半導體二極管及其電路分析

半導體二極管及其電路分析第1頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四緒論自然界中的兩大類信息，模擬信息和數(shù)字信息都可以通過物理或化學的轉(zhuǎn)換方式變成電信號。數(shù)字信號：在時間和幅值上都是離散的信號。對模擬信號在一定的時間間隔上采樣，則模擬信號在時間上離散了；對各采樣值進行量化，則采樣信號幅度也離散了。處理數(shù)字信號的電子電路稱為數(shù)字電路或數(shù)字邏輯電路。模擬信號：在時間和幅值上都是連續(xù)的信號。 處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路。第2頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四溫度傳感（輸入）信號放大信號濾波控制執(zhí)行（輸出）功率放大數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)字邏輯電路模數(shù)轉(zhuǎn)換恒溫裝置模擬小信號電路數(shù)字電路非電子物理系統(tǒng)模擬大信號電路電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)的組成框圖第3頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四模擬電路特點

模擬電子技術是一門介紹電子器件、電子電路和電子技術應用的專業(yè)基礎課程，主要研究微小模擬信號的放大和功率控制等內(nèi)容。將電路理論擴展到包含有源器件（晶體管、場效應管、集成運放等）的電子電路中。概念性、工程性及實踐性強。第4頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

目錄第1章半導體二極管及其基本應用第2章半導體三極管及其基本應用第3章放大電路基礎第4章負反饋放大電路第5章集成運算放大器的應用第6章信號產(chǎn)生電路第7章直流穩(wěn)壓電源第5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四功放電路電源部分黑白電視機電源部分直流穩(wěn)壓電源實例第6頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四電源變壓器:

將交流電網(wǎng)電壓u1變?yōu)楹线m的交流電壓u2。整流電路:

將交流電壓u2變?yōu)槊}動的直流電壓u3。濾波電路:

將脈動直流電壓u3轉(zhuǎn)變?yōu)槠交闹绷麟妷簎4。穩(wěn)壓電路:

清除電網(wǎng)波動及負載變化的影響,保持輸出電壓

uo的穩(wěn)定。直流穩(wěn)壓電源的組成和功能整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路u1u2u3u4uo第7頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四一.半波整流電路u1u2aTbDRLuo+–利用具有單向?qū)щ娦阅艿恼髟缍O管等，將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動直流電的電路稱為整流電路。整流電路按輸入電源相數(shù)可分為單相整流電路和三相整流電路，按輸出波形又可分為半波整流電路和全波整流電路。目前廣泛使用的是橋式整流電路。第8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四二.橋式整流電路u1u2TD3D2D1D4RLuo組成：由四個二極管組成橋路RLD1D3D2D4u2uou2uo簡化電路二.橋式整流電路u1u2TD3D2D1D4RLuo第9頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四半導體二極管圖片第10頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1.2半導體二極管及其特性1.2.1二極管的結構與類型半導體二極管是由ＰＮ結加上引線和管殼構成的。二極管類型按制造材料分硅二極管鍺二極管按管子結構分點接觸型面接觸型—PN結面積很小，結電容很小，適合于高頻、小電流的場合，如用于高頻檢波及脈沖數(shù)字電路中的開關元件?！狿N結面積大，結電容也大，適合于低頻、大電流的場合，多用在低頻整流電路中。第11頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四陽極陰極半導體PN結外殼外殼底座底座陰極陽極半導體PN結點接觸型面接觸型二極管結構二極管符號箭頭表示正電流的流通方向第12頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四半導體有溫敏、光敏和摻雜等導電特性。根據(jù)物體導電能力，物質(zhì)可劃分導體和絕緣體。導體

絕緣體導電能力用電阻率(或電導率）來描述：導體＜10-4Ω/cm絕緣體＞109Ω/cm導體、絕緣體和半導體的劃分半導體1.1半導體的基礎知識第13頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四典型的半導體材料

元素 硅（Si）、鍺（Ge）化合物 砷化鎵（GaAs）摻雜元素或化合物 硼（B）、磷（P）半導體材料硅14—1s2，2s2，2p6，3s2，3p2鍺32—1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10，4s2，4p2+14原子核電子價電子硅的原子結構第14頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四晶體結構

半導體材料的原子形成有序的排列，鄰近原子之間由共價鍵連接，所以半導體是共價晶體。半導體器件也常稱為晶體管。

單晶與多晶—整塊晶體的晶格取向是否一致晶體與非晶體—原子結構排列是否有序第15頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1.1.1本征半導體

