ch2 二極管及其應(yīng)用電路

1、第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路2.1 PN PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性2.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.3 二極管的常用模型和分析方法二極管的常用模型和分析方法2.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管2.5 常用二極管電路常用二極管電路閱讀：教材閱讀：教材 第第2 2章章第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?2.1 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性關(guān)鍵問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題 什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕康诙v第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2

2、.1 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性【例1.2-1】 已知在T=300K時(shí)本征硅受激產(chǎn)生的電子濃度為1.431010cm-3，而本征硅原子濃度為5.11022cm-3，如果在本征硅中摻入十億分之一的施主雜質(zhì)，即，雜質(zhì)濃度為 ，此時(shí)的雜質(zhì)半導(dǎo)體中空穴濃度、電子濃度分別是多少？解： 此時(shí)的電子濃度： nNd空穴濃度為： 313392210510105cmcmNd3101043. 1cmni361321022101 . 4105)1043. 1 (cmNnnnpdii第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性1.PN1.

3、PN結(jié)的形成結(jié)的形成 在在N型（型（P型）半導(dǎo)體的基片上，采用擴(kuò)散工藝制造出一個(gè)型）半導(dǎo)體的基片上，采用擴(kuò)散工藝制造出一個(gè)P型型（N型）區(qū)。型）區(qū)。 由于由于N型區(qū)，多子是電子，少子是空穴；在型區(qū)，多子是電子，少子是空穴；在P區(qū)多子是空穴，少區(qū)多子是空穴，少子是電子，因而在交界面的兩側(cè)，多子和少子的濃度相差懸殊。所子是電子，因而在交界面的兩側(cè)，多子和少子的濃度相差懸殊。所以以N區(qū)中的電子將擴(kuò)散到區(qū)中的電子將擴(kuò)散到P區(qū)，區(qū)，N區(qū)留下施主雜質(zhì)正離子區(qū)留下施主雜質(zhì)正離子;P區(qū)中的空區(qū)中的空穴將擴(kuò)散到穴將擴(kuò)散到N區(qū)，區(qū)，P區(qū)將留下受主雜質(zhì)負(fù)離子。區(qū)將留下受主雜質(zhì)負(fù)離子。 當(dāng)擴(kuò)散的電子和空穴相遇，就會(huì)產(chǎn)

4、生復(fù)合而消失，從而在交界當(dāng)擴(kuò)散的電子和空穴相遇，就會(huì)產(chǎn)生復(fù)合而消失，從而在交界面兩側(cè)形成一個(gè)由不能移動(dòng)的正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，正負(fù)面兩側(cè)形成一個(gè)由不能移動(dòng)的正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，正負(fù)電荷形成電場(chǎng)。由于是內(nèi)部載流子的擴(kuò)散形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。電荷形成電場(chǎng)。由于是內(nèi)部載流子的擴(kuò)散形成的，故稱為內(nèi)電場(chǎng)。 P區(qū)和區(qū)和N區(qū)之間的交界面附近的空間電荷層，就成為區(qū)之間的交界面附近的空間電荷層，就成為PN結(jié)結(jié)。 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 隨著多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)不斷加寬，內(nèi)電隨著多子的擴(kuò)散運(yùn)

5、動(dòng)的進(jìn)行，空間電荷區(qū)不斷加寬，內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，但是，隨之而來(lái)的兩種影響是：場(chǎng)不斷增強(qiáng)，但是，隨之而來(lái)的兩種影響是：1）內(nèi)電場(chǎng)將）內(nèi)電場(chǎng)將阻礙多子進(jìn)行擴(kuò)散阻礙多子進(jìn)行擴(kuò)散；2）P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的區(qū)的少子一旦靠近少子一旦靠近PN結(jié)結(jié)，就就將在內(nèi)電場(chǎng)的作用下將在內(nèi)電場(chǎng)的作用下漂漂移到對(duì)方移到對(duì)方?？偨Y(jié)：總結(jié)：內(nèi)電場(chǎng)一建立，就會(huì)起到阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；有內(nèi)電場(chǎng)一建立，就會(huì)起到阻止多子繼續(xù)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)；有利于少子漂移運(yùn)動(dòng)的作用。利于少子漂移運(yùn)動(dòng)的作用。 漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。漂移運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)方向相反。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成

