第1章 半導體二極管及其基本電路

1、1.11.1半導體的基礎(chǔ)知識半導體的基礎(chǔ)知識1.21.2半導體二極管半導體二極管1.31.3半導體二極管的應用半導體二極管的應用1.41.4特殊二極管特殊二極管半導體二極管應用電路分析。半導體二極管應用電路分析。本章重點本章重點: :正確理解正確理解PN結(jié)的形成過程結(jié)的形成過程2. 掌握掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?. 掌握掌握PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性4. 正確理解溫度對正確理解溫度對PN結(jié)的伏安特性的影響結(jié)的伏安特性的影響導體：導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體導體，金屬，金屬一般都是導體。一般都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為有的

2、物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣另有一類物質(zhì)的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為體之間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。在物理學中。根據(jù)材料的導電能力，可以將物質(zhì)劃在物理學中。根據(jù)材料的導電能力，可以將物質(zhì)劃分導體、絕緣體和半導體。分導體、絕緣體和半導體。(1)熱敏特性：熱敏特性：半導體的導電能力與溫度有關(guān)，利用該特性可半導體的導電能力與溫度有關(guān)，利用該特性可做成熱敏電阻做成熱敏電阻(2)光敏特性：光敏特性：半導體的導電

3、能力與光的照射有關(guān)系，利用該半導體的導電能力與光的照射有關(guān)系，利用該特性可做成光敏電阻特性可做成光敏電阻(3)摻雜特性：摻雜特性：摻加有用的雜質(zhì)可以改變半導體的導電能力，利摻加有用的雜質(zhì)可以改變半導體的導電能力，利用該特性可做成半導體器件用該特性可做成半導體器件半導體：半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。硅硅( (鍺鍺) )的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)簡化簡化模型模型慣性核慣性核價電子價電子( (束縛電子束縛電子) )（1）半導體的原子結(jié)構(gòu)）半導體的原子結(jié)構(gòu)本征半導體：本征半導體：高度提純、結(jié)構(gòu)完整的半導體單晶體。常用高度提純、結(jié)構(gòu)完整的半導體單晶體。常用的

4、半導體材料是鍺（的半導體材料是鍺（GeGe）和硅（）和硅（SiSi）。）。+4+4表示原子表示原子核和內(nèi)層電核和內(nèi)層電子所具有的子所具有的電荷量電荷量（2）本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)）本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)硅硅( (鍺鍺) )的共價鍵結(jié)構(gòu)的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共價鍵 相鄰原子共有價電子所形成的束縛。相鄰原子共有價電子所形成的束縛。（3）本征半導體的導電情況）本征半導體的導電情況自自由由電電子子空空穴穴空穴可在共空穴可在共價鍵內(nèi)移動價鍵內(nèi)移動當溫度為絕對零度以下時，該結(jié)構(gòu)為絕緣體當溫度為絕對零度以下時，該結(jié)構(gòu)為絕緣體在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的

5、束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位( (空穴空穴) )可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。對。 外加能量越高（外加能量越高（溫度越高），溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。產(chǎn)生的電子空穴對越多。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)在一定溫度下，本征激發(fā)和復合同時進行，達到動和復合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。度一定。常溫常溫300K時：時：電子空穴對的濃度電子空穴對的濃度硅：硅：310cm104 . 1鍺：鍺：313cm105 . 2444444444空穴

6、自由電子電子空穴對電子空穴對 結(jié)論：結(jié)論：1. 本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關(guān)本征半導體導電能力弱，并與溫度有關(guān)。（4）本征半導體中的兩種載流子）本征半導體中的兩種載流子兩種載流子兩種載流子電子電子( (自由電子自由電子) )空穴空穴兩種載流子的運動兩種載流子的運動自由電子自由電子( (在共價鍵以外在共價鍵以外) )的運動的運動空穴空穴( (在共價鍵以內(nèi)在共價鍵以內(nèi)) )的運動的運動1.1.2 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體在本征

7、半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。雜半導體的某種載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（空穴半導體）。稱為（空穴半導體）。N 型半導體：型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導體，也稱為（電子半導體）。也稱為（電子半導體）。N (Negative) 型、型、 P (Positive)型半導體型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的在硅或鍺晶體中

