第6章+半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路課件

6半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路6.1半導(dǎo)體材料6.3半導(dǎo)體二極管6.4二極管電路分析方法6.5特殊二極管6.2PN結(jié)的形成及特性6半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路6.1半導(dǎo)體材料6.3半半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

6.1半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類(lèi)材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。6.1半6.1.1本征半導(dǎo)體鍺：鍺在地殼中含量為0.0007%，較金、銀、鉑的含量均高，由于資源分散，增加了冶煉困難，屬于稀有元素一類(lèi)。鍺單晶可作晶體管，是第一代晶體管材料。6.1.1本征半導(dǎo)體鍺：6.1.1本征半導(dǎo)體硅：硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構(gòu)成的，這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。硅是一種半導(dǎo)體材料，可用于制作半導(dǎo)體器件和集成電路。6.1.1本征半導(dǎo)體硅：6.1.1本征半導(dǎo)體價(jià)電子最外層簡(jiǎn)化模型因此，在絕對(duì)溫度零度(即0K，相當(dāng)于-273℃)，且無(wú)外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體無(wú)自由電子，和絕緣體一樣不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。6.1.1本征半導(dǎo)體價(jià)電子最外層簡(jiǎn)化模型因此，在絕對(duì)本征硅晶體的結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征硅晶體的電子空穴對(duì)在室溫下，僅有少數(shù)價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子（稱為熱激發(fā)），并在相應(yīng)的共價(jià)鍵中留下空穴，自由電子和空穴總是相伴而生，成對(duì)出現(xiàn)，稱之為電子-空穴對(duì)。本征硅晶體的結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4本空穴等效為一個(gè)帶正電荷的粒子，其電荷量與電子相同。在電場(chǎng)作用下可以形成電流的帶電粒子稱為載流子，故電子和空穴都是載流子。硅原子形成晶格結(jié)構(gòu)，即使電離也不能作定向運(yùn)動(dòng)形成電流，不是載流子。除了熱激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)外，光照也能激發(fā)電子空穴對(duì)，進(jìn)而影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。空穴等效為一個(gè)帶正電荷的粒子，其電荷量與電子相同。在電按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。6.1.2N型半導(dǎo)體

在硅(或鍺)晶體中摻入少量的5價(jià)元素，如磷（P）,則硅晶體中某些位置的硅原子被磷原子代替。雜質(zhì)元素電離成帶正電的離子。正離子被共價(jià)鍵束縛在晶格上，不能做定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。在摻入施主雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“多子”，空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“少子”。稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。

按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱為雜6.1.3P型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價(jià)元素，如硼（B）或鋁（Al），則硅晶體中某些位置的硅原子被硼原子代替?？昭ㄊ嵌鄶?shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體6.2PN結(jié)的形成及特性單獨(dú)的N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性沒(méi)有方向性，即對(duì)電流的流向沒(méi)有選擇性。采用一定的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在2種半導(dǎo)體的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)對(duì)電流的流向有選擇性，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.1.3P型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價(jià)6.2.1PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):由于濃度差異不同引起的粒子轉(zhuǎn)移。耗盡區(qū),勢(shì)壘區(qū)，空間電荷區(qū):

在交界面附近，空穴與電子相遇而復(fù)合，載流子消失，出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子組成的空間電荷區(qū)。漂移運(yùn)動(dòng)：少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)形成漂移電流。6.2.1PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):由于濃度差異不同引起的粒子6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓

圖6.2.2PN結(jié)作用正向電壓

內(nèi)電場(chǎng)E

漂移電流

擴(kuò)散電流

V0

x

o

電位

V

VF

R

IF

電源的正極接P區(qū)，電源的負(fù)極接N區(qū)，稱為PN結(jié)正向偏置。內(nèi)電場(chǎng)因與外電場(chǎng)相反而受到削弱，使空間電荷區(qū)變窄，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。加上不大的正向電壓，就可產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流，為避免燒壞PN結(jié)，回路中應(yīng)串入電阻R限流。6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓圖6.2.2.外加反向電壓電源的正極接N區(qū)，電源負(fù)極接P區(qū)，稱為PN結(jié)反向偏置。

PN結(jié)反向偏置時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)因與外電場(chǎng)方向相同而增強(qiáng)，使空間電荷區(qū)變寬，阻礙多子的擴(kuò)散而有利于少子的漂移。由于少子數(shù)量很小，反向電流也很小。并且，在溫度一定的情況下，少子的濃度也是一定的，導(dǎo)致反向電流在一定范圍內(nèi)基本上不隨外加電壓變化，這種特性稱為反向電流的飽和特性。反向飽和電流，記為IS2.外加反向電壓電源的正極接N區(qū)，電源負(fù)極接P區(qū)，稱為3．PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性是指數(shù)函數(shù)：電流和電壓的參考方向都是由P區(qū)指向N區(qū)，反向飽和電流IS小于10nA(1nA=10-9A)。VT是溫度當(dāng)量電壓。VT與溫度的關(guān)系是：T是熱力學(xué)溫度（0K=-273oC），q（=1.6×10-9C）是電子電荷,k（=1.38×10-23J/K）是波爾茲曼常數(shù)。在室溫下（T=27oC=300K），VT=26mV。PN結(jié)的伏安特性曲線：死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)3．PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性是指數(shù)函數(shù)：電流和6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)電荷的空間積累和消散就是電容效應(yīng)。1.勢(shì)壘電容PN結(jié)正向偏置時(shí)，使空間電荷區(qū)變窄，電荷量減少；PN結(jié)反向偏置時(shí)，使空間電荷區(qū)變寬，電荷量增加。PN結(jié)空間電荷區(qū)的電荷積累和消散所等效的電容稱為勢(shì)壘電容，記為Cb。6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)電荷的空間積累和消散就是電容2.擴(kuò)散電容當(dāng)外加正向電壓時(shí)，P區(qū)的空穴擴(kuò)散穿過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)N區(qū)的邊界，成為N區(qū)的少子；N區(qū)的電子擴(kuò)散穿過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)P區(qū)的邊界，成為P區(qū)的少子。于是，P區(qū)積累(存入)大量的電子（少子），N區(qū)存入大量的空穴（少子），它們統(tǒng)稱為存儲(chǔ)電荷（或非平衡少子）。正向電流變化，存儲(chǔ)電荷也變化，等效為電容元件的充放電，其等效電容稱為擴(kuò)散電容，記為Cd。PN結(jié)總的等效結(jié)電容是勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和，即2.擴(kuò)散電容當(dāng)外加正向電壓時(shí)，P區(qū)的空穴擴(kuò)散穿過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)N6.2.4PN結(jié)的反向擊穿反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，反向電流激增，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。發(fā)生反向擊穿對(duì)應(yīng)的反向電壓稱為反向擊穿電壓，記為VBR。PN結(jié)反向擊穿的機(jī)理分為齊納擊穿和雪崩擊穿：當(dāng)摻雜濃度很高，耗盡層寬度很窄時(shí)，在不大的反向電壓作用下，形成很強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)(2×107V/m)，直接將價(jià)電子從原子的共價(jià)鍵中“拉”出來(lái)，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，于是反向電流急劇增大，這種擊穿稱為“齊納擊穿”。當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)，耗盡層寬度較寬，內(nèi)電場(chǎng)較小，不能發(fā)生齊納擊穿。但是，當(dāng)反向電壓達(dá)到足夠大時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)使來(lái)自P區(qū)的電子的漂移速度不斷增加，獲得足夠的動(dòng)能，撞擊共價(jià)鍵中的價(jià)電子，使其獲得足夠的能量，擺脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì),稱為雪崩擊穿