6、及特性結(jié)的形成及特性 從從N區(qū)漂移到區(qū)漂移到P區(qū)的空穴，補(bǔ)充了原來(lái)交界面上區(qū)的空穴，補(bǔ)充了原來(lái)交界面上P區(qū)失去的區(qū)失去的空穴，使空穴，使P區(qū)的空間電荷區(qū)縮??；從區(qū)的空間電荷區(qū)縮??；從P區(qū)漂移到區(qū)漂移到N區(qū)的電子，補(bǔ)區(qū)的電子，補(bǔ)充了原來(lái)交界面上充了原來(lái)交界面上N區(qū)失去的電子，使區(qū)失去的電子，使N區(qū)的空間電荷區(qū)縮小。區(qū)的空間電荷區(qū)縮小。因此，因此，漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄漂移運(yùn)動(dòng)的結(jié)果是使空間電荷區(qū)變窄，作用與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，作用與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相反。相反。 PN結(jié)中的兩種載流子的運(yùn)動(dòng)的區(qū)別：結(jié)中的兩種載流子的運(yùn)動(dòng)的區(qū)別：運(yùn)動(dòng)類型運(yùn)動(dòng)類型 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)載流子載流子多子少子電流電流擴(kuò)

7、散電流漂移電流空間電荷區(qū)寬度空間電荷區(qū)寬度增大減小第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度和內(nèi)建電位的高度相對(duì)穩(wěn)定。寬度和內(nèi)建電位的高度相對(duì)穩(wěn)定。 由于兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向相反，因而在無(wú)外電由于兩種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向相反，因而在無(wú)外電場(chǎng)或其它因素激勵(lì)時(shí)，場(chǎng)或其它因素激勵(lì)時(shí)，PN結(jié)中無(wú)宏觀電流。結(jié)中無(wú)宏觀電流。 PN結(jié)又稱為結(jié)又稱為“耗盡區(qū)耗盡區(qū)”,以強(qiáng)調(diào)擴(kuò)散到區(qū)內(nèi)的多數(shù)以強(qiáng)調(diào)擴(kuò)散到區(qū)內(nèi)的多數(shù)載流子由于復(fù)合濃度很快減小

8、以至于耗盡的特點(diǎn)。正由載流子由于復(fù)合濃度很快減小以至于耗盡的特點(diǎn)。正由于于耗盡區(qū)內(nèi)耗盡區(qū)內(nèi)載流子濃度很低，所以區(qū)內(nèi)載流子濃度很低，所以區(qū)內(nèi)電阻率很高電阻率很高；耗耗盡區(qū)外盡區(qū)外，P、N區(qū)仍然保持熱平衡狀態(tài)，是區(qū)仍然保持熱平衡狀態(tài)，是中性低阻區(qū)中性低阻區(qū)。 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E0產(chǎn)生的點(diǎn)位產(chǎn)生的點(diǎn)位V0如圖如圖2.1.2所示。所示。PN結(jié)又稱為結(jié)又稱為“勢(shì)壘區(qū)勢(shì)壘區(qū)”、“阻擋區(qū)阻擋區(qū)”,以強(qiáng)調(diào)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的以強(qiáng)調(diào)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻擋作用。阻擋作用。圖圖2.1.2 內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的電位

9、內(nèi)電場(chǎng)產(chǎn)生的電位第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性2.2.PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)有一個(gè)基本特性結(jié)有一個(gè)基本特性單項(xiàng)導(dǎo)電性。單項(xiàng)導(dǎo)電性。它只有在外加電壓時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)。它只有在外加電壓時(shí)才顯現(xiàn)出來(lái)。PN結(jié)上外加電結(jié)上外加電壓稱為偏置，所加電壓稱為偏置電壓。壓稱為偏置，所加電壓稱為偏置電壓。外加正向電壓外加正向電壓 當(dāng)在當(dāng)在PN結(jié)上加正向電壓時(shí)，由于阻擋層是高阻區(qū)，結(jié)上加正向電壓時(shí)，由于阻擋層是高阻區(qū)，所以外加電壓大部分降落在阻擋層上，于是，在阻擋層所以外加電壓大部分降落在阻擋層上，于是，在阻

10、擋層上建立起一個(gè)外加電場(chǎng)上建立起一個(gè)外加電場(chǎng) 。外加電場(chǎng)的方向與。外加電場(chǎng)的方向與PN結(jié)內(nèi)結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反。電場(chǎng)方向相反。E第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性外加正向電壓外加正向電壓PNPN結(jié)將發(fā)生如下變化：結(jié)將發(fā)生如下變化：阻擋層內(nèi)的總電場(chǎng)減弱，空間阻擋層內(nèi)的總電場(chǎng)減弱，空間電荷總量減少；電荷總量減少；空間電荷區(qū)變窄；空間電荷區(qū)變窄； 勢(shì)壘區(qū)的電位差減小。勢(shì)壘區(qū)的電位差減小。 正向偏置情況下，給正向偏置情況下，給PNPN結(jié)一個(gè)小電壓，可得到較大的電流。結(jié)一個(gè)小電壓，可得到較大的電流。第二講第二講 半導(dǎo)體二極