8、摻入少量的五價五價元素磷（或元素磷（或銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，銻），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為磷原子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。1、N 型半導體型半導體1.1.2 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半

9、導體1.1.2 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體1、N 型半導體型半導體N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由電子自由電子電子為電子為多多數(shù)載流數(shù)載流子子空穴為空穴為少少數(shù)載流數(shù)載流子子載流子數(shù)載流子數(shù) 電子數(shù)電子數(shù)N 型半導體中型半導體中的載流子是什的載流子是什么？么？1 1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。、本征半導體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為子濃度遠大于空穴濃度。自

10、由電子稱為多數(shù)載流子多數(shù)載流子（多多子子），空穴稱為），空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。+5+4+4+4+4+43.N N型半導體呈電中性。正電荷量（由正離子和型半導體呈電中性。正電荷量（由正離子和本征激發(fā)的空穴所帶），負電荷量（由雜質(zhì)原子施放的本征激發(fā)的空穴所帶），負電荷量（由雜質(zhì)原子施放的電子和本征激發(fā)的電子所帶）電子和本征激發(fā)的電子所帶）在硅或鍺晶體中摻入少量的在硅或鍺晶體中摻入少量的三價三價元素，如硼（或銦），元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外晶體點陣中的某些半導體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵

11、時，產(chǎn)層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空位。這個空位可能吸引束縛電子來填補并產(chǎn)生一生一個空位。這個空位可能吸引束縛電子來填補并產(chǎn)生一個帶正電的空穴，使得硼原子獲得電子成為不能移動的帶個帶正電的空穴，使得硼原子獲得電子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子受主原子。2、 P 型半導體型半導體2、 P 型半導體型半導體P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子電子電子 少子少子載流子數(shù)載流子數(shù) 空穴數(shù)空穴數(shù)P P型半導體呈電中性。正電荷量（由硅（鍺）原子失去電子形型半導體呈電中性。

12、正電荷量（由硅（鍺）原子失去電子形成的空穴和本征激發(fā)的空穴所帶），負電荷量（由負離子成的空穴和本征激發(fā)的空穴所帶），負電荷量（由負離子和本征激發(fā)的電子所帶）和本征激發(fā)的電子所帶）3、 雜質(zhì)半導體中載流子的濃度雜質(zhì)半導體中載流子的濃度載流子載流子多子多子少子少子主要取決因素主要取決因素摻雜濃度摻雜濃度 摻雜濃度越高，多子濃度越大摻雜濃度越高，多子濃度越大 溫度溫度 溫度越高，少子濃度越大溫度越高，少子濃度越大（1）雜質(zhì)半導體的導電作用）雜質(zhì)半導體的導電作用IIPINI = IP + INN 型半導體型半導體 I INP 型半導體型半導體 I IP（2）P 型、型、N 型半導體的簡化圖示型半導體的

13、簡化圖示負離子負離子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子正離子多數(shù)載流子多數(shù)載流子少數(shù)載流子少數(shù)載流子P 型：型：N 型：型： 小結(jié)：小結(jié)：1. N型半導體摻微量五價元素，多子自由電子，少子型半導體摻微量五價元素，多子自由電子，少子 空穴；空穴；2. P型半導體摻微量三價元素，多子空穴，少子自由型半導體摻微量三價元素，多子空穴，少子自由電子；電子；3. 多子濃度主要取決于摻雜濃度，少子濃度主要取決多子濃度主要取決于摻雜濃度，少子濃度主要取決于溫度；于溫度；4. 本征半導體和雜質(zhì)半導體都呈電中性。本征半導體和雜質(zhì)半導體都呈電中性。在同一片半導體基片上，分別制造在同一片半導體基片上，分別

14、制造P 型半導型半導體和體和N 型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了交界面處就形成了PN 結(jié)。結(jié)。1.1.3 PN 結(jié)及其特性結(jié)及其特性1.1.3 PN 結(jié)結(jié)1、PN 結(jié)結(jié)( (PN Junction) )的形成的形成（1） 載流子的載流子的濃度差濃度差引起多子的引起多子的擴散擴散（2） 復合使交界面復合使交界面形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生了一個內(nèi)電場，電場的作用是阻礙多子產(chǎn)生了一個內(nèi)電場，電場的作用是阻礙多子的擴散促進少子產(chǎn)生漂移的擴散促進少子產(chǎn)生漂移內(nèi)建電場內(nèi)建電場此時產(chǎn)生了兩種電流此時產(chǎn)生了兩種電流：擴散電流和漂移電流擴散電流和漂移