—純凈的晶體結構的半導體稱為本征半導體。須在單晶爐中提煉得到，純凈可達到99.99999％。每個原子周圍有四個相鄰的原子，原子之間通過共價鍵緊密結合在一起。兩個相鄰原子共用一對電子。第16頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四本征半導體導電機理在外界光照或加熱等情況下，共價鍵中的價電子由于獲得一定的能量,其中少數(shù)能夠擺脫共價鍵的束縛而成為自由電子,同時必然在共價鍵中留下空位（空穴）,這種現(xiàn)象稱為本征（熱）激發(fā)。1．本征激發(fā)由于自由電子帶負電，而本征半導體對外體現(xiàn)電中性，所以空穴帶正電。自由電子和空穴是同時產(chǎn)生，成對出現(xiàn)的。第17頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四2．復合在一定的外界條件下，自由電子在運動過程中與空穴相遇,使電子、空穴成對消失，這種現(xiàn)象稱為復合。新的空穴又會被鄰近的價電子填補。帶負電荷的自由電子依次填補空穴的運動，從效果上看，相當于帶正電荷的空穴作相反方向的運動。

有了空穴，鄰近共價鍵中的價電子很容易過來填補這個空穴，這樣空穴便轉(zhuǎn)移到鄰近共價鍵中。第18頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

電荷的定向移動形成電流，因此本征半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴在常溫下，本征半導體中載流子的濃度很低，因此其導電能力很弱。3．載流子及導電能力本征半導體中載流子的濃度，除了與半導體材料本身的性質(zhì)有關以外，還與溫度有關，而且隨著溫度的升高，基本上按指數(shù)規(guī)律增加。因此，半導體（載流子濃度）對溫度十分敏感。第19頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1.1.2雜質(zhì)半導體

在本征半導體中人為摻入微量元素作為雜質(zhì)，稱為雜質(zhì)半導體。摻雜是為了顯著改變半導體中的自由電子濃度或空穴濃度，以明顯提高半導體的導電性能。N型半導體

在純凈半導體硅或鍺中摻入磷、砷等5價元素，由于這類元素的原子最外層有5個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于存在多余的價電子而產(chǎn)生大量自由電子，這種半導體主要靠自由電子導電，稱為N型半導體（電子半導體），其中自由電子為多數(shù)載流子，本征（熱）激發(fā)形成的空穴為少數(shù)載流子。第20頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四自由電子

多數(shù)載流子（簡稱多子）空穴少數(shù)載流子（簡稱少子）多余價電子容易成為自由電子，可以參與導電。提供自由電子后的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子稱為施主雜質(zhì)。正離子束縛于晶格中，不參與導電。第21頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四P型半導體

在純凈半導體硅或鍺中摻入硼、鋁等3價元素，由于這類元素的原子最外層只有3個價電子，故在構成的共價鍵結構中，由于缺少價電子而形成大量空穴，這類摻雜后的半導體其導電作用主要靠空穴運動，稱為P型半導體（空穴半導體）。在P型半導體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，它仍由熱激發(fā)形成。自由電子

多數(shù)載流子（簡稱多子）空穴少數(shù)載流子（簡稱少子）第22頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

空位很容易俘獲鄰近四價原子的價電子，即在鄰近產(chǎn)生一個空穴，空穴可以參與導電?？瘴环@電子后，使雜質(zhì)原子成為負離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。

負離子束縛于晶格中，不參與導電。第23頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四【注】1、無論是P型半導體還是N型半導體都是中性的，對外不顯電性。

2、摻入的雜質(zhì)元素的濃度越高，多數(shù)載流子的數(shù)量越多,導電性能越好。3、少數(shù)載流子是熱激發(fā)而產(chǎn)生的，其數(shù)量的多少決定于溫度。第24頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四半導體中載流子有擴散運動和漂移運動兩種運動方式。在半導體中，如果載流子濃度分布不均勻，因為濃度差，載流子將會從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域運動，這種運動稱為擴散運動。載流子在電場作用下的定向運動稱為漂移運動。將一塊半導體的一側摻雜成P型半導體，另一側摻雜成N型半導體，在兩種半導體的交界面處將形成一個特殊的薄層→

PN結。1．PN結的形成1.1.3PN結及其單向?qū)щ娦缘?5頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四（1）兩邊的濃度差引起載流子的擴散運動（2）復合形成內(nèi)電場：阻擋擴散，促使漂移（3）擴散和漂移動態(tài)平衡：PN結（空間電荷區(qū)、耗盡層、勢壘區(qū)、阻擋層）PN結的形成過程硅材料PN結內(nèi)電位差為0.5～0.7V;鍺材料0.2～0.3V。溫度升高時，PN結內(nèi)電位差將減小。第26頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。平衡PN結中擴散電流和漂移電流大小相等而方向相反，所以外觀PN結中沒有電流。多子的擴散運動

