模擬電路第三章

第3章二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)3.2

PN結(jié)的形成及特性3.3半導(dǎo)體二極管3.4二極管基本電路及其分析方法3.5特殊二極管3.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體3.1.1半導(dǎo)體材料

3.1.1

半導(dǎo)體材料

根據(jù)物質(zhì)導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，將物質(zhì)劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體：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。典型的半導(dǎo)體有：元素半導(dǎo)體（硅Si和鍺Ge等）；化合物半導(dǎo)體（砷化鎵

GaAs等）。

半導(dǎo)體的特點(diǎn):1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2.半導(dǎo)體受到外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化。3.在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇增強(qiáng)。

導(dǎo)體：具有大量自由電荷，電流容易通過的物質(zhì)。（一般金屬都是導(dǎo)體）絕緣體：隔絕電流，使電流不能通過的物質(zhì)。（如：橡膠、塑料、陶瓷、油脂等）半導(dǎo)體的特性：(1)摻雜特性。(摻入雜質(zhì)則導(dǎo)電率激增)(2)熱敏特性。(溫增則導(dǎo)電率顯增)(3)光敏特性。(光照可增加導(dǎo)電率、產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì))3.1.2-3本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)GeSi通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣，每個(gè)原子都處在正四面體的中心，而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4二、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子（即載流子），它的導(dǎo)電能力為0，相當(dāng)于絕緣體。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子2.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：

1.自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。

2.空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子空穴本征激發(fā)：復(fù)合：自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。

在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過程。空穴的出現(xiàn)使半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特征。形成自由電子、空穴對(duì)兩種載流子自由電子空穴兩種載流子的運(yùn)動(dòng)自由電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動(dòng)空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動(dòng)

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中自由電子、空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)（受溫度影響大）。3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體:

在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴

：多數(shù)載流子（多子）自由電子：少數(shù)載流子（少子）載流子數(shù)

空穴數(shù)1.P型半導(dǎo)體:在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體稱為P（空穴)型半導(dǎo)體。

空位很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因接受電子而稱為受主雜質(zhì)。2.N型半導(dǎo)體：N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)在硅（或鍺）的晶體內(nèi)摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體稱為N（電子)型半導(dǎo)體。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因失去電子而帶上正電荷成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。

摻入雜質(zhì)對(duì)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:

T=300K室溫下,本征硅的自由電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm33.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI=IP+INN型半導(dǎo)體I

INP型半導(dǎo)體I

IPEP型、N型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子（空穴）少數(shù)載流子（自由電子）正離子多數(shù)載流子（自由電子）少數(shù)載流子（空穴）N型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體動(dòng)畫（P的形成）動(dòng)畫（N的形成）3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2

PN結(jié)的形成

3.2.3

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散

3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：在電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。3.2.2PN結(jié)的形成1、PN結(jié)(PNJunction)的形成內(nèi)建電場(chǎng)

在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體。此時(shí)將在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

自由電子和空穴都是帶電的，它們擴(kuò)散的結(jié)果就使P區(qū)和N區(qū)中原來保持的電中性被破壞了。P區(qū)一邊失去空穴，留下了帶負(fù)電的雜質(zhì)離子，N區(qū)一邊失去自由電子，留下了帶正電的雜質(zhì)離子。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

PN結(jié)（空間電荷區(qū)），電子勢(shì)能（=–qVo）發(fā)生了變化，電子要從N區(qū)到P區(qū)必須越過一個(gè)能量高坡，一般稱為勢(shì)壘，因此又把空間電荷區(qū)稱為勢(shì)壘區(qū)。擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，

總電流

I=0。空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

動(dòng)畫(PN結(jié)的形成）P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)

外電場(chǎng)使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。

IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF

IF=I多子I少子

I多子（2）外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)

外電場(chǎng)使多子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IRIR=I少子

0動(dòng)畫（正偏）動(dòng)畫（反偏）動(dòng)畫（PN結(jié)單向）動(dòng)畫（單向）（1）外加正向電壓(正向偏置)—forwardbias3.2.3、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?+UR3、PN結(jié)的伏安（V-I)特性表達(dá)式反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電荷e=1.6×10-19C玻爾茲曼常數(shù)k=1.38×10-23J/K常溫下T=300(27C)：VT