。6.2.4PN結(jié)的反向擊穿反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)反向電壓達(dá)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)

雪崩擊穿和齊納擊穿統(tǒng)稱為電擊穿。電擊穿是可逆的，只要反向電壓降低后，仍可恢復(fù)原狀。但是，在發(fā)生電擊穿后，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧蜁?huì)因電流大和電壓高，PN結(jié)消耗很大的功率，產(chǎn)生熱量，使PN結(jié)過(guò)熱造成永性的損壞，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。電擊穿往往為人們利用(如穩(wěn)壓管二極管)，而熱擊穿必須避免。反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)雪崩擊穿和齊納擊穿統(tǒng)稱為電擊穿。但是6.3半導(dǎo)體二極管（Diode）6.3.1二極管的結(jié)構(gòu)按所用材料分，有硅二極管和鍺二極管。按結(jié)構(gòu)分，主要有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型等。點(diǎn)接觸型允許通過(guò)的電流也小。但它們的結(jié)電容小，可以在高頻下工作，適用于高頻電路。面接觸型可通過(guò)較大的電流，但結(jié)電容也大，宜作低頻整流。6.3半導(dǎo)體二極管（Diode）6.3.1二極管的結(jié)構(gòu)6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：鍺二極管2AP15的伏安特性：1.正向特性:二極管作用正向電壓的伏安特性曲線

死區(qū)正向?qū)▍^(qū)Vth

Vth：門(mén)坎電壓或死區(qū)電壓硅管的Vth約為0.5V，鍺管的Vth約為0.1V。Von：導(dǎo)通電壓，硅管的Von≈0.6～0.8V，通常取固定值0.7V；鍺管的Von≈0.2～0.3V，通常取固定值0.2V。6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：鍺二極管2AP15的伏安特性：２.反向特性:二極管作用反向電壓且PN結(jié)未反向擊穿的伏安特性曲線二極管作用反向電壓且PN結(jié)未反向擊穿的伏安特性曲線。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)Vth

硅二極管的IS<0.1μA（微安），鍺二極管的IS大略是幾十個(gè)微安。反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：鍺二極管2AP15的伏安特性：３.反向擊穿特性:死區(qū)正向?qū)▍^(qū)Vth

反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)對(duì)應(yīng)于二極管的PN結(jié)反向擊穿（電擊穿）。6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：4.二極管的溫度特性在環(huán)境溫度升高時(shí)，熱量激發(fā)半導(dǎo)體的少數(shù)載流子，使二級(jí)管的正向特性左移，反向特性下移。在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降減少2～2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。4.二極管的溫度特性在環(huán)境溫度升高時(shí)，熱量激發(fā)半導(dǎo)體的少6.3.3二極管的主要參數(shù)1．最大平均整流電流IFIF是指二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。2．最高反向工作電壓VR

VR是二極管所允許的最大反向工作電壓，通常是反向擊穿電壓的一半。為了安全運(yùn)行，實(shí)際工作電壓應(yīng)小于VR。3．反向電流IRIR是二極管未反向擊穿時(shí)的反向電流，近似等于PN結(jié)的反向飽和電流。IR受溫度影響大。即溫度增加，IR也增加。4．極間電容Cj或最高工作頻率fm極間電容Cj包括二極管的PN結(jié)電容和電極引線電容。6.3.3二極管的主要參數(shù)1．最大平均整流電流IFIF是6.4二極管電路分析方法二極管的伏安特性近似為PN結(jié)的伏安特性：6.4.1圖解法例6.1已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)的粗實(shí)線所示，試求圖(b)電路中二極管的電流和電壓。

Di/mA

Dv/V

o

0.5

1.0

1.5

2.0

0.5

1.0

1.5

（a）

Q

6.4二極管電路分析方法二極管的伏安特性近似為PN結(jié)的伏

Di/mA

Dv/V

o

0.5

1.0

1.5

2.0

0.5

1.0

1.5

（a）

Q

例6.1已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)的粗實(shí)線所示，試求圖(b)電路中二極管的電流和電壓。解：由電路得：（mA）上式中的單位是mA，的單位是V。

直流負(fù)載線與二極管特性曲線的交點(diǎn)Q（VDQ，IDQ）既是解，即:

由于電路僅有直流電壓源，所以電路中的電流和電壓都是直流量，不隨時(shí)間變化，稱為靜態(tài)。Q點(diǎn)稱為二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。直流負(fù)載線

Di/mADv/Vo0.51.01.52.0(b)解：當(dāng)時(shí)，是直流負(fù)載線

直流負(fù)載線與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)，解為例6.2電路如圖(b)所示。已知V，二極管的伏安特性如圖（a）所示。試求二極管的電流和電壓。(b)解：當(dāng)時(shí)，是直流負(fù)載線當(dāng)時(shí)，)(2.0)2.01(mAviDD-+=

直線與縱軸的截距是1.2mA，斜率與直流負(fù)載線相同，如圖中的直線②。與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)是A點(diǎn)，解為:當(dāng)時(shí)，直線與縱軸的截距是0.8mA，斜率與直流負(fù)載線相同，如圖6.4.3中的直線③。與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)是B點(diǎn)，解為綜上所述，二極管的電流和電壓分別是:當(dāng)時(shí)，)(2.0)2.01(m6.4.2小信號(hào)模型法小信號(hào)模型法用于求解非線性元件在靜態(tài)工作附近的電流和電壓的交流分量。設(shè)二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q的坐標(biāo)為（VDQ，IDQ）。二極管電流在靜態(tài)工作點(diǎn)處的微分是:在電路中，微分量就是交流量。故用交流電流替換，用交流電壓替換，得:6.4.2小信號(hào)模型法小信號(hào)模型法用于求解非線性元件在靜態(tài)