11、管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 由于勢(shì)壘下降，阻擋層電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，打破了由于勢(shì)壘下降，阻擋層電場(chǎng)減弱，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，打破了擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡。N區(qū)的電子源源不斷的擴(kuò)散到區(qū)的電子源源不斷的擴(kuò)散到P區(qū)，形成了區(qū)，形成了P區(qū)的非平衡少數(shù)載流子。注入?yún)^(qū)的非平衡少數(shù)載流子。注入P區(qū)的電子，首先積區(qū)的電子，首先積累在結(jié)的邊界，使結(jié)邊界的電子密度比其他地方大，形成密度差。累在結(jié)的邊界，使結(jié)邊界的電子密度比其他地方大，形成密度差。在密度差的推動(dòng)下，電子不斷向在密度差的推動(dòng)下，電子不斷向P區(qū)縱

12、深擴(kuò)散，同時(shí)又不斷與區(qū)縱深擴(kuò)散，同時(shí)又不斷與P區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過(guò)一段距離后，擴(kuò)散到區(qū)的空穴復(fù)合，經(jīng)過(guò)一段距離后，擴(kuò)散到P區(qū)的電子基本上都被區(qū)的電子基本上都被復(fù)合掉了，電子密度恢復(fù)到熱平衡值，形成復(fù)合掉了，電子密度恢復(fù)到熱平衡值，形成P區(qū)非平衡少子的穩(wěn)區(qū)非平衡少子的穩(wěn)定分布。同樣，定分布。同樣，P區(qū)的空穴也源源不斷的擴(kuò)散到區(qū)的空穴也源源不斷的擴(kuò)散到N區(qū)，且在一定區(qū)，且在一定范圍內(nèi)邊擴(kuò)散邊復(fù)合，形成范圍內(nèi)邊擴(kuò)散邊復(fù)合，形成N區(qū)非平衡少子的穩(wěn)定分布。區(qū)非平衡少子的穩(wěn)定分布。 自由電子在外電場(chǎng)吸引下進(jìn)入外導(dǎo)線，再被電源電動(dòng)勢(shì)推動(dòng)，自由電子在外電場(chǎng)吸引下進(jìn)入外導(dǎo)線，再被電源電動(dòng)勢(shì)推動(dòng)，從右端進(jìn)入從右端進(jìn)

13、入N區(qū)參與多子流通，這樣便形成了從區(qū)參與多子流通，這樣便形成了從N區(qū)到區(qū)到P區(qū)的整個(gè)區(qū)的整個(gè)連續(xù)流動(dòng)。連續(xù)流動(dòng)。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性小結(jié)：小結(jié)： 正向偏置情況下，給正向偏置情況下，給PNPN結(jié)一個(gè)小電壓，可得到較大的電流。結(jié)一個(gè)小電壓，可得到較大的電流。 外加正向電壓驅(qū)使外加正向電壓驅(qū)使N區(qū)電子和區(qū)電子和P區(qū)空穴進(jìn)入空間電區(qū)空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)，中和掉一些空間電荷，使空間電荷區(qū)變窄。多荷區(qū)，中和掉一些空間電荷，使空間電荷區(qū)變窄。多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，打破了原有的動(dòng)態(tài)平衡，使擴(kuò)散子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，打破

14、了原有的動(dòng)態(tài)平衡，使擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的多子大于漂移運(yùn)動(dòng)的少子，造成了電荷的凈轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的多子大于漂移運(yùn)動(dòng)的少子，造成了電荷的凈轉(zhuǎn)移。移。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性外加反向電壓外加反向電壓PNPN結(jié)外加反向電壓，外加電場(chǎng)的結(jié)外加反向電壓，外加電場(chǎng)的方向與方向與PNPN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，PNPN結(jié)將發(fā)生以下變化：結(jié)將發(fā)生以下變化：阻擋層內(nèi)的總電場(chǎng)增強(qiáng)，空間阻擋層內(nèi)的總電場(chǎng)增強(qiáng)，空間電荷總量增加；電荷總量增加；空間電荷區(qū)變寬；空間電荷區(qū)變寬； 勢(shì)壘區(qū)的電位差增大。勢(shì)壘區(qū)的電位差增大。 第二講第二講 半