=26mVOv

/VI

/mA正向特性反向擊穿

加正向電壓時(shí)，vD為正值，當(dāng)vD比VT大幾倍時(shí)，公式中的1可以忽略，則：加反向電壓時(shí)，vD

為負(fù)值，當(dāng)︱vD︱比VT大幾倍時(shí)，公式中的指數(shù)項(xiàng)趨近于零，則：i≈–IS自然對(duì)數(shù)的底e=2.71828·

·

·3.2.4、PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆iD

vD

VBRO

（講解二極管時(shí)講解）3.反向擊穿類型：電擊穿：PN結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。（可逆）熱擊穿：PN結(jié)燒毀。（不可逆）反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。(擊穿電壓

<6V，負(fù)溫度系數(shù)：即溫度升高，擊穿電壓降低

)雪崩擊穿：反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，通過碰撞產(chǎn)生自由電子—空穴對(duì)，使自由電子數(shù)突增。(擊穿電壓

>6V，正溫度系數(shù)：即溫度升高，擊穿電壓升高

)擊穿電壓在

6V

左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到齊納擊穿：在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，產(chǎn)生大量自由電子-空穴對(duì)，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?。雪崩擊?在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時(shí)被加速，動(dòng)能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子，會(huì)與中性原子的價(jià)電子相碰撞，將價(jià)電子撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生自由電子-空穴對(duì)。新產(chǎn)生的自由電子、空穴被強(qiáng)電場(chǎng)加速后，又會(huì)撞出新的自由電子、空穴對(duì)。

PN節(jié)的正向電流是由P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子的相互擴(kuò)散形成的,從P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴在N區(qū)存在著濃度差,靠近PN節(jié)近的空穴的濃度大，遠(yuǎn)離PN節(jié)近的空穴的濃度小。擴(kuò)散電容示意圖(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容CD:擴(kuò)散電容是ＰＮ結(jié)在正向電壓時(shí),多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生的。當(dāng)ＰＮ結(jié)加正向電壓時(shí),Ｎ區(qū)的電子擴(kuò)散到Ｐ區(qū),同時(shí)Ｐ區(qū)的空穴也向Ｎ區(qū)擴(kuò)散。顯然,在ＰＮ區(qū)交界處,載流子的濃度最高。由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),離交界處愈遠(yuǎn),載流子濃度愈低,這些擴(kuò)散的載流子,在擴(kuò)散區(qū)積累了電荷。若ＰＮ結(jié)正向電壓加大,則多數(shù)載流子擴(kuò)散加強(qiáng),擴(kuò)散區(qū)電荷量增加（相當(dāng)于電容充電）；反之,若正向電壓減少,則積累的電荷將減少（相當(dāng)于電容放電），這就是擴(kuò)散電容效應(yīng)CD。

3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)擴(kuò)散電容CD

；(2)勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容示意圖

(2)勢(shì)壘電容CB從電路上看，CB和結(jié)電阻并聯(lián)，反偏時(shí)結(jié)電阻很大，盡管CB很小，它的作用還是不能忽略；正偏時(shí)結(jié)電阻很小，盡管CB很大，它的作用相對(duì)來說反而比較小。勢(shì)壘電容CB:是由阻擋層內(nèi)空間電荷引起的。空間電荷區(qū)是由不能移動(dòng)的正負(fù)雜質(zhì)離子所形成的,均具有一定的電荷量,所以在ＰＮ結(jié)儲(chǔ)存了一定的電荷,當(dāng)外加電壓使阻擋層變寬時(shí),電荷量增加（相當(dāng)于電容充電）反之,外加電壓使阻擋層變窄時(shí),電荷量減少（相當(dāng)于電容放電）

。即阻擋層中的電荷量隨外加電壓變化而改變,形成了電容效應(yīng),稱為勢(shì)壘電容,用ＣB表示。

結(jié)論：1.低頻時(shí)，因PN結(jié)電容很小，容抗很大，對(duì)PN結(jié)影響很小。高頻時(shí)，因容抗減小，結(jié)電容分流作用增強(qiáng)，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?/p>