15、電流P型型N型型無載流子無載流子P型半導體型半導體N型半導體型半導體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運動漂移運動多子擴散的結(jié)果是使空間多子擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場加強。荷區(qū)越寬，內(nèi)電場加強。內(nèi)電場越強，就使少子漂內(nèi)電場越強，就使少子漂移運動越強，而漂移使空移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。（3） 繼續(xù)擴散和漂移達到繼續(xù)擴散和漂移達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡擴散電流擴散電流 等于漂移電流，等于漂移電流， 總電流總電流 I = 0。此時形成的空間電荷區(qū)域稱為此時形成的空間電荷區(qū)域稱為P

16、N結(jié)（耗盡層）結(jié)（耗盡層）內(nèi)內(nèi) 1 1、空間電荷區(qū)中沒有載流子。、空間電荷區(qū)中沒有載流子。2 2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P P中的空穴、中的空穴、N區(qū)區(qū) 中的電子（中的電子（都是多子都是多子）向?qū)Ψ竭\動（）向?qū)Ψ竭\動（擴散擴散運動運動）。）。3 3、P 區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和 N區(qū)中的空穴（區(qū)中的空穴（都是少都是少子子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。很小。注意注意: :P 區(qū)區(qū) N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場外電場使多子向外電場使多子向 PN 結(jié)移動結(jié)移動,中和部分離子中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。使空間電荷區(qū)變窄。 IF限

17、流電阻限流電阻擴散運動加強形成正向電流擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子多子 I少子少子 I多子多子2、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?1）外加外加正向正向電壓電壓( (正向偏置正向偏置) ) forward bias（1）定性分析）定性分析P 區(qū)加正、區(qū)加正、N 區(qū)加負電壓。區(qū)加負電壓。2）外加）外加反向反向電壓電壓( (反向偏置反向偏置) ) reverse bias P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場外電場使多子背離外電場使多子背離 PN 結(jié)移動結(jié)移動， 空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)變寬。IRPN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?/p>

18、通，呈小電阻，電流較大; 反偏截止，電阻很大，電流近似為零。反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流漂移運動加強形成反向電流 IRIR = I少子少子 0) 1e (T/SUUII反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當量電壓當量qkUTT電子電量電子電量玻爾茲曼常數(shù)玻爾茲曼常數(shù)當當 T = 300K( (27 C) )：加正向電壓時加正向電壓時加反向電壓時加反向電壓時IISUT = 26 mVT/SeUUII 3、PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性（1 1）伏安特性表達式）伏安特性表達式定義：定義：PN結(jié)兩端結(jié)兩端U與流過它的電流與流過它的電流I的關(guān)系。的關(guān)系。P 區(qū)區(qū) N 區(qū)

19、區(qū)+-UITS(e1)uUiI 根據(jù)理論分析：根據(jù)理論分析：（1 1）正向特性）正向特性（2 2）反向特性）反向特性當當 u0 uUT時時1eTUuTeSUuIi 當當 u|U T |時時1eTUuSIi（2）伏安特性曲線）伏安特性曲線 根據(jù)理論推導，根據(jù)理論推導，PNPN結(jié)的伏安特性曲線如圖結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏正偏IF（多子擴散）（多子擴散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向飽和電流反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿電壓反向擊穿反向擊穿PN結(jié)兩端的外加電壓結(jié)兩端的外加電壓U與流過與流過PN結(jié)電流結(jié)電流I之間的關(guān)系曲線。之間的關(guān)系曲線。正向特性正向特性反向特性反向特性（3）溫度對伏安特