15、導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 由于勢(shì)壘提高，多子通過(guò)由于勢(shì)壘提高，多子通過(guò)PN結(jié)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到阻礙，而少子結(jié)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)受到阻礙，而少子通過(guò)通過(guò)PN結(jié)的漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，這時(shí)結(jié)的漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，這時(shí)漂移運(yùn)動(dòng)起主要作用。漂移運(yùn)動(dòng)起主要作用。在空間電在空間電荷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，兩個(gè)區(qū)中的少子一旦到達(dá)勢(shì)壘邊界處，就荷區(qū)強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，兩個(gè)區(qū)中的少子一旦到達(dá)勢(shì)壘邊界處，就被電場(chǎng)拉到被電場(chǎng)拉到PN結(jié)的另一側(cè)。所以，在結(jié)的另一側(cè)。所以，在PN結(jié)空間電荷區(qū)的邊緣處，結(jié)空間電荷區(qū)的邊緣處，少子濃度很低，接近于零。少子濃度很低，接近于零。 這時(shí)

16、少子的漂移電流構(gòu)成了這時(shí)少子的漂移電流構(gòu)成了PN結(jié)的反向電流。由于少子濃度結(jié)的反向電流。由于少子濃度很低，反向電流較小。一定溫度下，載流子濃度一定，因而可以很低，反向電流較小。一定溫度下，載流子濃度一定，因而可以抽取的少子有限。在相當(dāng)大的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎恒抽取的少子有限。在相當(dāng)大的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎恒定，故稱為反向飽和電流，用定，故稱為反向飽和電流，用IS表示。由于表示。由于IS是由少子形成的，所是由少子形成的，所以對(duì)溫度很敏感。溫度越高，反向電流越大。以對(duì)溫度很敏感。溫度越高，反向電流越大。 由于由于PN結(jié)反偏時(shí)反向電流很小，可認(rèn)為結(jié)反偏時(shí)反向電流很小，可認(rèn)為PN結(jié)基本

17、不導(dǎo)電，表結(jié)基本不導(dǎo)電，表現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻?，F(xiàn)為一個(gè)很大的電阻。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.12.1PNPN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 反向偏置情況下，反向偏置情況下，反向電流很小反向電流很小， 可以認(rèn)為可以認(rèn)為PNPN結(jié)結(jié)基本上基本上不導(dǎo)電，表現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻。不導(dǎo)電，表現(xiàn)為一個(gè)很大的電阻。 小結(jié)：小結(jié)： 外加反向電壓驅(qū)使外加反向電壓驅(qū)使N區(qū)電子和區(qū)電子和P區(qū)空穴進(jìn)一步離區(qū)空穴進(jìn)一步離開開PN結(jié)，使空間電荷區(qū)變寬，有利于少子的漂移運(yùn)結(jié)，使空間電荷區(qū)變寬，有利于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，不利于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。此時(shí)，少子的漂移構(gòu)動(dòng)，不利于多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

18、。此時(shí)，少子的漂移構(gòu)成了成了PN結(jié)的反向電流。此電流基本上不隨外界電壓結(jié)的反向電流。此電流基本上不隨外界電壓變化，但隨溫度變化很激烈。變化，但隨溫度變化很激烈。關(guān)鍵問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題 什么是二極管的門坎電壓？ 為什么使用二極管時(shí)要注意不要超過(guò)最高反向工作電壓VBR ？ 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.2 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管1.1.半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極

19、管第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-IV-I特性特性TDVv TDVvSDeIi 當(dāng)vD 0 ,且 時(shí),TDVv|0SDIi當(dāng)vD 0 ,且 時(shí)，第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-I V-I 特性特性例：已知PN結(jié)在T=300K時(shí)， , m=1,求 及 時(shí)的結(jié)電流。AIS1410VvD70. 0VvD70. 0解：當(dāng) 時(shí)，PN結(jié)上為正偏壓，有mAeeIiTDVvsD93. 4) 1(10) 1

20、(026. 07 . 014VvD70. 0當(dāng) 時(shí)，PN結(jié)上為負(fù)偏壓，有VvD70. 0AeeIiTDVvsD14026. 07 . 01410) 1(10) 1(第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-I V-I 特性特性圖圖2.2.3 實(shí)際的二極管的伏安特性實(shí)際的二極管的伏安特性第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-IV-I特性特性正向特性正向特性第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極