在靜態(tài)工作點(diǎn)附近，二極管的交流電流與交流電壓成正比，可用一個(gè)電阻模擬其特性:

rd稱為二極管的交流等效電阻或動(dòng)態(tài)電阻，它與二極管的靜態(tài)電流IDQ和環(huán)境溫度有關(guān)。

小信號(hào)模型則是模擬非線性元件在靜態(tài)工作點(diǎn)附近電流和電壓微變量關(guān)系的等效模型。在靜態(tài)工作點(diǎn)附近，二極管的交流電流與交流電壓例6.3試求圖中二極管的交流電流和交流電壓,已知V。解：交流通路（電路）：交流電流流通的路徑。由于直流電源的端電壓固定不變，所以交流電流通過(guò)直流電源引起的端電壓變化量為零，在交流通路中相當(dāng)于對(duì)交流電流短路。已在例6.2中求出二極管的靜態(tài)電流IDQ=0.85mA，則由圖（b）電路，得與例6.2比較，交流電流誤差很小，但交流電壓誤差卻較大。主要原因是圖解法的作圖精度不高造成的。交流通路等效電路例6.3試求圖中二極管的交流電流和交流電壓,已知

當(dāng)信號(hào)頻率小于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)的電容效應(yīng)不明顯，二極管等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。

當(dāng)信號(hào)頻率大于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)具有明顯的電容效應(yīng)。二極管的小信號(hào)模型修正為PN結(jié)電容與動(dòng)態(tài)電阻并聯(lián)。二極管的低頻小信號(hào)模型二極管的高頻小信號(hào)模型當(dāng)信號(hào)頻率小于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)的電容效應(yīng)不6.4.3分段線性模型法二極管的分段線性模型有理想模型、恒壓降模型和折線模型。理想模型（d）反向偏置模型（a）伏安特性逼近（b）代表符號(hào)（c）正向偏置模型當(dāng)實(shí)際二極管所在回路的電壓遠(yuǎn)大于正向?qū)妷海ㄍǔＪ莾烧咧却笥?0）時(shí)，可采用理想二極管模型。6.4.3分段線性模型法二極管的分段線性模型有理想模型、恒2．恒壓降模型

恒壓降模型：伏安特性等效為一個(gè)理想二極管與一個(gè)直流電壓源Von的串聯(lián)。小功率硅管的Von≈0.6～0.8V，通常取固定值0.7V；小功率鍺管的Von≈0.2～0.3V，通常取固定值0.2V。當(dāng)實(shí)際二極管所在回路的總電阻（不含二極管）遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電阻（通常是兩者之比大于10）時(shí)，可采用恒壓降模型。2．恒壓降模型恒壓降模型：伏安特性等效為一個(gè)理想二極管與３.折線模型折線模型:伏安特性等效為一個(gè)理想二極管、一個(gè)直流電壓源Vth和一個(gè)電阻串聯(lián)rD。硅管的Vth約為0.5V，鍺管的Vth約為0.1V；rD稱為導(dǎo)通電阻，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓對(duì)應(yīng)的電流為Ion，則導(dǎo)通電阻rD近似為：當(dāng)實(shí)際二極管所在回路的總電阻（不含二極管）與導(dǎo)通電阻相當(dāng)（通常是兩者之比小于10）時(shí)，可采用折線模型。３.折線模型折線模型:伏安特性等效為一個(gè)理想二極管、一個(gè)直流例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示，試用分段線性模型求圖(b)電路中二極管的電流和電壓并比較誤差。

解：由圖可知，二極管是硅管，且承受正向電壓。(1)采用理想模型計(jì)算例１：Q的坐標(biāo)是（0.75，0.85）與圖解法的結(jié)果比較，電流的相對(duì)誤差為電流誤差較大。這是因?yàn)榛芈冯妷海?V）與二極管的導(dǎo)通電壓（0.7V）之比小于10，故本例不宜采用理想模型。例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示２.采用恒壓降模型計(jì)算例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示，試用分段線性模型求圖(b)電路中二極管的電流和電壓并比較誤差。

解：由圖可知，二極管是硅管，且承受正向電壓。例１：Q的坐標(biāo)是（0.75，0.85）與圖解法的結(jié)果比較，電流的相對(duì)誤差為

電流誤差可以接受。這是因?yàn)榛芈冯娮瑁?k）與二極管的導(dǎo)通電阻（0.25k,見(jiàn)下文）之比大于10，故本例采用恒壓降模型可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。２.采用恒壓降模型計(jì)算例6.4已知二極管的伏安特性曲線如例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示，試用分段線性模型求圖(b)電路中二極管的電流和電壓并比較誤差。

解：由圖可知，二極管是硅管，且承受正向電壓。例１：Q的坐標(biāo)是（0.75，0.85）3.采用折線模型計(jì)算由伏安特性曲線可知，導(dǎo)通電壓對(duì)應(yīng)的電流約為0.8mA。與圖解法的結(jié)果比較，電流的相對(duì)誤差為電流誤差與恒壓降模型相近，但計(jì)算比采用恒壓降模型復(fù)雜。在實(shí)際計(jì)算中通常采用恒壓降模型計(jì)算二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示6.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管、發(fā)光二極管和激光二極管6.5.1穩(wěn)壓二極管