20、性的影響）溫度對伏安特性的影響OU /VI /mA反向擊穿反向擊穿正向特性正向特性反向特性反向特性溫度升高溫度升高研究表明：研究表明：保持正向電流不變，環(huán)境溫度每升高保持正向電流不變，環(huán)境溫度每升高1oC，PN結(jié)的正向壓降約減少結(jié)的正向壓降約減少22.5mV。溫度每升高。溫度每升高10oC，反向電，反向電流約增大一倍。流約增大一倍。OU /VI /mA反向擊穿反向擊穿（4）擊穿特性）擊穿特性反向擊穿：反向擊穿：當反向電壓超當反向電壓超過一定數(shù)值過一定數(shù)值UBR后后, ,反向電反向電流急劇增加。流急劇增加。UBR反向擊穿原因反向擊穿原因： 齊納擊穿齊納擊穿：( (Zener) )反向電場太強，將

21、電子強行拉出共價鍵。反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 ( (擊穿電壓擊穿電壓 6 V，正正溫度系數(shù)溫度系數(shù)) )擊穿電壓在擊穿電壓在 6 V 左右時，溫度系數(shù)趨近零左右時，溫度系數(shù)趨近零。反向擊穿類型：反向擊穿類型：電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿 PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復。結(jié)未損壞，斷電即恢復。 PN 結(jié)燒毀。結(jié)燒毀。4. PN結(jié)的電容效應結(jié)的電容效應CJ=CB+CD PN結(jié)的結(jié)電容決定其最高工作頻率。結(jié)的結(jié)電容決定其最高工作頻率。按電容的定義按電容的定義 dUdQCUQC或即電壓變化將引起電荷變化即電壓變化將引起電荷變化, 從而反映出電容效應。而從而反映出電容效應。而結(jié)兩端加上電壓結(jié)兩端加上

22、電壓, 結(jié)內(nèi)就有電荷的變化結(jié)內(nèi)就有電荷的變化, 說明說明結(jié)具有電容效應。結(jié)具有兩種電容結(jié)具有電容效應。結(jié)具有兩種電容： 勢壘電勢壘電容和擴散電容。容和擴散電容。 4、PN 結(jié)的結(jié)的電容效應電容效應 1.勢壘電容勢壘電容CB 勢壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電勢壘電容是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的?？臻g電荷區(qū)是由不能移動的正負雜質(zhì)離子所形成的荷區(qū)是由不能移動的正負雜質(zhì)離子所形成的,均具有均具有一定的電荷量一定的電荷量, 所以在結(jié)儲存了一定的電荷所以在結(jié)儲存了一定的電荷, 當外當外加電壓使阻擋層變寬時加電壓使阻擋層變寬時, 電荷量增加電荷量增加, 如圖所示；反之如圖所示；反之, 外加電壓使阻擋

23、層變窄時外加電壓使阻擋層變窄時, 電荷量減少。即阻擋層中電荷量減少。即阻擋層中的電荷量隨外加電壓變化而改變的電荷量隨外加電壓變化而改變, 形成了電容效應形成了電容效應, 稱稱為勢壘電容為勢壘電容,用用B表示。表示。理論推導理論推導 4BdQSCdUdWW WU U 2.擴散電容擴散電容CD 擴散電容是結(jié)在正向電壓時擴散電容是結(jié)在正向電壓時, 多數(shù)載流子在擴散過程多數(shù)載流子在擴散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。當結(jié)加正向電壓時中引起電荷積累而產(chǎn)生的。當結(jié)加正向電壓時,區(qū)的電區(qū)的電子擴散到區(qū)子擴散到區(qū), 同時區(qū)的空穴也向區(qū)擴散。同時區(qū)的空穴也向區(qū)擴散。 顯然顯然, 在在區(qū)交界處載流子的濃度最高。由于擴

24、散運動區(qū)交界處載流子的濃度最高。由于擴散運動, 離交界處愈遠離交界處愈遠, 載載流子濃度愈低流子濃度愈低, 這些擴散的載流子這些擴散的載流子, 在擴散區(qū)積累了電荷。若在擴散區(qū)積累了電荷。若結(jié)正向電壓加大結(jié)正向電壓加大, 則多數(shù)載流子擴散加強則多數(shù)載流子擴散加強, 電荷增加量為電荷增加量為；反之反之, 若正向電壓減少若正向電壓減少, 則積累的電荷將減少則積累的電荷將減少, 這就是擴散電容這就是擴散電容效應效應CD, 擴散電容正比于正向電流擴散電容正比于正向電流, 即即DI。DTICUUT溫度電壓當量溫度電壓當量I 正向電流正向電流非平衡少子在被復合前的平均存在時間（壽命）非平衡少子在被復合前的平