21、管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-IV-I特性特性反向特性反向特性對(duì)Si二極管而言，一般地 VBR 4伏-齊納擊穿； VBR 7伏-雪崩擊穿； 4伏 VBR 7伏-兩種擊穿都有 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-IV-I特性特性例：Si二極管I-V特性曲線如圖 ，把Si管接入電路，求二極管上的電壓降和通過(guò)二極管的電流。 20 15 i D (mA) 1.0 10 0.5 1.5 vD(V) Q解：電路方程 E=iDR+vD 從圖中查出， ID=

22、7(mA), VD=0.8(V) 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管2.2.二極管的二極管的V-IV-I特性特性溫度對(duì)正向特性的影響溫度對(duì)正向特性的影響CmVTVoD/5 . 2第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3.3.二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)電子器件的參數(shù)是其特性的定量描述，也是實(shí)際工作中根據(jù)要求電子器件的參數(shù)是其特性的定量描述，也是實(shí)際工作中根據(jù)要求選用器件的主要依據(jù)。選用器件的主要依據(jù)。1）二極管的直流參數(shù)）二極管的直流參數(shù) 最大整流

23、電流最大整流電流IF: 當(dāng)管子長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。使用時(shí)管子的平均電流不得超過(guò)此值。 最高反向工作電壓最高反向工作電壓VR: 二極管工作時(shí)加在其兩端的最大反向電壓，否則二極管可能被擊穿。 VR=VBR/2。 反向電流反向電流IR: 室溫下，二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時(shí)流過(guò)管子的反向電流。通常希望IR小。 IR越小，二極管單向?qū)щ娦阅茉胶谩?IR由少子形成，所以受溫度影響很大。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3.3.二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 靜態(tài)電阻靜態(tài)電阻RD: 二極管是一個(gè)非線性器件，其

24、電阻也不是常數(shù)。它隨工作電壓或電流的變化。 VQ工作電壓； IQ工作電流。 當(dāng)VQ 、IQ一定時(shí)，定義： 最高工作頻率最高工作頻率 : 是二極管的上限頻率，它由PN結(jié)電容 Cj 的大小決定。 超過(guò)此值，二極管的單向?qū)щ娦圆荒芎芎皿w現(xiàn)。DDDVRImfmf第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.22.2半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3.3.二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1）二極管的微變參數(shù)）二極管的微變參數(shù) 微變電阻微變電阻 （動(dòng)態(tài)交流電阻）：（動(dòng)態(tài)交流電阻）：它是二極管在小信號(hào)（即二極管的端電壓在某一固定值附近作微小變化）工作情況下引起電流變化用到的參數(shù)。定義：

25、在二極管特性曲線上某點(diǎn)Q作且先進(jìn)絲代替這一小段曲線，則 二極管的極間電容二極管的極間電容Cjdr26()()dDQmVrImA第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.3 二極管的常用模型和分析方法二極管的常用模型和分析方法關(guān)鍵問(wèn)題關(guān)鍵問(wèn)題 什么是二極管的理想開關(guān)模型和恒壓源模型？ 模型分析法的實(shí)質(zhì)是什么？常用的二極管模型常用的二極管模型二極管的分析方法二極管的分析方法 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.32.3二極管的常用模型和分析方法二極管的常用模型和分析方法 由于二極管具有非線性的伏安特性，因此對(duì)于二極由于二極管

26、具有非線性的伏安特性，因此對(duì)于二極管的電路的分析，常常根據(jù)電路的實(shí)際工作狀態(tài)和對(duì)分管的電路的分析，常常根據(jù)電路的實(shí)際工作狀態(tài)和對(duì)分析精度的要求，對(duì)二級(jí)管建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?。通常，?duì)半析精度的要求，對(duì)二級(jí)管建立恰當(dāng)?shù)哪Ｐ?。通常，?duì)半導(dǎo)體元器件模型的建立大體分為兩種方式：導(dǎo)體元器件模型的建立大體分為兩種方式：物理模型：物理模型：以元器件的物理作用為基礎(chǔ)，列出數(shù)學(xué)方程或組以元器件的物理作用為基礎(chǔ)，列出數(shù)學(xué)方程或組成等效電路而構(gòu)造的模型，相應(yīng)的模型參數(shù)與物理作用有密成等效電路而構(gòu)造的模型，相應(yīng)的模型參數(shù)與物理作用有密切的關(guān)系。切的關(guān)系。外特性模型：外特性模型：從元器件的端口特性出發(fā)構(gòu)成的模型，不涉及從元器

