雜質(zhì)原子中只有四個價電子能與周圍四個半導體原子中的價價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，而多余的一個價電子電子形成共價鍵，而多余的一個價電子因無共價鍵束縛很容易形成自由電子。因無共價鍵束縛很容易形成自由電子。+磷原子硅原子施主離子自由電子電子空穴對多余電子在在N N型半導體中自由電子是

14、多數(shù)載型半導體中自由電子是多數(shù)載流子流子, ,它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子少數(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)原子因帶提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正電荷而成為正離子正離子，因此五價雜質(zhì)，因此五價雜質(zhì)原子也稱為原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.2 PN2.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性N型半導體型半導體P型半導體型半導體+雜質(zhì)半導體的示意圖雜質(zhì)半導體的示意圖多子多子電子電子少子少子空穴空穴多子多子空穴空穴少子少子電子電子少子濃度少子濃度與溫度有關，與

15、摻雜無關與溫度有關，與摻雜無關多子濃度多子濃度與溫度無關，與摻雜有關與溫度無關，與摻雜有關 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成在一塊本征半導體在兩側(cè)通在一塊本征半導體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì)過擴散不同的雜質(zhì), ,分別形成分別形成P P型型半導體半導體和和N N型半導體型半導體。此時將在。此時將在P P 型半導體和型半導體和N N型半導體的結(jié)合面型半導體的結(jié)合面上形成如下上形成如下物理過程物理過程: :兩側(cè)載流子存在濃度差兩側(cè)載流子存在濃度差雜質(zhì)離子不移動形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子不移動形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場促進少子漂

16、移運動促進少子漂移運動阻止多子擴散運動阻止多子擴散運動擴散和漂移達擴散和漂移達到動態(tài)平衡到動態(tài)平衡形成形成PN結(jié)結(jié)多子擴散運動多子擴散運動:空穴：空穴：PN；電子電子NP空穴和電子產(chǎn)生復合空穴和電子產(chǎn)生復合空間電荷區(qū)PN內(nèi)電場內(nèi)電場耗盡層V0電電位位V電電子子勢勢能能-qV0PNPN結(jié)的形成過程動畫演示結(jié)的形成過程動畫演示PN結(jié)結(jié) 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜+P型半導體+N型半導體+WER空間電荷區(qū)內(nèi)電場EREW2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1) 加正向電壓（正偏）加正向電壓（正偏）電源正極接電源正極接P P區(qū)，負極接區(qū)，負極接N N區(qū)區(qū) 外電場的方向

17、與內(nèi)電場方向相反。外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。外電場削弱內(nèi)電場外電場削弱內(nèi)電場 耗盡層變窄耗盡層變窄擴散運動漂移運動擴散運動漂移運動多子多子擴散形成正向電流擴散形成正向電流I F正向電流正向電流 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜(2) 加反向電壓（反偏）加反向電壓（反偏）電源正極接電源正極接N N區(qū)，負極接區(qū)，負極接P P區(qū)區(qū) 外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。外電場加強內(nèi)電場外電場加強內(nèi)電場耗盡層變寬耗盡層變寬漂移運動擴散運動漂移運動擴散運動少子少子漂移形成反向電流漂移形成反向電流I R+內(nèi)電場+E+EW+空 間 電 荷 區(qū)+R+IRP

18、PN N在一定的溫度下，由在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故是一定的，故IR基本上與基本上與外加反壓的大小無關，所外加反壓的大小無關，所以稱為以稱為反向飽和電流反向飽和電流。但。但IR與溫度有關。與溫度有關。 單向?qū)щ娦詣赢嬔菔締蜗驅(qū)щ娦詣赢嬔菔?模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻， PN結(jié)導通；PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻， PN結(jié)截止。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?模擬電子半導體二極管及其基本電路 主