25、均存在時間（壽命）2 .擴散電容擴散電容CD 當外加正向電壓當外加正向電壓不同時，不同時，PN結(jié)兩結(jié)兩側(cè)堆積的少子的側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相也不同，這就相當電容的充放電當電容的充放電過程過程。+NPpLx濃濃度度分分布布耗耗盡盡層層NP區(qū)區(qū)區(qū)區(qū)中中空空穴穴區(qū)區(qū)中中電電子子區(qū)區(qū)濃濃度度分分布布nL電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來電容效應在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）極間電容（結(jié)電容）) 1(TSUUeII1. PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕航Y(jié)的單向?qū)щ娦裕赫驅(qū)ǎ聪蚪刂?。正向?qū)?，反向截止?. PN結(jié)的伏安特性：結(jié)的伏安特性：3. PN結(jié)的

26、伏安特性及其與溫度的關(guān)系結(jié)的伏安特性及其與溫度的關(guān)系OU /VI /mA反向擊穿反向擊穿正向特性正向特性反向特性反向特性溫度升高溫度升高作業(yè)作業(yè)1.2.1 1.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型1.2.2 1.2.2 半導體二極管的伏安特性半導體二極管的伏安特性1.2.3 1.2.3 溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管伏安特性的影響1.2.4 1.2.4 半導體二極管的主要參數(shù)半導體二極管的主要參數(shù)1.2.6 1.2.6 半導體二極管的模型半導體二極管的模型1.2.5 1.2.5 半導體器件的型號及二極管的選擇半導體器件的型號及二極管的選擇掌握二極管的理想模型和恒壓源

27、模型及其特點掌握二極管的理想模型和恒壓源模型及其特點2. 掌握二極管應用電路的分析方法掌握二極管應用電路的分析方法1.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：構(gòu)成： PN 結(jié)結(jié) + 引線引線 + 管殼管殼 = 二極管二極管( (Diode) )符號：符號：A ( (anode) )C ( (cathode) )分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型1.2.1 半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：構(gòu)成： PN 結(jié)結(jié) +管殼管殼 + 引線引線=二極管二極管( (Diode) )

28、符號：符號：A ( (anode) )C ( (cathode) )分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型按管子用途按管子用途整流二極管整流二極管檢波二極管檢波二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管開關(guān)二極管開關(guān)二極管光電二極管光電二極管 點接觸型二極管的特點是結(jié)面積小，因而結(jié)電容小，點接觸型二極管的特點是結(jié)面積小，因而結(jié)電容小， 適用于較高頻率適用于較高頻率(如幾百兆赫茲如幾百兆赫茲)下工作，但允許工作電下工作，但允許工作電流較小流較小(幾十毫安以下幾十毫安以下)。 主要用于高頻時的檢波器、混主要用于高頻時的檢波器、混頻器

29、等。頻器等。點接觸型點接觸型正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼負極負極引線引線負極引線負極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結(jié)結(jié) 正極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金金銻銻合金合金正極正極引線引線負極負極引線引線集成電路中平面型集成電路中平面型PNP 型支持襯底型支持襯底 面接觸型二極管的特點是面接觸型二極管的特點是結(jié)面積較大，結(jié)面積較大， 因而允許通因而允許通過較大電流，過較大電流， 但其結(jié)電容但其結(jié)電容也大，所以只能在較低頻也大，所以只能在較低頻率下工作。率下工作。 硅平面型二極管，結(jié)面積較大的，硅平面型二極管，結(jié)面積較大的，可通過較大電流，適用于大功可通過較大

30、電流，適用于大功率整流；結(jié)面積小的，適用于率整流；結(jié)面積小的，適用于脈沖與數(shù)字電路中作開關(guān)管。脈沖與數(shù)字電路中作開關(guān)管。 1.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性一、二極管的伏安方程一、二極管的伏安方程) 1e (TD/SDUuIi反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當量電壓當量qkUTT電子電量電子電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)當當 T = 300( (27 C) )：UT = 26 mVUD(on)二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性正向特性Uth死區(qū)死區(qū)電壓電壓iD 0Uth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )U