PN結(jié)電擊穿后其反向電壓基本不隨反向電流變化，具有電壓穩(wěn)定的作用。Vz0：反向擊穿電壓rZ是AB段斜率的倒數(shù)，稱為穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻。反向擊穿區(qū)6.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管、發(fā)光穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓Vz：指工作在反向擊穿區(qū)時(shí)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定工作電壓，對(duì)應(yīng)于伏安特性圖中的Vz0。齊納二極管的Vz通常小于4V，雪崩二極管的Vz通常大于7V。（2）穩(wěn)定電流Iz：（3）額定功耗Pz：額定功耗等于穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流之積（Pz=VzIz(max)）。如果穩(wěn)定電流超過(guò)最大穩(wěn)定電流Iz(max)或?qū)嶋H耗散功率大于Pz，則穩(wěn)壓管的PN結(jié)就會(huì)被熱擊穿，造成永久損壞。穩(wěn)壓管正常擊穿穩(wěn)壓時(shí)的反向電流，對(duì)應(yīng)于圖中的Iz(min)。反向工作電流大于Iz穩(wěn)壓管才能穩(wěn)壓。（4）動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rZ：（5）溫度系數(shù)αz：rZ是穩(wěn)壓管正常擊穿時(shí)端電壓變化量ΔVz與相應(yīng)反向電流變化量ΔIz之比，其值愈小，反向擊穿特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能愈好。表示溫度每變化1oC引起的穩(wěn)定電壓變化量。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓Vz：指工作在反向擊穿區(qū)例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管參數(shù)為：Vz0=6V，Iz(min)=5mA，Iz(max)=25mA，rZ=30Ω。試求穩(wěn)壓管的電流、輸出電壓和動(dòng)態(tài)輸出電阻，畫(huà)出等效電路。解：由圖(a)電路知，穩(wěn)壓管反向擊穿穩(wěn)壓。穩(wěn)壓管電流的直流電流分量為：輸出電壓的直流分量為：當(dāng)直流分量VI=0，VZ0=0時(shí)，穩(wěn)壓管電流的交流電流分量為：輸出電壓的交流分量為：方法１：疊加原理（教材，不推薦）例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管的總電流為：總的輸出電壓為：Iz(min)=5mA<

<Iz(max)=25mA，故穩(wěn)壓管可以穩(wěn)壓在全部獨(dú)立源不作用時(shí)，可求得動(dòng)態(tài)輸出電阻：穩(wěn)壓管的總電流為：總的輸出電壓為：Iz(min)=5mA<例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管參數(shù)為：Vz0=6V，Iz(min)=5mA，Iz(max)=25mA，rZ=30Ω。試求穩(wěn)壓管的電流、輸出電壓和動(dòng)態(tài)輸出電阻，畫(huà)出等效電路。方法２：支路電流法（推薦*

）6.5.2變?nèi)荻O管利用PN結(jié)電容效應(yīng)的二極管，稱為變?nèi)荻O管（VaricapDiode）或調(diào)諧二極管（TuningDiode）。例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管6.5.4光電二極管光電二極管(Photodiode)是一種光探測(cè)器，能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電流或電壓。其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是光電二極管的制造和封裝允許光照射到PN結(jié)上。

無(wú)光照射時(shí)，光電二極管的伏安特性與普通二極管相同，反向飽和電流很小，稱為暗電流。

有光照射時(shí)，光子在PN結(jié)的耗盡區(qū)激發(fā)電子-空穴對(duì)，光電流（反向飽和電流）增加，特性曲線下移。照度愈大，光電流越大。當(dāng)正向電壓很小時(shí)，光電流大于PN結(jié)正向電流，光電二極管的電流為負(fù)。當(dāng)正向電壓較大，光電流小于PN結(jié)正向電流，光電二極管的電流為為正。6.5.4光電二極管光電二極管(Photodiode)是一由于光電二極管的伏安特性明顯地分布在3個(gè)象限，所以有3種工作模式。

光電二極管工作在伏安特性的第3象限，吸收電功率。

當(dāng)光電二極管承受反向壓降時(shí)，光照度越大，光電流越大，反向?qū)щ娔芰υ綇?qiáng).光電導(dǎo)模式可以用于檢測(cè)光強(qiáng)。１.光電導(dǎo)模式（Photoconductivemode）由于光電二極管的伏安特性明顯地分布在3個(gè)象限，所以有3種工作2.光電池模式（Photovoltaicmode）

光電二極管工作在伏安特性的第4象限，發(fā)出電功率（光能轉(zhuǎn)換為電能）。

當(dāng)光電二極管承受零偏壓時(shí)，光照度越大，光電流越大，輸出的功率越大，光電池模式可用作太陽(yáng)能電池。2.光電池模式（Photovoltaicmode）3.正向?qū)Ｊ?/p>

光電二極管工作在伏安特性的第1象限，吸收電功率。

當(dāng)光電二極管的正向偏置電壓較大時(shí)，PN結(jié)完全導(dǎo)通，與普通二極管的正向?qū)ㄏ嗨啤?.正向?qū)Ｊ焦怆姸O管工作在伏安特性的第1象限，6.5.3發(fā)光二極管光效率與半導(dǎo)體材料有關(guān)，硅和鍺材料發(fā)光效率很低，而砷化鎵材料的發(fā)光效率高。所以，發(fā)光二極管主要由砷化鎵等化合物半導(dǎo)體材料制成。在正向電壓作用下，P區(qū)的空穴、N區(qū)的電子被驅(qū)趕到耗盡區(qū)，電子與空穴相遇復(fù)合，電子釋放能量，發(fā)出光子。6.5.3發(fā)光二極管光效率與半導(dǎo)體材料有關(guān)，硅和鍺材料發(fā)光發(fā)光二極管的顏色、導(dǎo)通壓降和半導(dǎo)體材料小功率LED主要用于光纖通信和用作指示器，如數(shù)碼管和LED顯示屏等，LED的正向?qū)娏鞔蠹s在2mA～20mA之間。目前，高功率LED的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)數(shù)百毫安，功率消耗在1W左右?？捎糜谡彰?，效率是白熾燈的10倍以上，是一種極有潛力的綠色光源。發(fā)光二極管的顏色、導(dǎo)通壓降和半導(dǎo)體材料小功率LED主要補(bǔ)充：二極管電路的典型應(yīng)用（1）整流電路（理想模型）補(bǔ)充：二極管電路的典型應(yīng)用（1）整流電路（理想模型）（２）限幅電路

例電路如圖(a)，R=1kΩ，VREF=3V，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)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。（b）理想模型（c）恒壓降模型（d）理想模型波形（e）恒壓降模型波形（２）限幅電路例電路如圖(a)，R=（３）開(kāi)關(guān)電路(接通或斷開(kāi))解：先斷開(kāi)D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，

即O點(diǎn)為0V。

則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)ā?/p>

導(dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。例：電路如圖所示，求AO兩點(diǎn)之間的電壓值.（３）開(kāi)關(guān)電路(接通或斷開(kāi))解：先斷開(kāi)D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，例

圖示為二極管開(kāi)關(guān)電路(門(mén)電路),利用理想模型分析當(dāng)vI1、vI2為0V或5V的不同組合時(shí)，輸出vo

的值。vI1

vI2

D1D2

vo

00導(dǎo)通導(dǎo)通

005

導(dǎo)通截止050

截止導(dǎo)通

055

截止截止

5解：vovI1vI2D1D2VCC=5V理想模型分析:例圖示為二極管開(kāi)關(guān)電路(門(mén)電路),利用理想模型分析當(dāng)例

:

