電子技術(shù)

第二章

半導(dǎo)體二極管模擬電路部分電子技術(shù)第二章模擬電路部分1第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路§2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)§2.2PN結(jié)的形成及特性§2.3半導(dǎo)體二極管§2.4二極管基本電路及其分析方法§2.5特殊二極管第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路§2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)§2半導(dǎo)體的基本知識(shí)（1）

自然界的物體根據(jù)其導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體Semiconductor半導(dǎo)體的特性1）當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。2）往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體的基本知識(shí)（1）自然界的物體根據(jù)其導(dǎo)電能力(半導(dǎo)體二極管及其基本電路課件4半導(dǎo)體二極管及其基本電路課件5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)。半導(dǎo)體的基本知識(shí)（4）共價(jià)鍵共+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子形成共價(jià)鍵6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，因此半導(dǎo)體中的自由電子極少，所以半導(dǎo)體在常溫下幾乎不導(dǎo)電。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半導(dǎo)體的基本知識(shí)（5）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7本征半導(dǎo)體（1）本征半導(dǎo)體(IntrinsicSemiconductors)完全純凈的(純度達(dá)到99.9999999%)

、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0（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)（本征激發(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。本征半導(dǎo)體（1）本征半導(dǎo)體(IntrinsicSemic8+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的自由電子和空穴。電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。本征半導(dǎo)體（2）+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等9+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（3）+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)，10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。本征半導(dǎo)體（4）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11雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體(ExtrinsicSemiconductors)

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(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)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體(ExtrinsicSemic12雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）

N型半導(dǎo)體

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子(多子），它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子（少子）,

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。電子空穴對(duì)電子雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）N型半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中13正電荷量=施主原子+本征激發(fā)的空穴負(fù)電荷量=施主釋放的電子+本征激發(fā)的電子電子空穴對(duì)（平衡）不能移動(dòng)N型半導(dǎo)體整體呈電中性，電子是多數(shù)載流子正電荷量=施主原子+本征激發(fā)的空穴負(fù)電荷量=施主釋放的電子+14雜質(zhì)半導(dǎo)體（3）P型半導(dǎo)體

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

在P型半導(dǎo)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，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。空穴電子空穴對(duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體（3）P型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與15負(fù)電荷量=受主原子+本征激發(fā)的電子正電荷量=硅失電子釋放的空穴+本征激發(fā)的空穴電子空穴對(duì)（平衡）不能移動(dòng)P型半導(dǎo)體整體呈電中性，空穴是多數(shù)載流子負(fù)電荷量=受主原子+本征激發(fā)的電子正電荷量=硅失電子釋放的空16PN結(jié)的形成

在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差空間電荷區(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

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

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)的形成在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子）數(shù)量有限，因此由它們的運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)）形成的電流很小。注意:PN結(jié)的特性1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)18PN結(jié)的性質(zhì)—PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏(ForwardBias)PN結(jié)加正向電壓時(shí)（Forward-BasedPNJunction)特點(diǎn)：低電阻大的正向擴(kuò)散電流

PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場(chǎng)PN結(jié)的性質(zhì)—PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）當(dāng)外加電壓使P19PN結(jié)的性質(zhì)--PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的伏安特性

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏(ReverseBais)。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)(Reverse-BasedPNJunction)特點(diǎn)：高電阻很小的反向漂移電流PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場(chǎng)PN結(jié)的性質(zhì)--PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的伏安特性20PN結(jié)的性質(zhì)——PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的性質(zhì)——PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)加正21PN結(jié)的的電容效應(yīng)（1）PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢(shì)壘電容CB

(反偏)二是擴(kuò)散電容CD(正偏)PN結(jié)的的電容效應(yīng)（1）PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面22

(1)勢(shì)壘電容CB

勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。(1)勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容是由空間23

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴(kuò)散電容CD反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積24

當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。當(dāng)外加正向電壓25半導(dǎo)體二極管(Diode)結(jié)構(gòu)（1）

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(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。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體二極管(Diode)結(jié)構(gòu)（1）在PN半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)（2）(3)

平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。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。(4)

二極管的代表符號(hào)半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)（2）(3)平面型二極管27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：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：28半導(dǎo)體二極管圖片（1）半導(dǎo)體二極管圖片（1）29半導(dǎo)體二極管圖片（2）半導(dǎo)體二極管圖片（2）30半導(dǎo)體二極管圖片（3）半導(dǎo)體二極管圖片（3）31二極管的伏安特性（1）其中：PN結(jié)的伏安特性IS

——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）二極管的伏安特性曲線可用下式表示Current-VoltageRelationship二極管的伏安特性（1）其中：PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽二極管的伏安特性（2）