19、講：劉童娜主講：劉童娜u 正向特性：指數(shù)規(guī)律正向特性：指數(shù)規(guī)律u 擊穿特性：擊穿特性：u 反向特性：反向阻斷反向特性：反向阻斷（1）雪崩擊穿）雪崩擊穿載流子獲得足夠的動能將共價鍵中的電子碰撞出來產(chǎn)生電子空穴對，新載流子獲得足夠的動能將共價鍵中的電子碰撞出來產(chǎn)生電子空穴對，新產(chǎn)生的載流子再去碰撞其他的中性原子又產(chǎn)生新的電子空穴對，這種碰撞電產(chǎn)生的載流子再去碰撞其他的中性原子又產(chǎn)生新的電子空穴對，這種碰撞電離稱為雪崩擊穿。離稱為雪崩擊穿。（2）齊納擊穿）齊納擊穿空間電荷區(qū)內(nèi)的場強非常高時（摻雜濃度高、阻擋層很薄、容易建立很空間電荷區(qū)內(nèi)的場強非常高時（摻雜濃度高、阻擋層很薄、容易建立很強的場強）足以

20、把空間電荷區(qū)強的場強）足以把空間電荷區(qū)內(nèi)內(nèi)的中性原子的價電子直接從共價鍵中拉出來的中性原子的價電子直接從共價鍵中拉出來產(chǎn)生自由電子空穴對，這個過程產(chǎn)生大量的載流子使產(chǎn)生自由電子空穴對，這個過程產(chǎn)生大量的載流子使PN結(jié)的反向電流劇增結(jié)的反向電流劇增呈反向擊穿現(xiàn)象叫齊納擊穿。呈反向擊穿現(xiàn)象叫齊納擊穿。2.2.3 PN2.2.3 PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜3 PN的反向擊穿的反向擊穿反向擊穿反向擊穿熱擊穿熱擊穿 電擊穿電擊穿雪崩擊穿雪崩擊穿齊納擊穿齊納擊穿PN結(jié)兩端反向電壓增加結(jié)兩端反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電到一定數(shù)值時，反向電流突

21、然增加，這種現(xiàn)象流突然增加，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿稱為反向擊穿消耗功率大消耗功率大于耗散功率于耗散功率PN結(jié)損壞結(jié)損壞反向擊穿電壓反向擊穿電壓VBR0viD反偏反偏反向飽和電流反向飽和電流ISIs（少子漂移）（少子漂移）正偏正偏IF（多子擴散）（多子擴散）消耗功率小于消耗功率小于耗散功率耗散功率擊穿過程可逆擊穿過程可逆反向擊穿（雪崩擊穿和齊納擊穿）反向擊穿（雪崩擊穿和齊納擊穿） 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜 勢壘電容勢壘電容 外加電壓時，二極管外加電壓時，二極管PN結(jié)空間電荷區(qū)中的電荷量隨外加電壓變化結(jié)空間電荷區(qū)中的電荷量隨外加電壓變化而改變，這顯示了電容效應，這個

22、電容稱為而改變，這顯示了電容效應，這個電容稱為勢壘電容（勢壘電容（CB）外外 加加 電電 壓壓使耗盡層變寬使耗盡層變寬空間電荷量增加空間電荷量增加相當于充電相當于充電使耗盡層變窄使耗盡層變窄空間電荷量減少空間電荷量減少相當于放電相當于放電2.2.4 PN2.2.4 PN結(jié)的電容效應結(jié)的電容效應 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜 擴散電容擴散電容 在多數(shù)載流子的擴散過程中，由外加電壓的改變引起擴散區(qū)內(nèi)積在多數(shù)載流子的擴散過程中，由外加電壓的改變引起擴散區(qū)內(nèi)積累電荷量的變化而產(chǎn)生的電容效應，這個電容稱為累電荷量的變化而產(chǎn)生的電容效應，這個電容稱為擴散電容（擴散電容（CD）