下圖為二極管開(kāi)關(guān)電路(門(mén)電路),利用理想模型分析當(dāng)vI1、vI2為0V或5V的不同組合時(shí)，輸出vo

的值。vI1

vI2

D1D2

vo

00導(dǎo)通導(dǎo)通

005

截止導(dǎo)通550

導(dǎo)通截止

555

導(dǎo)通導(dǎo)通

5－12VvI1vI2D1D2例:下圖為二極管開(kāi)關(guān)電路(門(mén)電路),利用理VI因此，穩(wěn)壓管可以正常工作

例直流輸入電壓VI系由汽車(chē)

上鉛酸電池供電,電壓在12~13.6V之間波動(dòng)。負(fù)載為一移動(dòng)式9V半導(dǎo)體收音機(jī)，當(dāng)它的音量最大時(shí)，需供給的功率為0.5W。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：Vz=9V，Iz=10mA至IZ（max）=100mA，耗散功率為1W。限流電阻R的值為47。試分析此穩(wěn)壓電路能否正常工作。

解：(1)

檢驗(yàn)穩(wěn)壓管的最大電流(2)

檢驗(yàn)穩(wěn)壓管的最大耗散功率VI因此，穩(wěn)壓管可以正常工作例直流輸入電壓VI系由汽作業(yè)：6.2

6.4

6.6

6.8

6.9

6.15作業(yè)：6.2

6.4

6.6

6.8

6.96半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路6.1半導(dǎo)體材料6.3半導(dǎo)體二極管6.4二極管電路分析方法6.5特殊二極管6.2PN結(jié)的形成及特性6半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路6.1半導(dǎo)體材料6.3半半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

6.1半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。半導(dǎo)體材料的電學(xué)性質(zhì)對(duì)光、熱、電、磁等外界因素的變化十分敏感，在半導(dǎo)體材料中摻入少量雜質(zhì)可以控制這類(lèi)材料的電導(dǎo)率。正是利用半導(dǎo)體材料的這些性質(zhì)，才制造出功能多樣的半導(dǎo)體器件。半導(dǎo)體分為本征半導(dǎo)體、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。6.1半6.1.1本征半導(dǎo)體鍺：鍺在地殼中含量為0.0007%，較金、銀、鉑的含量均高，由于資源分散，增加了冶煉困難，屬于稀有元素一類(lèi)。鍺單晶可作晶體管，是第一代晶體管材料。6.1.1本征半導(dǎo)體鍺：6.1.1本征半導(dǎo)體硅：硅在地殼中的含量是除氧外最多的元素。地殼的主要部分都是由含硅的巖石層構(gòu)成的，這些巖石幾乎全部是由硅石和各種硅酸鹽組成。硅是一種半導(dǎo)體材料，可用于制作半導(dǎo)體器件和集成電路。6.1.1本征半導(dǎo)體硅：6.1.1本征半導(dǎo)體價(jià)電子最外層簡(jiǎn)化模型因此，在絕對(duì)溫度零度(即0K，相當(dāng)于-273℃)，且無(wú)外界激發(fā)時(shí)，本征半導(dǎo)體無(wú)自由電子，和絕緣體一樣不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。6.1.1本征半導(dǎo)體價(jià)電子最外層簡(jiǎn)化模型因此，在絕對(duì)本征硅晶體的結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征硅晶體的電子空穴對(duì)在室溫下，僅有少數(shù)價(jià)電子由于熱運(yùn)動(dòng)獲得足夠的能量，掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子（稱為熱激發(fā)），并在相應(yīng)的共價(jià)鍵中留下空穴，自由電子和空穴總是相伴而生，成對(duì)出現(xiàn)，稱之為電子-空穴對(duì)。本征硅晶體的結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4本空穴等效為一個(gè)帶正電荷的粒子，其電荷量與電子相同。在電場(chǎng)作用下可以形成電流的帶電粒子稱為載流子，故電子和空穴都是載流子。硅原子形成晶格結(jié)構(gòu)，即使電離也不能作定向運(yùn)動(dòng)形成電流，不是載流子。除了熱激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)外，光照也能激發(fā)電子空穴對(duì)，進(jìn)而影響本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力?？昭ǖ刃橐粋€(gè)帶正電荷的粒子，其電荷量與電子相同。在電按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。6.1.2N型半導(dǎo)體

在硅(或鍺)晶體中摻入少量的5價(jià)元素，如磷（P）,則硅晶體中某些位置的硅原子被磷原子代替。雜質(zhì)元素電離成帶正電的離子。正離子被共價(jià)鍵束縛在晶格上，不能做定向運(yùn)動(dòng)而形成電流。在摻入施主雜質(zhì)元素的半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“多子”，空穴是少數(shù)載流子，簡(jiǎn)稱“少子”。稱為電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。

按摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，統(tǒng)稱為雜6.1.3P型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價(jià)元素，如硼（B）或鋁（Al），則硅晶體中某些位置的硅原子被硼原子代替。空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。稱為空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體6.2PN結(jié)的形成及特性單獨(dú)的N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性沒(méi)有方向性，即對(duì)電流的流向沒(méi)有選擇性。采用一定的摻雜工藝，將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在2種半導(dǎo)體的交界面就形成PN結(jié)。PN結(jié)對(duì)電流的流向有選擇性，稱為PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴?.1.3P型半導(dǎo)體在硅(或鍺)晶體中摻入少量的3價(jià)6.2.1PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):由于濃度差異不同引起的粒子轉(zhuǎn)移。耗盡區(qū),勢(shì)壘區(qū)，空間電荷區(qū):

在交界面附近，空穴與電子相遇而復(fù)合，載流子消失，出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子組成的空間電荷區(qū)。漂移運(yùn)動(dòng)：少數(shù)載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)形成漂移電流。6.2.1PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):由于濃度差異不同引起的粒子6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓

圖6.2.2PN結(jié)作用正向電壓

內(nèi)電場(chǎng)E

漂移電流

擴(kuò)散電流

V0

x

o

電位

V

VF

R

IF

電源的正極接P區(qū)，電源的負(fù)極接N區(qū)，稱為PN結(jié)正向偏置。內(nèi)電場(chǎng)因與外電場(chǎng)相反而受到削弱，使空間電荷區(qū)變窄，有利于多子的擴(kuò)散而不利于少子的漂移。加上不大的正向電壓，就可產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流，為避免燒壞PN結(jié)，回路中應(yīng)串入電阻R限流。6.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓圖6.2.2.外加反向電壓電源的正極接N區(qū)，電源負(fù)極接P區(qū)，稱為PN結(jié)反向偏置。