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——可逆二極管的伏安特性（2）當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加33二極管的伏安特性（3）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性實(shí)際二極管器件的幾個(gè)典型值：死區(qū)電壓：硅管0.5V左右、鍺管0.2V左右導(dǎo)通壓降：硅管0.7V左右、鍺管0.3V左右反向飽和電流：硅管幾十uA、鍺管幾百uA二極管的伏安特性（3）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)最大反向工作電壓VRM(3)反向飽和電流IRIFVRMIR以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)最大反向工作（4）微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。（4）微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是36PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rdPN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)r37二極管的模型

1.理想模型3.折線模型

2.恒壓降模型特點(diǎn)：死區(qū)電壓=0正向?qū)▔航?0反向飽和電流=0特點(diǎn)：正向?qū)▔航?/p>

=死區(qū)電壓

=0.7V或0.3V反向飽和電流=0特點(diǎn)：正向?qū)▔航?/p>

=死區(qū)電壓

=0.5V或0.2V反向飽和電流=0二極管的模型1.理想模型3.折線模型2.恒壓降模型38二極管電路分析舉例（1）含二極管電路的分析方法確定二極管的工作狀態(tài)

根據(jù)工作狀態(tài)用不同的模型代替二極管在等效后的線性電路中作相應(yīng)的分析若二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)則可等效為斷開的開關(guān)若二極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)則可等效為導(dǎo)通的開關(guān)UONID或電壓為UON的電壓源二極管電路分析舉例（1）含二極管電路的分析方法確定二極管的工二極管電路分析舉例（2）如何判斷二極管的工作狀態(tài)？步驟1、假設(shè)二極管截止，即將二極管斷開。2、計(jì)算二極管兩端的電壓

UD=V陽-V陰3、判斷：若

UD>0，則二極管工作于導(dǎo)通狀態(tài)

若

UD<0，則二極管工作于截止?fàn)顟B(tài)二極管電路分析舉例（2）如何判斷二極管的工作狀態(tài)？步驟1、假40二極管電路分析舉例（3）例1：圖示電路中，分析當(dāng)UA與UB分別為0與3V的不同組合時(shí)，二極管D1、D2的狀態(tài)，并求U0的值。解：（1）當(dāng)UA=UB=0時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由電路，有UD1=0-（-5）=5>0UD2=0-（-5）=5>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=0D1D2U0R5V二極管電路分析舉例（3）例1：圖示電路中，分析當(dāng)UA與UB分二極管電路分析舉例（4）（2）當(dāng)UA=UB=3V時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=3-（-5）=8>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V二極管電路分析舉例（4）（2）當(dāng)UA=UB=3V時(shí)設(shè)D1、D42二極管電路分析舉例（5）（3）當(dāng)UA=3V，UB=0時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=0-（-5）=5>0UD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出現(xiàn)矛盾！即D1、D2不可能同時(shí)導(dǎo)通??！規(guī)定：承受正偏壓大的二極管優(yōu)先導(dǎo)通。二極管電路分析舉例（5）（3）當(dāng)UA=3V，UB=0時(shí)設(shè)D143二極管電路分析舉例（6）則D2處于截止?fàn)顟B(tài)，最終電路如上圖所示：所以，U0=3VD1D2U0R5V3V則等效電路為：由電路，有UD2=0-3=-3<0二極管電路分析舉例（6）則D2處于截止?fàn)顟B(tài)，最終電路如上圖所44（4）當(dāng)UA=0，UB=3V時(shí)所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2導(dǎo)通。D1D2U0R5V3V二極管電路分析舉例（7）試一試P973.4.5（4）當(dāng)UA=0，UB=3V時(shí)所以，U0=3V同理可得：D1451.二極管整流電路(理想模型）二極管基本應(yīng)用電路舉例試一試P973.4.11.二極管整流電路(理想模型）二極管基本應(yīng)用電路舉例試一試46

限幅電路的傳輸特性2.二極管限幅電路（恒壓源模型）二極管基本應(yīng)用電路舉例限幅電路的傳輸特性2.二極管限幅電路（恒47試一試P993.4.9試一試P993.4.948ui3.二極管鉗位電路