31、UthiD 急劇上升急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管鍺管 0.2 V反向特性反向特性ISU (BR)反向擊穿反向擊穿U(BR) U 0 iD IS 0.1 A( (硅硅) ) 幾十幾十 A ( (鍺鍺) )U Uon時，二極管導通，導通后時，二極管導通，導通后uD=Uon+rDiDuD0時，二極管導通，導通后時，二極管導通，導通后 uD = 0 當當uD 0時，二極管截止，時，二極管截止， iD = 0 如果二極管采用的是恒壓源模型如果二極管采用的是恒壓源模型 當當uD 0.7V(或或0.3V)時，二極管導通，時，二

32、極管導通， 導通后導通后uD = 0.7V(或或0.3V) 當當uD 0.7V 【解解】 二極管導通二極管導通UD=Uon=0.7V UAB=UD+12V=0.7V+12V=12.7V 【例例3】電路如圖所示，判斷圖中各二極管是導通還是截止，電路如圖所示，判斷圖中各二極管是導通還是截止， 并計算并計算A、B兩點之間的電壓兩點之間的電壓UAB。 設(shè)二極管導通電壓設(shè)二極管導通電壓Uon=0.7V。0.7VV4222266DU【解解】 二極管導通二極管導通UD=Uon=0.7V 2.35V1/211/22/20.7/16/2ABU所以所以【例例4】電路如圖所示，判斷圖中各二極管是導通還是截止，電路如

33、圖所示，判斷圖中各二極管是導通還是截止， 并計算并計算A、B兩點之間的電壓兩點之間的電壓UAB。 設(shè)二極管導通電壓設(shè)二極管導通電壓Uon=0.7V。UD1=5V 【解解】 UD2=10V+5V=5V 故故VD1導通導通 UAB=0.7V VD2截止截止 【例例4】電路如圖所示，判斷圖中各二極管是導通還是截止，電路如圖所示，判斷圖中各二極管是導通還是截止， 并計算并計算A、B兩點之間的電壓兩點之間的電壓UAB。 設(shè)二極管導通電壓設(shè)二極管導通電壓Uon=0.7V。UD1=12V 【解解】 UD2=5V+12V=7V UD1 UD2，故故VD1優(yōu)先導通，優(yōu)先導通， UAB=0.7V UA=0.7V

34、UC=5V 故將故將VD2箝制在截止狀態(tài)。箝制在截止狀態(tài)。則：則：若以若以B為參考零電位為參考零電位 二極管在電路中有著廣泛的應用，利用它的二極管在電路中有著廣泛的應用，利用它的單向?qū)щ娦?，可組成整流、限幅、檢波電路，還可單向?qū)щ娦裕山M成整流、限幅、檢波電路，還可做元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。做元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。1.3.1 二極管在限幅電路中的應用二極管在限幅電路中的應用 限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路、和雙向限幅電路三種。路、和雙向限幅電路三種。1. 串聯(lián)限幅電路串聯(lián)限幅電路uD=uiE =ui5當當uD0.7即

35、即ui 5+0.7時時 VD正偏導通正偏導通 uD=Uon=0.7V uo=uiUon =ui0.7V工作原理工作原理輸出波形輸出波形ui=10sin t（V） E=5V Uon=0.7V 1. 串聯(lián)限幅電路串聯(lián)限幅電路uD=ui5 當當uD 0.7V 即即ui5.7V時時 VD截止截止 流過二極管的電流為零流過二極管的電流為零 uo=5V輸出波形輸出波形傳輸特性（或限幅特性）傳輸特性（或限幅特性）uo=f(ui) 輸出波形輸出波形uo=5V當當ui 5.7時時 當當ui5.7時時 uo=uiUon =ui0.7V當當ui E+0.7時時 uo=ui0.7V當當uiE+0.7時時 uo=E2.