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)小結第27頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1)PN結加正向偏置電壓（正偏）：

—P區(qū)接高電位外加電壓使內(nèi)電場減小導致：阻擋層變窄多子形成的擴散電流增加漂移電流減小形成較大的正向電流，ＰＮ結呈現(xiàn)出很小的電阻,稱PN結處于導通狀態(tài)。2．PN結的單向?qū)щ娦缘?8頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

由于在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。外加電壓使內(nèi)電場增加導致:

阻擋層加寬擴散電流進一步減小趨于零少子形成的漂移電流居支配地位從電源正極流入N區(qū)的反向電流很小，ＰＮ結呈現(xiàn)出很大的電阻,稱PN結處于截止狀態(tài)。2)PN結加反向偏置電壓（反偏）：

—N區(qū)接高電位第29頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四（1）正向特性2、正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流隨著正向電壓增大迅速上升。硅管的正向?qū)妷海ǎ眨铮睿┘s為０.６～０.８V,鍺管約為０.１～０.３V。1.2.2二極管的伏安特性1、外加正向電壓較小時，外電場不足以克服內(nèi)電場對多子擴散的阻力，PN結仍處于截止狀態(tài)。通常死區(qū)（門檻）電壓硅管約為0.5V，鍺管約為0.2V。12第30頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四（2）反向特性I（mA)正向電流IfU（V）正向反向0.6反向擊穿電壓UBR正向?qū)妷篣D0反向電流ISPN結V-A特性曲線3、外加反向電壓時，PN結處于截止狀態(tài)，反向電流很小,且基本不變,稱為反向飽和電流。硅管反向飽和電流為納安(ｎΑ)數(shù)量級,鍺管的為微安數(shù)量級。（3）反向擊穿特性4、當反向電壓加到一定值（UBR）時,反向電流急劇增加,產(chǎn)生擊穿。43第31頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆強電場將阻擋層內(nèi)中性原子的價電子直接變?yōu)樽杂呻娮庸β蕮p耗

PN結溫升高本征激發(fā)加劇反向電流更大連鎖反應反向電壓增加少子漂移加快動能增加碰撞電離連鎖反應擊穿的物理本質(zhì)（1）雪崩擊穿：碰撞電離（2）齊納擊穿：場致激發(fā)（3）熱擊穿：PN結過熱—不可逆第32頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四（4）溫度特性

二極管的特性對溫度很敏感,溫度升高,正向特性曲線向左移,反向特性曲線向下移。其規(guī)律是：在室溫附近,在同一電流下,溫度每升高１℃,正向壓降減小２～２.５ｍV；溫度每升高１０℃,反向電流約增大1倍。第33頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四（1）最大整流電流IF：指管子長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。工作時應使平均工作電流小于ＩＦ,如超過ＩＦ,二極管將過熱而燒毀。（2）反向擊穿電壓UBR：指管子反向擊穿時的電壓值。（3）最大反向工作電壓URM：二極管運行時允許承受的最大反向電壓（約為UBR的一半）。（4）最大反向電流IRM：指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，則管子的單向?qū)щ娦栽胶谩＃?）最高工作頻率fM：主要取決于PN結結電容的大小,結電容越大,則二極管允許的最高工作頻率越低。1.2.3二極管的主要參數(shù)第34頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四部分國產(chǎn)半導體高頻二極管參數(shù)表最高反向工作電壓（峰值）V反向擊穿電壓V正向電流

mA反向電流μA最高工作頻率MHZ極間電容

Pf最大整流電流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162AP7100≥150≥5.0≤250150≤112參數(shù)型號部分國產(chǎn)半導體整流二極管參數(shù)表最大整流電流A最高反向工作電壓（峰值）V最高工作電壓下的反向電流（125度）μA正向壓降（平均值）

V最高工作頻率

MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83參數(shù)型號第35頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

1.理想模型2.恒壓降模型正向工作時二極管導通電壓等于0。反向時，二極管開路。一般適用于大信號工作狀態(tài)。例如邏輯電路。正向?qū)〞r。相當于理想二極管串聯(lián)一個0.7伏的恒定電壓源。適用于電源電壓較低的電路分析，如模擬電路。1.3二極管應用電路第36頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

二極管電路應用舉例(1)VDD=10V理想模型：例1解：第37頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

恒壓模型（2）VDD=1V時理想模型恒壓模型結論理想模型便于計算，根據(jù)所加電壓Vi選擇模型：當Vi較大時，用理想模型；當Vi接近VD時，用恒壓模型。第38頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四UIUI<E+0.7vE+0.7