2.PN結(jié)面積較小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。影響工作頻率的原因—PN結(jié)的電容效應(yīng)3.3半導(dǎo)體二極管3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)3.3.2二極管的伏安特性3.3.3二極管的主要參數(shù)3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號(hào)：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型

二極管按結(jié)構(gòu)分三大類：(1)點(diǎn)接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安方程：電子電量玻爾茲曼常數(shù)VT

=26mV鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAvD/ViD

/mAvD/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020硅管的伏安特性動(dòng)畫（D伏安）當(dāng)T=300(27C)：反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量二極管的伏安特性O(shè)vD/ViD/mA正向特性Vth死區(qū)電壓iD

=0。Vth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)⑵當(dāng)VVth時(shí)iD急劇上升。⑴當(dāng)0V

Vth時(shí)

VD(on)

=(0.60.8)V硅管

0.7V(0.10.3)V鍺管

0.2V反向特性ISV(BR)反向擊穿⑴當(dāng)V(BR)

V0時(shí)，iD=IS

<0.1A(硅)

;幾十

A

(鍺)⑵當(dāng)︱V︱＞︱

V(BR)︱時(shí)，反向電流急劇增大(反向擊穿)1.正向特性2.反向特性二極管的導(dǎo)通壓降IS3.3.3二極管的主要參數(shù)1.IF：最大整流電流(最大正向平均電流)。2.VRM：最高反向工作電壓為V(BR)/2

。3.IR：反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?。4.fM：最高工作頻率(工作頻率超過fM時(shí)，單向?qū)щ娦宰儾?。iDvDV(BR)IFVRMO

PN結(jié)—單向?qū)щ娞匦裕ㄕ珜?dǎo)通）P+N內(nèi)建電場(chǎng)Elo+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場(chǎng)減弱多子擴(kuò)散>>少子漂移多子擴(kuò)散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流I

PN結(jié)—單向?qū)щ娞匦裕ǚ雌刂梗㏄+N內(nèi)建電場(chǎng)Elo-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場(chǎng)增強(qiáng)少子漂移>>多子擴(kuò)散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無(wú)關(guān)。溫度T電流IRPN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦浴？傊篜N結(jié)正向電阻小，反向電阻大。

二極管：一個(gè)PN結(jié)就是一個(gè)二極管。單向?qū)щ姡憾O管正極接電源正極，負(fù)極接電源負(fù)極時(shí)電流可以通過。反之電流不能通過。符號(hào)：3.4二極管電路的分析方法3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得

即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)二極管的V-I特性關(guān)系式為

3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符號(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型正偏導(dǎo)通，vD=0；反偏截止，

iD=0V(BR)=

圖a中的粗實(shí)線表示理想二極管的V–I特性，其中的虛線表示實(shí)際二極管的V–I特性。由圖可見，理想二極管在正向偏置時(shí)，其管壓降為0V，而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無(wú)窮大，電流為零。在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用理想模型來近似分析是可行的。（2）恒壓降模型vDiDVDvD=VD0.7V(Si)0.2V(Ge)

當(dāng)二極管導(dǎo)通后，認(rèn)為其管壓降是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V（Si為0.7V、Ge為0.2V）。不過這只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或大于1mA時(shí)才是正確的。VD+-（a）V-I特性（b）電路模型

（3）折線模型

為了較真實(shí)地描述二極管V-I特性，認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而增加，所以在模型中用一個(gè)電池和一個(gè)電阻rD來作進(jìn)一步的近似。這個(gè)電池的電壓選定為二極管的門坎電壓Vth，約為0.5V。至于rD的值，即當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，管壓降為0.7V時(shí)rD的值，于是rD的值可計(jì)算如下：

由于二極管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不變的。rDVthVI斜率1/rDVthvDiD（a）V-I特性（b）電路模型（4）小信號(hào)模型當(dāng)vs

=0時(shí),電路中只有直流量，Q點(diǎn)稱為靜態(tài)工作點(diǎn)（VD和ID），反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。

②當(dāng)vs=Vmsint（且Vm<<VDD）時(shí),在電路中串聯(lián)一個(gè)交流信號(hào)源vs

工作點(diǎn)將靜態(tài)工作點(diǎn)Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)Q’和Q”之間變化，將這一段V-I特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。過Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(gè)微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）（a）V-I特性（b）電路模型