27、件的端口特性出發(fā)構(gòu)成的模型，不涉及元器件的物理機(jī)制。元器件的物理機(jī)制。二極管的常用模型二極管的常用模型第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.32.3二極管的常用模型和分析方法二極管的常用模型和分析方法 1.1.常用的二極管模型常用的二極管模型理想二極管開關(guān)模型理想二極管開關(guān)模型正向?qū)ǎ驅(qū)?，VD=0 (內(nèi)阻內(nèi)阻r=0)，相當(dāng)，相當(dāng)于開關(guān)閉合于開關(guān)閉合反向截止，反向截止，IS=0 (內(nèi)內(nèi)阻阻r= )，相當(dāng)于開，相當(dāng)于開關(guān)斷開。關(guān)斷開。 v (v) O iD (mA) 1.1.常用的二極管模型常用的二極管模型恒壓源模型恒壓源模型Si管：Von0.7(V)

28、（實(shí)際：0.60.8） GeGe管：Von0.2（V） V Von，D通，通，通后壓降為通后壓降為Von VVon時(shí)，二極管導(dǎo)通，vo vi； viVon時(shí)，二極管截止，vo=0。 1）限幅電路限幅電路第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 + - vi vo vo - + R D t t vi vo Von Von 并聯(lián)上限幅電路并聯(lián)上限幅電路 1.限幅和箝位電路限幅和箝位電路1）限幅電路限幅電路第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 t t t

29、 vi vo Von Von 雙向限幅電路雙向限幅電路1.限幅和箝位電路限幅和箝位電路1）限幅電路限幅電路第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2)2)箝位電路箝位電路 第一個(gè)T/4時(shí)間，當(dāng)vi大于二極管的導(dǎo)通電壓Von時(shí)，二極管導(dǎo)通，電容C充電， onicVvv vi 到達(dá)峰值,vc=Vim-Von vi下降。理想情況下，電容不放電，當(dāng)vi下降到與 vc值相等時(shí)，二極管變?yōu)榉雌?。輸出tVVVvvvimonimicosin)(1.限幅和箝位電路限幅和箝位電路第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二

30、極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2)2)箝位電路箝位電路1.限幅和箝位電路限幅和箝位電路第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2.2.整流和濾波電路整流和濾波電路 整流電路是二極管的一個(gè)重要應(yīng)用。是小功率（200W以下）直流穩(wěn)壓電源的組成部 分。其主要功能是利用二極管的單向?qū)щ娦裕瑢⑹须婋娋W(wǎng)的單相正弦（AC）單方向脈動(dòng)（DC）（后經(jīng)濾波、穩(wěn)壓直流電源）。即，整流是將交流電轉(zhuǎn)化成單一極性的直流的過(guò)程。 可用二極管的理想模型分析這類電路。工作原理工作原理 電路分析電路分析 1)1)整流電路整流電路第二講

31、第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 1 1）整流電路整流電路工作原理單相半波整流單相半波整流 利用二極管的單向?qū)щ娦阅?，使?jīng)變壓器出來(lái)的電壓只有半個(gè)周期可以到達(dá)負(fù)載，造成負(fù)載電壓Vo是單方向的脈動(dòng)直流電壓。 特點(diǎn)特點(diǎn)：電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，脈動(dòng)大。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 單相橋式全波整流單相橋式全波整流 電橋的簡(jiǎn)化符號(hào)： 特點(diǎn)：特點(diǎn)：輸出電壓高；波紋電壓較?。}動(dòng)?。籘r在正負(fù)半周都有電流供給RL，效率較高。1 1）整流電路整流電路工作原理

32、第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 1) 1) 整流電路整流電路電路分析 分析整流電路的性能時(shí)，主要考察四項(xiàng)參數(shù)：整流電路的輸出電壓平均值（直流電壓）Vo（AV）整流電路的輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)S整流二極管正向平均電流ID（AV）整流管的反向峰值電壓VRM 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 1)1)整流電路整流電路電路分析 (1)Vo(1)Vo（AV）：輸出電壓在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。（即輸出電壓的直流分量） 20)()(21tdvVOAVo半波