PN結(jié)反向偏置時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)因與外電場(chǎng)方向相同而增強(qiáng)，使空間電荷區(qū)變寬，阻礙多子的擴(kuò)散而有利于少子的漂移。由于少子數(shù)量很小，反向電流也很小。并且，在溫度一定的情況下，少子的濃度也是一定的，導(dǎo)致反向電流在一定范圍內(nèi)基本上不隨外加電壓變化，這種特性稱為反向電流的飽和特性。反向飽和電流，記為IS2.外加反向電壓電源的正極接N區(qū)，電源負(fù)極接P區(qū)，稱為3．PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性是指數(shù)函數(shù)：電流和電壓的參考方向都是由P區(qū)指向N區(qū)，反向飽和電流IS小于10nA(1nA=10-9A)。VT是溫度當(dāng)量電壓。VT與溫度的關(guān)系是：T是熱力學(xué)溫度（0K=-273oC），q（=1.6×10-9C）是電子電荷,k（=1.38×10-23J/K）是波爾茲曼常數(shù)。在室溫下（T=27oC=300K），VT=26mV。PN結(jié)的伏安特性曲線：死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)3．PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)的伏安特性是指數(shù)函數(shù)：電流和6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)電荷的空間積累和消散就是電容效應(yīng)。1.勢(shì)壘電容PN結(jié)正向偏置時(shí)，使空間電荷區(qū)變窄，電荷量減少；PN結(jié)反向偏置時(shí)，使空間電荷區(qū)變寬，電荷量增加。PN結(jié)空間電荷區(qū)的電荷積累和消散所等效的電容稱為勢(shì)壘電容，記為Cb。6.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)電荷的空間積累和消散就是電容2.擴(kuò)散電容當(dāng)外加正向電壓時(shí)，P區(qū)的空穴擴(kuò)散穿過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)N區(qū)的邊界，成為N區(qū)的少子；N區(qū)的電子擴(kuò)散穿過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)P區(qū)的邊界，成為P區(qū)的少子。于是，P區(qū)積累(存入)大量的電子（少子），N區(qū)存入大量的空穴（少子），它們統(tǒng)稱為存儲(chǔ)電荷（或非平衡少子）。正向電流變化，存儲(chǔ)電荷也變化，等效為電容元件的充放電，其等效電容稱為擴(kuò)散電容，記為Cd。PN結(jié)總的等效結(jié)電容是勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容之和，即2.擴(kuò)散電容當(dāng)外加正向電壓時(shí)，P區(qū)的空穴擴(kuò)散穿過(guò)耗盡區(qū)到達(dá)N6.2.4PN結(jié)的反向擊穿反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)反向電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，反向電流激增，這種現(xiàn)象稱為反向擊穿。發(fā)生反向擊穿對(duì)應(yīng)的反向電壓稱為反向擊穿電壓，記為VBR。PN結(jié)反向擊穿的機(jī)理分為齊納擊穿和雪崩擊穿：當(dāng)摻雜濃度很高，耗盡層寬度很窄時(shí)，在不大的反向電壓作用下，形成很強(qiáng)的內(nèi)電場(chǎng)(2×107V/m)，直接將價(jià)電子從原子的共價(jià)鍵中“拉”出來(lái)，產(chǎn)生大量的電子-空穴對(duì)，于是反向電流急劇增大，這種擊穿稱為“齊納擊穿”。當(dāng)摻雜濃度較低時(shí)，耗盡層寬度較寬，內(nèi)電場(chǎng)較小，不能發(fā)生齊納擊穿。但是，當(dāng)反向電壓達(dá)到足夠大時(shí)，內(nèi)電場(chǎng)使來(lái)自P區(qū)的電子的漂移速度不斷增加，獲得足夠的動(dòng)能，撞擊共價(jià)鍵中的價(jià)電子，使其獲得足夠的能量，擺脫共價(jià)鍵的束縛，產(chǎn)生電子-空穴對(duì),稱為雪崩擊穿

。6.2.4PN結(jié)的反向擊穿反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)當(dāng)反向電壓達(dá)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)

雪崩擊穿和齊納擊穿統(tǒng)稱為電擊穿。電擊穿是可逆的，只要反向電壓降低后，仍可恢復(fù)原狀。但是，在發(fā)生電擊穿后，如果沒(méi)有適當(dāng)?shù)南蘖鞔胧?，就?huì)因電流大和電壓高，PN結(jié)消耗很大的功率，產(chǎn)生熱量，使PN結(jié)過(guò)熱造成永性的損壞，這種現(xiàn)象稱為熱擊穿。電擊穿往往為人們利用(如穩(wěn)壓管二極管)，而熱擊穿必須避免。反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)雪崩擊穿和齊納擊穿統(tǒng)稱為電擊穿。但是6.3半導(dǎo)體二極管（Diode）6.3.1二極管的結(jié)構(gòu)按所用材料分，有硅二極管和鍺二極管。按結(jié)構(gòu)分，主要有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型等。點(diǎn)接觸型允許通過(guò)的電流也小。但它們的結(jié)電容小，可以在高頻下工作，適用于高頻電路。面接觸型可通過(guò)較大的電流，但結(jié)電容也大，宜作低頻整流。6.3半導(dǎo)體二極管（Diode）6.3.1二極管的結(jié)構(gòu)6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：鍺二極管2AP15的伏安特性：1.正向特性:二極管作用正向電壓的伏安特性曲線

死區(qū)正向?qū)▍^(qū)Vth

Vth：門(mén)坎電壓或死區(qū)電壓硅管的Vth約為0.5V，鍺管的Vth約為0.1V。Von：導(dǎo)通電壓，硅管的Von≈0.6～0.8V，通常取固定值0.7V；鍺管的Von≈0.2～0.3V，通常取固定值0.2V。6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：鍺二極管2AP15的伏安特性：２.反向特性:二極管作用反向電壓且PN結(jié)未反向擊穿的伏安特性曲線二極管作用反向電壓且PN結(jié)未反向擊穿的伏安特性曲線。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)Vth

硅二極管的IS<0.1μA（微安），鍺二極管的IS大略是幾十個(gè)微安。反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：鍺二極管2AP15的伏安特性：３.反向擊穿特性:死區(qū)正向?qū)▍^(qū)Vth