二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。特別注意：

小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。2．模型分析法應(yīng)用舉例整流電路D+-+-RvOvi當(dāng)vi>0V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vi當(dāng)vi0V時(shí)，D截止，則vO=0V由此，利用二極管的單向?qū)щ娦?，?shí)現(xiàn)了半波整流。將交流電轉(zhuǎn)化成脈動(dòng)直流電。

若輸入信號(hào)為正弦波：

平均值：

VOt0vit0vO（a）電路圖例3.4.2二極管基本電路如下圖a所示，已知vs為正弦波。試?yán)枚O管理想模型，定性地繪出vo的波形。（b）vs和vo的波形解：畫輸出信號(hào)波形的方法根據(jù)輸入信號(hào)大小判斷二極管的導(dǎo)通與截止找出vO與vI關(guān)系畫輸出信號(hào)波形。設(shè)二極管是理想的，vi=6sint(V)，試畫vO波形。解：vi>2V時(shí)，D導(dǎo)通，則vO=vivi2V時(shí)，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

+-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026正半周：D1、D3導(dǎo)通D2、D4截止負(fù)半周：D2、D4導(dǎo)通D1、D3截止例3、求整流電路的輸出波形。解：例3.4.3

設(shè)簡(jiǎn)單硅二極管基本電路如下圖所示，R

=10k，分別用二極管理想模型、恒壓降模型和折線模型(設(shè)折線模型中rD=0.2kΩ)求出：（1）VDD=10V

。（2）VDD=1V

時(shí)ID

和VD

的值。2)靜態(tài)工作情況分析

DiD+-vDRVDDDiDVDDvD+-R習(xí)慣畫法[解](1)VDD=10V

①理想ID=VDD/R=10/10

=1(mA)VD=0V②恒壓降VD=0.7(V);ID=(VDD-VD)

/R=(10-0.7)/10

=0.93(mA)(2)VDD=1VVD=0.5V+IDrD

=0.5+0.931×0.2

=0.69(V)在電源電壓VDD

遠(yuǎn)大于二極管管壓降的情況下

，恒壓降模型能得出較合理的結(jié)果；但在電源電壓VDD

較低時(shí)，折線模型能提供較合理的結(jié)果。正確選擇器件的模型是電子工作者的基本技能。③折線①理想ID=VDD/R=1/10

=0.1(mA)VD=0V②恒壓降VD=0.7(V);ID=(VDD-VD)

/R=(10-0.7)/10

=0.03(mA)VD=0.51(V)③折線DiDVDDvD+-R理想模型VD+-恒壓降模型rDVth折線模型（3）限幅電路例3.4.4電路如圖，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。理想模型恒壓降模型理想模型vO波形恒壓降模型vO波形限幅電路(或削波電路）V2<vi<V1時(shí)，D1、D2截止,vo=vit0vit0vOViV1時(shí)，D1導(dǎo)通、D2截止,vo=V1

Vi

V2時(shí)，D2導(dǎo)通、D1截止,vo=V2

由此

，電路實(shí)現(xiàn)雙向限幅功能。vOvi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1為上門限電壓，V2為下門限電壓。V1-V2-V2V1簡(jiǎn)化分析法（估算法）即將電路中二極管用簡(jiǎn)化電路模型代替，利用所得到的簡(jiǎn)化電路進(jìn)行分析、求解。將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡(jiǎn)化電路模型替代，然后分析求解。判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實(shí)際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當(dāng)電路中存在多個(gè)二極管時(shí)，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。例1：判別二極管是導(dǎo)通還是截止。+9V-+1V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止+18V-+2V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-導(dǎo)通-9V+-1V+

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止例2、由二極管構(gòu)成的電路如圖所示，試判斷二極管導(dǎo)通或截止，并求出輸出電壓。有多個(gè)二極管時(shí)的判斷方法：