UI≥E+0.7vUO

=E0tUi把輸出幅度限在電平E+0.7v內(nèi)E0tUO輸出電壓小于E+0.7V例2解：限幅電路限幅電路的作用是限制輸出信號幅度的大小。電路如下：第39頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四例3解：電路如圖所示,設VA、VB均為理想二極管，當輸入電壓UA、UB為0V和5V的不同組合時，求輸出電壓U0的值。由題意知：VA、VB均為理想二極管UAUBVAVBU000導通導通005導通截止050截止導通055導通導通5實現(xiàn)與邏輯第40頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四例4解：如圖所示硅二極管電路,

（1）畫出電壓傳輸特性曲線；（2）已知，畫出ui和uo的波形。由題意知：V1陰極的電位為2V，V2陰極的電位為-4V。當ui>2.7V時，V1導通；

V2截止，uo=2.7V當-4.7V<ui<2.7V時，V1截止；

V2截止，

uo=ui當ui<-4.7V時，V1截止；

V2導通，

uo=-4.7V

第41頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四

根據(jù)得Q點處的微變電導則常溫下（T=300K）即二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。二極管的小信號模型第42頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1.4特殊二極管1.4.1穩(wěn)壓二極管1.符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性是一種特殊的面接觸型硅二極管，穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向擊穿狀態(tài)，其穩(wěn)定電壓就是反向擊穿電壓。利用穩(wěn)壓管的反向電流在很大范圍內(nèi)變化，端電壓變化很小的特性來實現(xiàn)穩(wěn)壓的作用。第43頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四(1)穩(wěn)定電壓UZ2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)

使穩(wěn)壓管正常工作時的最小電流,低于此值時穩(wěn)壓效果較差。工作時應使流過穩(wěn)壓管的電流大于此值。一般情況是,工作電流較大時,穩(wěn)壓性能較好。但電流要受管子功耗的限制,即：Izmax=Pz/Uz(2)穩(wěn)定電流Iz在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。(3)最大耗散功率PZM和最大穩(wěn)定電流IZMPZM是在穩(wěn)壓管允許結溫下的最大功率損耗。IZM是指穩(wěn)壓管允許通過的最大電流。它們之間的關系是：PZM=UZIZM第44頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四(4)動態(tài)電阻rZ(5)電壓溫度系數(shù)CTrZ是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時,兩端電壓變化量與電流變化量之比,即rZ=VZ/IZrZ值越小,則穩(wěn)壓性能越好。穩(wěn)壓管溫度變化１℃時,所引起的穩(wěn)定電壓變化的百分比。第45頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四3.穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓原理RL↓→IL↑→IR↑→UO↓→Iz↓→IR↓=IL+IzUO↑(1)輸入電壓UI保持不變,當負載電阻RL減小,IL增大時,由于電流在電阻R上的壓降升高,輸出電壓UO將下降。由于穩(wěn)壓管并聯(lián)在輸出端,由伏安特性可看出,當穩(wěn)壓管兩端的電壓略有下降時,電流Iz將急劇減小,而IR=IL+Iz,所以IR基本維持不變,R上的壓降也就維持不變,從而保證輸出電壓UO基本不變,即：第46頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四(2)負載電阻RL不變,當電網(wǎng)電壓升高時,將使UI增加,隨之輸出電壓UO也增大,由穩(wěn)壓管伏安特性可見,Iz將急劇增加,則電阻R上的壓降增大,UO=UI-UR,從而使輸出電壓基本保持不變,即：UI↑→UO↑→Iz↑→IR↑→UR↑ UO↓第47頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四限流電阻R的選擇(1)當電網(wǎng)電壓最高,即為UImax,且負載電流最小為時,流過穩(wěn)壓管的電流最大,其值不應超過Iz

max,即：第48頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四(2)當電網(wǎng)電壓最低,即為UImin,且負載電流最大為時,流過穩(wěn)壓管的電流最小,其值不應低于Iz,即：第49頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四例

穩(wěn)壓電路如圖所示,穩(wěn)壓管為2CW14,其參數(shù)是Uz=6V,Iz=10mA,PzM=200mW。整流濾波輸出電壓UI=15V。

試計算當UI變化±10%,負載電阻在0.5～2kΩ范圍變化時,限流電阻R值。解：第50頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四即0.29kΩ＜R＜0.34kΩ,可選R=320Ω,電阻的額定功率第51頁，共57頁，2023年，2月20日，星期四1.4.2發(fā)光二極管符號及電路發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由砷化鎵、磷化鎵等半導體材料組成。當LED加正向電壓時，電子與空穴復合過程以光的形式放出能量。是一種電變成光的能量轉(zhuǎn)換器件。典型工作電流為10mA左右。不同材料制成的發(fā)光二極管會發(fā)出不同顏色的光。常用于信號指示、數(shù)字和字