反向截止區(qū)反向擊穿區(qū)對(duì)應(yīng)于二極管的PN結(jié)反向擊穿（電擊穿）。6.3.2二極管的伏安特性硅二極管2CP10的伏安特性：4.二極管的溫度特性在環(huán)境溫度升高時(shí)，熱量激發(fā)半導(dǎo)體的少數(shù)載流子，使二級(jí)管的正向特性左移，反向特性下移。在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降減少2～2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。4.二極管的溫度特性在環(huán)境溫度升高時(shí)，熱量激發(fā)半導(dǎo)體的少6.3.3二極管的主要參數(shù)1．最大平均整流電流IFIF是指二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許通過(guò)的最大正向平均電流。2．最高反向工作電壓VR

VR是二極管所允許的最大反向工作電壓，通常是反向擊穿電壓的一半。為了安全運(yùn)行，實(shí)際工作電壓應(yīng)小于VR。3．反向電流IRIR是二極管未反向擊穿時(shí)的反向電流，近似等于PN結(jié)的反向飽和電流。IR受溫度影響大。即溫度增加，IR也增加。4．極間電容Cj或最高工作頻率fm極間電容Cj包括二極管的PN結(jié)電容和電極引線電容。6.3.3二極管的主要參數(shù)1．最大平均整流電流IFIF是6.4二極管電路分析方法二極管的伏安特性近似為PN結(jié)的伏安特性：6.4.1圖解法例6.1已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)的粗實(shí)線所示，試求圖(b)電路中二極管的電流和電壓。

Di/mA

Dv/V

o

0.5

1.0

1.5

2.0

0.5

1.0

1.5

（a）

Q

6.4二極管電路分析方法二極管的伏安特性近似為PN結(jié)的伏

Di/mA

Dv/V

o

0.5

1.0

1.5

2.0

0.5

1.0

1.5

（a）

Q

例6.1已知二極管的伏安特性曲線如圖(a)的粗實(shí)線所示，試求圖(b)電路中二極管的電流和電壓。解：由電路得：（mA）上式中的單位是mA，的單位是V。

直流負(fù)載線與二極管特性曲線的交點(diǎn)Q（VDQ，IDQ）既是解，即:

由于電路僅有直流電壓源，所以電路中的電流和電壓都是直流量，不隨時(shí)間變化，稱為靜態(tài)。Q點(diǎn)稱為二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。直流負(fù)載線

Di/mADv/Vo0.51.01.52.0(b)解：當(dāng)時(shí)，是直流負(fù)載線

直流負(fù)載線與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)是靜態(tài)工作點(diǎn)，解為例6.2電路如圖(b)所示。已知V，二極管的伏安特性如圖（a）所示。試求二極管的電流和電壓。(b)解：當(dāng)時(shí)，是直流負(fù)載線當(dāng)時(shí)，)(2.0)2.01(mAviDD-+=

直線與縱軸的截距是1.2mA，斜率與直流負(fù)載線相同，如圖中的直線②。與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)是A點(diǎn)，解為:當(dāng)時(shí)，直線與縱軸的截距是0.8mA，斜率與直流負(fù)載線相同，如圖6.4.3中的直線③。與二極管伏安特性曲線的交點(diǎn)是B點(diǎn)，解為綜上所述，二極管的電流和電壓分別是:當(dāng)時(shí)，)(2.0)2.01(m6.4.2小信號(hào)模型法小信號(hào)模型法用于求解非線性元件在靜態(tài)工作附近的電流和電壓的交流分量。設(shè)二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q的坐標(biāo)為（VDQ，IDQ）。二極管電流在靜態(tài)工作點(diǎn)處的微分是:在電路中，微分量就是交流量。故用交流電流替換，用交流電壓替換，得:6.4.2小信號(hào)模型法小信號(hào)模型法用于求解非線性元件在靜態(tài)

在靜態(tài)工作點(diǎn)附近，二極管的交流電流與交流電壓成正比，可用一個(gè)電阻模擬其特性:

rd稱為二極管的交流等效電阻或動(dòng)態(tài)電阻，它與二極管的靜態(tài)電流IDQ和環(huán)境溫度有關(guān)。

小信號(hào)模型則是模擬非線性元件在靜態(tài)工作點(diǎn)附近電流和電壓微變量關(guān)系的等效模型。在靜態(tài)工作點(diǎn)附近，二極管的交流電流與交流電壓例6.3試求圖中二極管的交流電流和交流電壓,已知V。解：交流通路（電路）：交流電流流通的路徑。由于直流電源的端電壓固定不變，所以交流電流通過(guò)直流電源引起的端電壓變化量為零，在交流通路中相當(dāng)于對(duì)交流電流短路。已在例6.2中求出二極管的靜態(tài)電流IDQ=0.85mA，則由圖（b）電路，得與例6.2比較，交流電流誤差很小，但交流電壓誤差卻較大。主要原因是圖解法的作圖精度不高造成的。交流通路等效電路例6.3試求圖中二極管的交流電流和交流電壓,已知

當(dāng)信號(hào)頻率小于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)的電容效應(yīng)不明顯，二極管等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻。

當(dāng)信號(hào)頻率大于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)具有明顯的電容效應(yīng)。二極管的小信號(hào)模型修正為PN結(jié)電容與動(dòng)態(tài)電阻并聯(lián)。二極管的低頻小信號(hào)模型二極管的高頻小信號(hào)模型當(dāng)信號(hào)頻率小于二極管的最高工作頻率時(shí)，PN結(jié)的電容效應(yīng)不6.4.3分段線性模型法二極管的分段線性模型有理想模型、恒壓降模型和折線模型。理想模型（d）反向偏置模型（a）伏安特性逼近（b）代表符號(hào)（c）正向偏置模型當(dāng)實(shí)際二極管所在回路的電壓遠(yuǎn)大于正向?qū)妷海ㄍǔＪ莾烧咧却笥?0）時(shí)，可采用理想二極管模型。6.4.3分段線性模型法二極管的分段線性模型有理想模型、恒2．恒壓降模型