23、外加正向電壓外加正向電壓增加增加積累電荷量增加積累電荷量增加相當于充電相當于充電減小減小積累電荷量減少積累電荷量減少相當于放電相當于放電 勢壘電容和擴散電容勢壘電容和擴散電容的大小與外加偏置電壓的大小有關，所以它們是一種的大小與外加偏置電壓的大小有關，所以它們是一種非線性電容，它們都很小，對低頻影響不大，但在高頻應用時，必須考慮。非線性電容，它們都很小，對低頻影響不大，但在高頻應用時，必須考慮。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：二極管二極管 PNPN結(jié)結(jié) 管殼管殼 引線引線NP符號：符號：陽極（正極）陽極（正極） 陰極（負極）陰極（負極）2.3 2.3 半

24、導體二極管半導體二極管2.3.1 2.3.1 二極管的結(jié)構(gòu)二極管的結(jié)構(gòu) 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜二極管常見的幾種結(jié)構(gòu)二極管常見的幾種結(jié)構(gòu)1. 1. 點接觸型二極管點接觸型二極管N型 鍺正 極 引 線負 極 引 線外 殼金 屬 觸 絲PN結(jié)面積小，結(jié)電結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和容小，用于檢波和變頻等高頻電路。變頻等高頻電路。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2. 2. 面接觸型二極管面接觸型二極管負 極 引 線正 極 引 線N型 硅P型 硅鋁 合 金 小 球底 座PN結(jié)面積大，結(jié)面積大，用于工頻大電用于工頻大電流整流電路。流整流電路

25、。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜3. 3. 平面型二極管平面型二極管SiO2正 極 引 線負 極 引 線N型 硅P型 硅用于集成電路制造工用于集成電路制造工藝中。藝中。PN 結(jié)面積可結(jié)面積可大可小，用于高頻整大可小，用于高頻整流和開關電路中。流和開關電路中。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜常見的半導體二極管常見的半導體二極管 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜1. 正向特性正向特性實驗曲線實驗曲線uEiVmA2. 反向特性反向特性uEiVuAiu0硅：硅：0.5 V鍺：鍺： 0.1 V導通壓降導通壓降反向飽和電流

26、反向飽和電流開啟開啟電壓電壓擊穿電壓擊穿電壓UBR鍺鍺硅：硅：0.7 V鍺：鍺：0.3V2.3.2 二極管的伏安（二極管的伏安（VI）特性）特性 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜1. 1. 正向特性正向特性實驗曲線實驗曲線iu0uD硅：硅：0.5 V鍺：鍺： 0.1 V導通壓降導通壓降開啟開啟電壓電壓硅：硅：0.7 V鍺：鍺：0.3V 當當0uDUth時，正向時，正向電流為零，電流為零，Vth稱為死稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。區(qū)電壓或開啟電壓。當當uD 0即處于正向特性區(qū)即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段域。正向區(qū)又分為兩段： 當當uD Uth時，開始出時，開始出現(xiàn)正向

27、電流，并按指現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。數(shù)規(guī)律增長。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜實驗曲線實驗曲線2. 2. 反向特性反向特性 當當uD0時，即處于反向特性時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：當當UBRuD0時，反向電流時，反向電流( (少數(shù)載流子的漂移少數(shù)載流子的漂移) )很小，很小，且基本不隨反向電壓的變化且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也而變化，此時的反向電流也稱稱反向飽和電流反向飽和電流I IS S 。當當uDUBR時，反向電流急時，反向電流急劇增加，劇增加，UBR稱為稱為反向擊穿反向擊穿電壓電壓 。一般地

28、：一般地： IS（硅）（硅） 管壓降）管壓降） 2.3.4 2.3.4 二極管的等效電路二極管的等效電路 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜3. 3. 折線模型（恒壓降模型的修正）折線模型（恒壓降模型的修正） 折線模型折線模型特點：管壓降不恒定，隨特點：管壓降不恒定，隨iD的增加而增加，模型用一個電池和的增加而增加，模型用一個電池和一個電阻來近似。電池的電壓選定為二極管的門坎電壓一個電阻來近似。電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Uon，約為約為0.5V。至于。至于rD的值，可以這樣來確定，即當二極管的導通的值，可以這樣來確定，即當二極管的導通電流為電流為1mA時，管壓降為