36、 并聯(lián)限幅電路并聯(lián)限幅電路uD=uiE =ui5當當uD0.7即即ui 5+0.7時時 VD正偏導通正偏導通 uD=0.7Vuo=0.7+5=5.7Vui=10sin t（V） E=5V Uon=0.7V 2. 并聯(lián)限幅電路并聯(lián)限幅電路uD=uiE =ui5當當uD0.7即即ui5.7V時時 VD反偏截止反偏截止 uo=uiui=10sin t（V） E=5V Uon=0.7V 2. 并聯(lián)限幅電路并聯(lián)限幅電路uo=5.7V當當5.7Vui 10V時時, 當當-10Vui3V時，時，VD2導通導通當當ui5V時，時，VD1導通導通當當 5V ui 3V時，時，VD2、VD1都截止都截止當當ui3

37、V時，時，VD2導通，導通， VD1截止，截止，輸出電壓輸出電壓uo=3V； 當當ui5V時，時，VD1導通，導通， VD2截止，輸出電壓截止，輸出電壓uo= 5V； 當當 5V ui 3V時，時，VD2、VD1都截止，輸出電壓都截止，輸出電壓uo=ui。 1.3.2 二極管在整流電路中的應用二極管在整流電路中的應用1. 單相半波整流電路單相半波整流電路2. 全波整流電路全波整流電路例例3 電路如，試求下列幾種情況下輸出端電路如，試求下列幾種情況下輸出端Y點的電位點的電位及流過各元件的電流。設(shè)二極管的導通電壓及流過各元件的電流。設(shè)二極管的導通電壓Uon=0.7V。UA=UB=0V；UA=3V，

38、UB=0V?！窘饨狻浚海?）二極管）二極管VD1和和VD2均承受正向電壓，均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導通。所以輸出端且正向電壓相等，都導通。所以輸出端Y點電位：點電位： UY=Uon=0.7VmA65. 4k1V7 . 0V1021VD2VD1 II【解解】：（2）二極管二極管VD1和和VD2均承受正向電壓，但均承受正向電壓，但VD2承受的正承受的正向電壓大，向電壓大，VD2優(yōu)先導通。優(yōu)先導通。所以輸出端所以輸出端Y點電位：點電位： UY=Uon=0.7V。將將VD1鉗制在截止狀態(tài)鉗制在截止狀態(tài) 0VD1ImA3 . 9k1V7 . 0V10VD2I1.4.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管1.

39、4.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管1.4.3 光電二極管光電二極管1.4.4 變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管1.5.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管一、伏安特性一、伏安特性符號符號工作條件：工作條件：反向擊穿反向擊穿iZ /mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ IZ IZ特性特性穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管，它利用結(jié)反向是一種特殊的二極管，它利用結(jié)反向擊穿后特性陡直的特點，在電路中起穩(wěn)壓作用。擊穿后特性陡直的特點，在電路中起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)。 二、主要參數(shù)二、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)壓管流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。兩

40、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，越大穩(wěn)壓效果越好， 小于小于 Imin 時不穩(wěn)壓。時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流最大工作電流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾 幾十幾十 5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) UZ 4 V， 7 V， 0 ( (為雪崩擊穿為雪崩擊穿) )具有正溫度系數(shù)；具有正溫度系數(shù)；4 V UZ 7 V， 很小。很小。C%/100ZZTUU3. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UIUORRLIOIRIDZ 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理

41、 IR = IDZ + IOUO= UI IR R 負載電阻負載電阻RL不變，輸入電壓不變，輸入電壓UI變化時變化時 3. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UIUORRLIOIRIDZ 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理 IR = IDZ + IOUO= UI IR R 當輸入電壓當輸入電壓UI不變，負載電阻不變，負載電阻RL變化時變化時 限流電阻的選擇限流電阻的選擇 UIUORRLIOIRIDZ穩(wěn)壓條件：穩(wěn)壓條件： ZLLIURRRUmaxDZminZZIII 當當UI=UImax，IO=IOmin時，時，IDZ最大，最大，則則R值必須足夠大，以滿足值必須足夠大，以滿足IDZ IZmax，即，即得：得： Zmax

42、OminZImaxIIUURZmaxOminZImaxIIRUU OZIDZIRUUI 限流電阻的選擇限流電阻的選擇 UIUORRLIOIRIDZ得得: 當當UI=UImin，IO=IOmax時，時，IDZ最小，則最小，則R值必須足夠小，值必須足夠小，以滿足以滿足IDZ IZmin，即，即 OmaxZminZIminIIUUR因此，限流電阻因此，限流電阻R的選擇必須滿足：的選擇必須滿足： ZminOmaxZIminIIRUUOmaxZminZIminOminZmaxZImaxIIUURIIUUUIUORRLIOIRIDZZmaxZZminIII1.穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓必須滿足兩個條件：穩(wěn)壓管正常穩(wěn)壓