33、整流半波整流： 200sin22tttVvO22)(45. 02VVVAVO全波整流：全波整流： 2sin20sin222ttVttVvO22)(9 . 022VVVAVO第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 1)1)整流電路整流電路電路分析 (2)S(2)S：表征整流輸出波形脈動(dòng)的量。定義： )(01AVOMVVS Vo1M指的是輸出電壓的基波峰值 2/21!VaVMO57.12V22/VS22半波整流半波整流： tataVtnaVvAVOnnAVOO2coscoscos21)(1)(.)2cos32cos211(2

34、2ttV第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2 2）S S：表征整流輸出波形脈動(dòng)的量。定義： )(01AVOMVVS Vo1M指的是輸出電壓的基波峰值 全波整流 :.)4cos1542cos342(22cos21)(ttVtnaVvnnAVOO21324VVMO67. 0322232422VVS1)1)整流電路整流電路電路分析 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 (3(3）I ID（AV）半波整流 :LAVOAVDRVII2)()(45.

35、0全波整流 :LLAVOAVDRVRVII22)()(45. 09 . 021211)1)整流電路整流電路電路分析 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 (4(4）V VRM：二極管承受的最大反向峰值電壓VRM。 半波整流：處于負(fù)半周時(shí)，二極管截止，承受的最大反向電壓為22VVRM全波整流：v2 0時(shí)，D1、D3通，D2、D4止， v2 0時(shí)，D2、D4通，D1、D3止，2RMV2V2RMV2V1)1)整流電路整流電路電路分析 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極

36、管電路常用二極管電路 2) 2) 整流濾波電路整流濾波電路電容整流濾波電路 單相橋式整流濾波電路單相橋式整流濾波電路 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 討論討論： 加了電容濾波后，輸出電壓直流成分提高了（輸出電壓的平均值增加） 加了電容濾波后，輸出電壓的脈動(dòng)成分減小。 電容放電的d=RLC放電過(guò)程則輸出電壓，同時(shí)脈動(dòng)成分，濾波效果。22V當(dāng)RLC， VO(AV) = 應(yīng)選擇C大，RL大。2) 2) 整流濾波電路整流濾波電路電容整流濾波電路 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.

37、52.5常用二極管電路常用二極管電路 討論討論： 電容濾波電路中二極管的導(dǎo)電時(shí)間縮短了。 導(dǎo)電角180，且d, 導(dǎo)電角。因此，整流管在短暫的導(dǎo)電時(shí)間內(nèi)流過(guò)一個(gè)很大的沖擊電流，對(duì)管子的壽命不利。所以必須選擇較大容量的整流二極管。2) 2) 整流濾波電路整流濾波電路電容整流濾波電路 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2) 2) 整流濾波電路整流濾波電路電感整流濾波電路 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 3.3.多二極管電路多二極管電路 二極

38、管是非線性器件，分析二極管電路時(shí)要明確二極二極管是非線性器件，分析二極管電路時(shí)要明確二極管是導(dǎo)通還是截止。如果一個(gè)電路不止包含一個(gè)二極管，管是導(dǎo)通還是截止。如果一個(gè)電路不止包含一個(gè)二極管，分析起來(lái)就有些復(fù)雜了。分析起來(lái)就有些復(fù)雜了。 判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)常用的方法是：判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)常用的方法是：首先首先假定二極管斷開，然后分別考慮二極管兩端的電位，若這假定二極管斷開，然后分別考慮二極管兩端的電位，若這兩端的電位差大于二極管的導(dǎo)通電壓，則二極管處于正向兩端的電位差大于二極管的導(dǎo)通電壓，則二極管處于正向偏置，否則就處于反向偏置而截至。如果電路中出現(xiàn)多個(gè)偏置，否則就處于反向偏置

39、而截至。如果電路中出現(xiàn)多個(gè)二極管，且承受不同的正向壓降，則考慮承受正向電壓較二極管，且承受不同的正向壓降，則考慮承受正向電壓較大者優(yōu)先導(dǎo)通，然后在判斷其他二極管的狀態(tài)。大者優(yōu)先導(dǎo)通，然后在判斷其他二極管的狀態(tài)。第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 3.3.多二極管電路多二極管電路例1，電路如圖 ，判斷圖中二極管是導(dǎo)通還是截止，并確定輸出電壓Vo，設(shè)二極管Von=0.7V。將D1、D2斷開， 對(duì)D1管，有VD1=Va- Vb1=15-0=15V； 接入二極管后， D2管優(yōu)先導(dǎo)通，將電位限制在 Va=-10V+0.7V=-