29、時，管壓降為0.7V，于是，于是rD的值可計算如下：的值可計算如下： 0.70.52001DVVrmA 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜4. 4. 小信號模型（指數(shù)模型）小信號模型（指數(shù)模型） 二極管的二極管的V-I 特性表達式特性表達式: 取取iD對對vD的微分，可得微變電導的微分，可得微變電導 (當當T=300K時時) 二極管外加正向電壓時，將有一二極管外加正向電壓時，將有一直流電流，曲線上反映該電壓和電流的直流電流，曲線上反映該電壓和電流的點稱為點稱為Q點（點（靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點），若在），若在Q點點的基礎上外加微小的變化量，則可以用的基礎上外加微小的變化量，

30、則可以用以以Q點為切點的直線來近似微小變化的點為切點的直線來近似微小變化的曲線，即將二極管等效為一個動態(tài)電阻曲線，即將二極管等效為一個動態(tài)電阻rd（稱二極管微變等效電路）。（稱二極管微變等效電路）。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜模型分析法應用舉例模型分析法應用舉例理想模型：恒壓降模型：例：電路如圖所示，例：電路如圖所示，R10K，當當UDD=10V和和1V時，分別求電時，分別求電路的路的ID和和U UD值。分別用理想模型、恒壓降模型和折線模型。值。分別用理想模型、恒壓降模型和折線模型。D0UV DDD10110VIVRmAK D0.7UV DDDD100.70.9

31、310VVIVURmAK 解：解： UDD=10V. .二極管靜態(tài)工作點分析二極管靜態(tài)工作點分析 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜折線模型: DDonDD100.50.931100.2VUVVImARrkk DD D0.50.50.9310.20.69UI rVmAkV VDD=1VDDD10.110VIVRmAK 理想模型：D0UV 恒壓降模型：D0.7UV DDDD10.70.0310VVIVURmAK 折線模型: DDonDD10.50.049100.2VUVVImARrkk DD D0.50.50.0490.20.51UI rVmAkV 結(jié)論：結(jié)論：電源電壓電

32、源電壓管壓降時，恒壓降模型能得出較合理的管壓降時，恒壓降模型能得出較合理的 結(jié)果；電源電壓較小時，折線模型較為合理。結(jié)果；電源電壓較小時，折線模型較為合理。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜1 1整流電路整流電路當當ui為一正弦信號時，畫出輸出波形：為一正弦信號時，畫出輸出波形：解：解：ui0時，時，D2、D4導通，導通，D1、D3截止；截止； ui0時，時，D1、D3導通，導通，D2、D4截止；截止； 2.3.5 2.3.5 二極管基本應用電路即分析方法二極管基本應用電路即分析方法 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜例：圖示二極管限幅電路，例

33、：圖示二極管限幅電路，R1k，VREF=2V，輸入信號為，輸入信號為vI。(1) 若若vI為為4V的直流信號，分別采用理想模型、恒壓降模型的直流信號，分別采用理想模型、恒壓降模型 計算電流計算電流I和輸出電壓和輸出電壓vo解：理想模型解：理想模型恒壓降模型恒壓降模型2. 2. 限幅電路限幅電路mA2k12VV4REFI RVvI=V2REFo VvmA31k1V702VV4DREFI.RVVvI 2.7V0.7VV2DREFo VVv 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜（2）如果）如果vI為幅度為幅度4V的交流三角波，波形如圖（的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用