恒壓降模型：伏安特性等效為一個(gè)理想二極管與一個(gè)直流電壓源Von的串聯(lián)。小功率硅管的Von≈0.6～0.8V，通常取固定值0.7V；小功率鍺管的Von≈0.2～0.3V，通常取固定值0.2V。當(dāng)實(shí)際二極管所在回路的總電阻（不含二極管）遠(yuǎn)大于二極管的導(dǎo)通電阻（通常是兩者之比大于10）時(shí)，可采用恒壓降模型。2．恒壓降模型恒壓降模型：伏安特性等效為一個(gè)理想二極管與３.折線模型折線模型:伏安特性等效為一個(gè)理想二極管、一個(gè)直流電壓源Vth和一個(gè)電阻串聯(lián)rD。硅管的Vth約為0.5V，鍺管的Vth約為0.1V；rD稱為導(dǎo)通電阻，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓對(duì)應(yīng)的電流為Ion，則導(dǎo)通電阻rD近似為：當(dāng)實(shí)際二極管所在回路的總電阻（不含二極管）與導(dǎo)通電阻相當(dāng)（通常是兩者之比小于10）時(shí)，可采用折線模型。３.折線模型折線模型:伏安特性等效為一個(gè)理想二極管、一個(gè)直流例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示，試用分段線性模型求圖(b)電路中二極管的電流和電壓并比較誤差。

解：由圖可知，二極管是硅管，且承受正向電壓。(1)采用理想模型計(jì)算例１：Q的坐標(biāo)是（0.75，0.85）與圖解法的結(jié)果比較，電流的相對(duì)誤差為電流誤差較大。這是因?yàn)榛芈冯妷海?V）與二極管的導(dǎo)通電壓（0.7V）之比小于10，故本例不宜采用理想模型。例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示２.采用恒壓降模型計(jì)算例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示，試用分段線性模型求圖(b)電路中二極管的電流和電壓并比較誤差。

解：由圖可知，二極管是硅管，且承受正向電壓。例１：Q的坐標(biāo)是（0.75，0.85）與圖解法的結(jié)果比較，電流的相對(duì)誤差為

電流誤差可以接受。這是因?yàn)榛芈冯娮瑁?k）與二極管的導(dǎo)通電阻（0.25k,見(jiàn)下文）之比大于10，故本例采用恒壓降模型可以得到準(zhǔn)確的結(jié)果。２.采用恒壓降模型計(jì)算例6.4已知二極管的伏安特性曲線如例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示，試用分段線性模型求圖(b)電路中二極管的電流和電壓并比較誤差。

解：由圖可知，二極管是硅管，且承受正向電壓。例１：Q的坐標(biāo)是（0.75，0.85）3.采用折線模型計(jì)算由伏安特性曲線可知，導(dǎo)通電壓對(duì)應(yīng)的電流約為0.8mA。與圖解法的結(jié)果比較，電流的相對(duì)誤差為電流誤差與恒壓降模型相近，但計(jì)算比采用恒壓降模型復(fù)雜。在實(shí)際計(jì)算中通常采用恒壓降模型計(jì)算二極管的靜態(tài)工作點(diǎn)。例6.4已知二極管的伏安特性曲線如圖中(a)的粗實(shí)線所示6.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管、發(fā)光二極管和激光二極管6.5.1穩(wěn)壓二極管

PN結(jié)電擊穿后其反向電壓基本不隨反向電流變化，具有電壓穩(wěn)定的作用。Vz0：反向擊穿電壓rZ是AB段斜率的倒數(shù)，稱為穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻。反向擊穿區(qū)6.5特殊二極管穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管、發(fā)光穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓Vz：指工作在反向擊穿區(qū)時(shí)穩(wěn)壓管的穩(wěn)定工作電壓，對(duì)應(yīng)于伏安特性圖中的Vz0。齊納二極管的Vz通常小于4V，雪崩二極管的Vz通常大于7V。（2）穩(wěn)定電流Iz：（3）額定功耗Pz：額定功耗等于穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流之積（Pz=VzIz(max)）。如果穩(wěn)定電流超過(guò)最大穩(wěn)定電流Iz(max)或?qū)嶋H耗散功率大于Pz，則穩(wěn)壓管的PN結(jié)就會(huì)被熱擊穿，造成永久損壞。穩(wěn)壓管正常擊穿穩(wěn)壓時(shí)的反向電流，對(duì)應(yīng)于圖中的Iz(min)。反向工作電流大于Iz穩(wěn)壓管才能穩(wěn)壓。（4）動(dòng)態(tài)內(nèi)阻rZ：（5）溫度系數(shù)αz：rZ是穩(wěn)壓管正常擊穿時(shí)端電壓變化量ΔVz與相應(yīng)反向電流變化量ΔIz之比，其值愈小，反向擊穿特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能愈好。表示溫度每變化1oC引起的穩(wěn)定電壓變化量。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓Vz：指工作在反向擊穿區(qū)例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管參數(shù)為：Vz0=6V，Iz(min)=5mA，Iz(max)=25mA，rZ=30Ω。試求穩(wěn)壓管的電流、輸出電壓和動(dòng)態(tài)輸出電阻，畫(huà)出等效電路。解：由圖(a)電路知，穩(wěn)壓管反向擊穿穩(wěn)壓。穩(wěn)壓管電流的直流電流分量為：輸出電壓的直流分量為：當(dāng)直流分量VI=0，VZ0=0時(shí)，穩(wěn)壓管電流的交流電流分量為：輸出電壓的交流分量為：方法１：疊加原理（教材，不推薦）例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管的總電流為：總的輸出電壓為：Iz(min)=5mA<

<Iz(max)=25mA，故穩(wěn)壓管可以穩(wěn)壓在全部獨(dú)立源不作用時(shí)，可求得動(dòng)態(tài)輸出電阻：穩(wěn)壓管的總電流為：總的輸出電壓為：Iz(min)=5mA<例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管參數(shù)為：Vz0=6V，Iz(min)=5mA，Iz(max)=25mA，rZ=30Ω。試求穩(wěn)壓管的電流、輸出電壓和動(dòng)態(tài)輸出電阻，畫(huà)出等效電路。方法２：支路電流法（推薦*

）6.5.2變?nèi)荻O管利用PN結(jié)電容效應(yīng)的二極管，稱為變?nèi)荻O管（VaricapDiode）或調(diào)諧二極管（TuningDiode）。例6.5電路如圖(a)所示。已知，穩(wěn)壓管6.5.4光電二極管光電二極管(Photodiode)是一種光探測(cè)器，能夠?qū)⒐廪D(zhuǎn)換成電流或電壓。其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是光電二極管的制造和封裝允許光照射到PN結(jié)上。

無(wú)光照射時(shí)，光電二極管的伏安特性與普通二極管相同，反向飽和電流很小，稱為暗電流。

有光照射時(shí)，光子在PN結(jié)的耗盡區(qū)激發(fā)電子-空穴對(duì)，光電流（反向飽和電流）增加，特性曲線下移。