將二極管全部斷開，求出二極管的陽(yáng)極和陰極電位，若陽(yáng)極電位高于陰極電位則該管導(dǎo)通，否則截止。另外哪只管子承受的正向電壓高，則哪只管子先導(dǎo)通。判斷結(jié)果：D1導(dǎo)通，D2截止。VAO=0V斷開D1、D2，則D1（負(fù)極電位為-12V，正極電位為0）；D2（負(fù)極電位為-12V，正極電位為-15V）。故D1優(yōu)先導(dǎo)通，使UAO=0，迫使D2反偏截止。例3：設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K6V9V(b)圖(b)，假設(shè)D1、D2開路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V

由于VD2>VD1

，則D2優(yōu)先導(dǎo)通。此時(shí)VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

例3.4.5

二極管開關(guān)電路如下圖所示。當(dāng)vI1和vI2分別為0V或5V時(shí)，求vI1和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。5VvI1vI2二極管工作情況vOD1D20V0V0V5V5V0V5V5V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止0V0V0V5V4.7KΩD1D2Vcc5VvI1vI2習(xí)慣畫法vO+-+-vI1vI24.7KΩD1D2Vcc5V開關(guān)電路的理想模型vO+-（4）開關(guān)電路穩(wěn)壓電路某原因VOIZI限流電阻R：保證穩(wěn)壓管工作在Izmin~Izmax之間穩(wěn)壓原理：

VOVRVO=VZ（穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓）輸出電壓：D+-+-RRLILVIVOIZI+-+-ΔvIiDvD+-RVIiD=ID+ΔiDvD=VD+ΔvD5）低電壓穩(wěn)壓電源ΔiDR+-ΔvOrd+-ΔvI例.在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓VI的正常值為10V，R=10KΩ,若VI

變化±1V時(shí)，問相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？解：①當(dāng)

VI的正常值為10V，利用恒壓降模型，VD≈0.7V。可得Q點(diǎn)上的電流為②在此Q點(diǎn)上，二極管的微變電阻為③VI有±1V的波動(dòng)，可視為一峰-峰值為2V的交流信號(hào)作用于由R和rd組成的分壓器上,在rd上的分壓為：二極管電壓vD的變化范圍為±2.79mV。DiDVIvD+-R即vD的輸出電壓為700±2.79mV。(a)(c)(b)end6）小信號(hào)工作情況分析例3.4.6圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。補(bǔ)充：二極管的測(cè)試

在使用二極管前，應(yīng)先判斷二極管的好壞，可用指針式萬(wàn)用表歐姆檔的R×1k(或R×100)檔位（注意不要R×1(或R×10k)檔位，以免電流過大燒壞二極管）。首先將萬(wàn)用表?yè)艿綒W姆R×1k檔位，將兩個(gè)表筆短接，進(jìn)行調(diào)零。

具體判斷極性的做法是：

將紅、黑兩表筆接觸二極管兩端，表頭有一顯示，將紅、黑筆反過來再次接觸二極管兩端，表頭又將有一指示。若兩次指示的阻值相差很大，說明該二極管的單向?qū)щ娦院茫⑶易柚荡蟮哪谴渭t表筆所接為二極管的陽(yáng)極（指針式萬(wàn)用表黑表筆接表內(nèi)電池的正極，紅表筆接表內(nèi)電池的負(fù)極）。若相差很小，說明已經(jīng)失去了單向?qū)щ娦裕绻麅纱沃甘镜淖柚稻艽?，則說明該二極管已經(jīng)開路。需要注意的是：

如果用數(shù)字式萬(wàn)用表去測(cè)二極管時(shí)，紅表筆接二極管的正極，黑表筆接二極管的負(fù)極，此時(shí)測(cè)得的阻值才是二極管的正向?qū)ㄗ柚担@與指針式萬(wàn)用表的表筆接法剛好相反。解：若要判斷二極管是導(dǎo)通還是截止，則可先假設(shè)二極管移開，計(jì)算二極管的陽(yáng)極和陰極之間的電位差。若該電位差大于零，則表明二極管可能導(dǎo)通；若該電位差小于或等于零，則二極管截止。對(duì)于例2-1圖a所示電路，移開二極管后的電路如圖例2-1圖b所示，兩個(gè)二極管的陽(yáng)極和陰極之間的電位差分別為

故二極管D1