34、理）所示，分別采用理想二極管模型和恒壓降模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。想二極管模型和恒壓降模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。解：解：理想模型理想模型（波形如圖所示）（波形如圖所示）0-4V4Vvit2V2VvotvIVREF時，二極管正偏導通，相時，二極管正偏導通，相當于短路，當于短路，vo VREF。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜02.7Vvot0-4V4Vvit2.7V恒壓降模型恒壓降模型（波形如圖所示）。（波形如圖所示）。vIVREF+Von時，二極管正偏時，二極管正偏導通，相當于短路，導通，相當于短路， vo= VREF+Von。 模擬電子半導

35、體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜ABU二極管限幅電路如圖二極管限幅電路如圖2.322.32所示，求輸出電壓所示，求輸出電壓AB6VU AB6V0.7V=6.7VU 解：首先判斷二極管的工作狀態(tài)解：首先判斷二極管的工作狀態(tài)，二極管導通二極管導通, ,若忽略管壓降，二極管可看作短路，輸出電壓若忽略管壓降，二極管可看作短路，輸出電壓考慮二極管考慮二極管0.7V0.7V的導通壓降，輸出電壓的導通壓降，輸出電壓 二極管在電路中起到二極管在電路中起到鉗位鉗位的作用，將輸出電壓鉗位在的作用，將輸出電壓鉗位在-6.7V-6.7V。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜3.

36、3. 開關電路：（二極管導通：開；截止：關）開關電路：（二極管導通：開；截止：關） 判斷二極管導通還是截止的原則：判斷二極管導通還是截止的原則：先將二極管先將二極管斷開斷開，然后觀察或計算二極管正、負兩極間是正向電壓還是反向然后觀察或計算二極管正、負兩極間是正向電壓還是反向電壓，若正向則導通，否則截止。電壓，若正向則導通，否則截止。 例：圖示開關電路，當例：圖示開關電路，當vI1和和vI2為為0V0V或或5V5V時，求時，求vI1和和vI2的值的值 不同組合情況下，輸出電壓不同組合情況下，輸出電壓vO的值，設二極管是理想的。的值，設二極管是理想的。5V止止止止5V5V0V通通止止0V5V0V止

37、止通通5V0V0V通通通通0V0VvOD2D1vI2vI1 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.4 2.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是工作在反向擊穿區(qū)的一種特殊二極管穩(wěn)壓二極管是工作在反向擊穿區(qū)的一種特殊二極管(伏安特性如圖伏安特性如圖)。當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下，工作電流態(tài)下，工作電流IZ在在Izmax和和Izmin之間之間變化時，其兩端電壓近似為常數(shù)。變化時，其兩端電壓近似為常數(shù)。由于穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿由于穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿區(qū)，故二極管一般反向接入電路。區(qū)，故二極管一般反向接入電路。iuUZIUIzminIzm

38、ax當反偏電壓當反偏電壓UZ時；時；反向擊穿。二極管反向擊穿。二極管兩端恒定為兩端恒定為UZ正向同二正向同二極管極管穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓1 1 穩(wěn)壓二極管的伏安特性穩(wěn)壓二極管的伏安特性+UZ_ 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.4.2 2.4.2 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好，小于越大穩(wěn)壓效果越好，小于 Izmin 時不穩(wěn)壓。時不穩(wěn)壓。3. 最大耗散功率最大耗散功率 PZM；最大工作電流最大工作電流 IZM（ Izmax） P ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ_穩(wěn)壓區(qū)，端電壓變化量與其電流量變化比。穩(wěn)壓區(qū)，端電壓變化量與其電流量變化比。rZ = UZ / IZ （幾（幾 幾十幾十 ）越小穩(wěn)壓效果越好。）越小穩(wěn)壓效果越好。5. 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。 模擬電子半導體二極管及其基本電路 主講：劉童娜主講：劉童娜2.4.3 2.4.3 穩(wěn)壓二極管的應用舉例穩(wěn)壓二極管的應用舉例maxmin6V, 20mA, 5mAzzzUII穩(wěn)壓管的技術參數(shù)穩(wěn)壓管的技術參數(shù): :負載電阻負載電阻RL600，UI=15V求限流求限流電阻電