43、必須滿足兩個條件： 被反向擊穿被反向擊穿 條件是穩(wěn)壓管兩端所接結(jié)點，在穩(wěn)壓條件是穩(wěn)壓管兩端所接結(jié)點，在穩(wěn)壓管斷開時的電壓大于或等于其穩(wěn)定電壓。管斷開時的電壓大于或等于其穩(wěn)定電壓。 穩(wěn)壓管擊穿后，穩(wěn)壓管擊穿后，流過穩(wěn)壓管的電流流過穩(wěn)壓管的電流必須滿足：必須滿足： 2. 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析步驟：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路分析步驟：(設(shè)穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓為設(shè)穩(wěn)壓管穩(wěn)定電壓為UZ) 設(shè)穩(wěn)壓管陰極為正、陽極為負，標出穩(wěn)壓管兩端參考電壓設(shè)穩(wěn)壓管陰極為正、陽極為負，標出穩(wěn)壓管兩端參考電壓 假設(shè)穩(wěn)壓管斷開，求出穩(wěn)壓管斷開兩端電壓假設(shè)穩(wěn)壓管斷開，求出穩(wěn)壓管斷開兩端電壓UDZ 分兩種情況：分兩種情況： 如果如果UDZUZ,穩(wěn)壓管

44、穩(wěn)壓管不能擊穿不能擊穿，穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓管不導通不導通，不能穩(wěn)壓。，不能穩(wěn)壓。 如果如果UDZ UZ,穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管擊穿擊穿，擊穿后穩(wěn)壓管兩，擊穿后穩(wěn)壓管兩端電壓為端電壓為UZ. 然后計算流過穩(wěn)壓管的電流然后計算流過穩(wěn)壓管的電流IZ。 若若 ，則穩(wěn)壓管能正常穩(wěn)壓；，則穩(wěn)壓管能正常穩(wěn)壓； 若若IZ IZmin，則穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能差；，則穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能差； 若若IZ IZmax，則穩(wěn)壓管將被燒壞。，則穩(wěn)壓管將被燒壞。 ZmaxZZminIII【例例1-5】 已知已知UZ=6V，IZmin=10mA，PCM=200mW，R=500。rz和反向飽和電流均可忽略。試求：和反向飽和電流均可忽略。試求： 當當UI=

45、20V，RL分別取分別取1k 、100 或開路時，或開路時，電路的穩(wěn)壓性能怎樣？輸出電壓電路的穩(wěn)壓性能怎樣？輸出電壓UO=？ 當當UI=7V，RL變化時，電路的穩(wěn)壓性能又怎樣？變化時，電路的穩(wěn)壓性能又怎樣？ UIUORRLIOIRIDZ 當當RL=1k 時，時， 【解解】 V6V3 .135001000100020LLIRRRUUIUORRLIOIRIDZmA22A022. 010006500620LZZIDZRURUUIVDZ被反向擊穿被反向擊穿 3 .33ZCMZmaxUPI 因為：因為：ZmaxDZZminIII 所以：所以：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好 UIUORRLIOIRIDZ

46、當當RL=100 時時 V6V3 . 350010010020LLIRRRU穩(wěn)壓管不能被擊穿穩(wěn)壓管不能被擊穿 V3 . 3OU當負載開路時當負載開路時 UO=UZ=6V mA28A028. 0500620ZIDZRUUIIDZ IZmax 穩(wěn)壓管能穩(wěn)壓，且穩(wěn)壓性能很好穩(wěn)壓管能穩(wěn)壓，且穩(wěn)壓性能很好 UIUORRLIOIRIDZ 當當UI=7V時時 ZminZIDZMmA2A002. 050067IRUUI當負載開路時，流過穩(wěn)壓管的電流最大，為當負載開路時，流過穩(wěn)壓管的電流最大，為 故穩(wěn)壓管不能穩(wěn)壓故穩(wěn)壓管不能穩(wěn)壓 1.4.2 發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管 LED ( (Light E