40、9.3V ，此時(shí)D1因承受反向壓降而截止。所以，Vo=-9.3V。 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 3.3.多二極管電路多二極管電路例2，求如圖所示電路當(dāng)Vi=0V、Vi=4V時(shí)輸出電壓和二極管上的電流。二極管的Von=0.7V。當(dāng)Vi=0V時(shí)：當(dāng)Vi=4V時(shí)：Vo=3.3+0.7=4(V) )(2 . 05455112mAKRViioRDiD1=iR2-iD2=0.63(mA) iD1=0， Vo=1.2+0.7=1.9(V) mAKKRRViionDR62. 0105)5(7 . 05)5(52121第二講第

41、二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2.2.多二極管電路多二極管電路例2電路的輸出與輸入特性曲線第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 2.2.多二極管電路多二極管電路例2電路中D1和D2的電流 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 4.4.多二極管電路多二極管電路二極管與邏輯電路二極管與邏輯電路V1(V)V2(V)Vo(V)邏輯輸出邏輯輸出000.70500.70050.70

42、5551第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 4.4.多二極管電路多二極管電路二極管或邏輯電路二極管或邏輯電路V1(V)V2(V)Vo(V)邏輯輸出邏輯輸出0000504.31054.31554.31第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.52.5常用二極管電路常用二極管電路 5.5.發(fā)光二極管電路發(fā)光二極管電路 發(fā)光二極管（LED）由砷化鎵等化合物半導(dǎo)體材料制成，它能將電流轉(zhuǎn)化為光信號(hào),也就是將電能轉(zhuǎn)化為光能。 如果二極管正偏，電子和空穴注入空間電荷區(qū)成為過(guò)剩少子。這些少子擴(kuò)散到N

43、區(qū)或 P區(qū)，在那里與多子復(fù)合，復(fù)合時(shí)會(huì)發(fā)出光子。 第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.62.6穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管電路電路 6.6.穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓原理：負(fù)載不變、輸入電壓波動(dòng)負(fù)載不變、輸入電壓波動(dòng)：當(dāng)負(fù)載RL不變時(shí)，假定輸入電壓VI 變大，因而流過(guò)限流電阻R的電流IR增加，引起輸出電壓變大，于是流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ急劇增加，使得電流IR 大部分流過(guò)穩(wěn)壓管，負(fù)載上流過(guò)的電流IO大大減小，因而輸出電壓VO=IORL變小。 輸入不變、負(fù)載變化：輸入不變、負(fù)載變化：當(dāng)輸入電壓VI 不變時(shí)，假定負(fù)載RL變小，引起輸出電壓VO減小，于是流過(guò)穩(wěn)壓管的電流I

44、Z急劇減小，使得流過(guò)限流電阻R的電流IR大部分流入負(fù)載，即輸出電流IO增大，因?yàn)槎敵鲭妷篤O=IORL變大。6.6.穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路當(dāng)RL不變：（輸入電壓變大） VI IR VOIz IO 當(dāng)VI不變:（負(fù)載變?。?RLVOIZIO VO穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理電路穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì)是，電路穩(wěn)壓的實(shí)質(zhì)是，齊納二極管利用調(diào)節(jié)自身的電流大?。ǘ穗妷夯静蛔儯﹣?lái)滿足輸出電流的改變，并和限流電阻R配合將電流的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化以適應(yīng)電網(wǎng)電壓的波動(dòng)。 VO第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.62.6穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管電路電路 6.6.穩(wěn)壓管電路穩(wěn)壓管電路限流電阻限流電阻R R的

45、選擇的選擇設(shè)Dz的工作點(diǎn)在IZ minIZIZ max電網(wǎng)電壓最高時(shí)整流輸出VI max，最低為VI min 負(fù)載電流Io的最小值為IO min，最大為IO max 當(dāng)VI max和IO min，IZ的值最大： maxmaxminmaxmaxLOOIOOIZRVRVVIRVVIminmaxmaxmaxmaxminmaxmaxRRVIRVVIIVVRLZZLZIOZOI當(dāng)VI min和IO max，IZ的值最?。?minminmaxminminLZZIOOIZRVRVVIRVVImaxminminminminRRVIRVVRLzzLZI第二講第二講 半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路半導(dǎo)體二極管及常用二極管電路 2.62.6穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管電路電路 穩(wěn)壓電路的分析和設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路的分析和設(shè)計(jì) 對(duì)于穩(wěn)壓管電路的分析，像其他二極管電路一樣，首先要確對(duì)于穩(wěn)壓管電路的分析，像其他二極管電路一樣，首先要確定穩(wěn)壓管的工作狀態(tài)，同樣地，我