鉗位電路是一種能改變信號(hào)的直流電壓成分的電路，下圖是一個(gè)簡(jiǎn)單的二級(jí)管鉗位電路的例子。uc=2.5Vuo設(shè)輸入信號(hào)ui為幅度+2.5V的方波信號(hào)，ui2.5V-2.5V當(dāng)ui<0時(shí)，D導(dǎo)通，回路中的電流iD對(duì)電容C充電，由于rd較小，充電時(shí)間常數(shù)=C

rd很小，充電迅速，使:uc=ui=2.5V，uo=ui–uc=ui–2.5V=0而當(dāng)ui>0時(shí)，D截止，iD=0，回路無法放電，使電容C的電壓保持uc=ui=2.5V，而輸出電壓：uo=ui+uc=ui+2.5V=5VVo5Vui3.二極管鉗位電路鉗位電路是一種能改變494.二極管電平選擇電路二極管基本應(yīng)用電路舉例4.二極管電平選擇電路二極管基本應(yīng)用電路舉例50特殊二極管穩(wěn)壓二極管變?nèi)荻O管肖特基二極管光電二極管發(fā)光二極管特殊二極管穩(wěn)壓二極管變?nèi)荻O管肖特基二極管光電二極管發(fā)光二極51穩(wěn)壓二極管（齊納二極管)---伏安特性(a)符號(hào)(b)伏安特性

利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。穩(wěn)壓二極管（齊納二極管)---伏安特性(a)符號(hào)(b)伏安穩(wěn)壓二極管---穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ

=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流

IZmin穩(wěn)壓二極管---穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)53穩(wěn)壓二極管---穩(wěn)壓電路分析正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？#上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ

，VO的波形是怎樣的？穩(wěn)壓二極管---穩(wěn)壓電路分析正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ#54uoiZDZRiLiuiRL已知穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值?！匠?要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓不變。穩(wěn)壓二極管電路分析舉例（1）uoiZDZRiLiuiRL已知穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入55令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！匠?uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：穩(wěn)壓二極管電路分析舉例（2）令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin?！?6穩(wěn)壓二極管電路分析舉例（3）例：圖中的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值分別是7V和13V，求輸出電壓，采用恒壓降模型RS

uo40V2KRS

uo40V2KRS

uo40V2KRS

uo40V2KRS

uo3V2KRS

uo40V2K穩(wěn)壓二極管電路分析舉例（3）例：圖中的穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓值分別57熟悉二極管的外特性及主要參數(shù)。正確理解PN結(jié)的形成及單向?qū)щ娦哉莆斩O管的理想模型和恒壓降模型方程。熟悉穩(wěn)壓管的外特性及主要參數(shù)。掌握穩(wěn)壓管電路的原理以及限流電阻的計(jì)算。本章基本要求熟悉二極管的外特性及主要參數(shù)。正確理解PN結(jié)的形成及單向?qū)щ?8電子技術(shù)第二章

結(jié)束模擬電路部分電子技術(shù)第二章模擬電路部分59電子技術(shù)

第二章

半導(dǎo)體二極管模擬電路部分電子技術(shù)第二章模擬電路部分60第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路§2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)§2.2PN結(jié)的形成及特性§2.3半導(dǎo)體二極管§2.4二極管基本電路及其分析方法§2.5特殊二極管第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路§2.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)§61半導(dǎo)體的基本知識(shí)（1）

自然界的物體根據(jù)其導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。半導(dǎo)體Semiconductor半導(dǎo)體的特性1）當(dāng)受外界熱和光的作用時(shí)，它的導(dǎo)電能力明顯變化。2）往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使它的導(dǎo)電能力明顯改變。半導(dǎo)體的基本知識(shí)（1）自然界的物體根據(jù)其導(dǎo)電能力(半導(dǎo)體二極管及其基本電路課件63半導(dǎo)體二極管及其基本電路課件64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)。半導(dǎo)體的基本知識(shí)（4）共價(jià)鍵共+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子形成共價(jià)鍵65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，因此半導(dǎo)體中的自由電子極少，所以半導(dǎo)體在常溫下幾乎不導(dǎo)電。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半導(dǎo)體的基本知識(shí)（5）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66本征半導(dǎo)體（1）本征半導(dǎo)體(IntrinsicSemiconductors)完全純凈的(純度達(dá)到99.9999999%)

、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對(duì)0（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)（本征激發(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。本征半導(dǎo)體（1）本征半導(dǎo)體(IntrinsicSemic67+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的自由電子和空穴。電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。本征半導(dǎo)體（2）+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等68+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（3）+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)，69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。本征半導(dǎo)體（4）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70雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體(ExtrinsicSemiconductors)

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(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)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）雜質(zhì)半導(dǎo)體(ExtrinsicSemic71雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）

N型半導(dǎo)體

因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。

在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子(多子），它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子（少子）,

由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。電子空穴對(duì)電子雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）N型半導(dǎo)體因五價(jià)雜質(zhì)原子中72正電荷量=施主原子+本征激發(fā)的空穴負(fù)電荷量=施主釋放的電子+本征激發(fā)的電子電子空穴對(duì)（平衡）不能移動(dòng)N型半導(dǎo)體整體呈電中性，電子是多數(shù)載流子正電荷量=施主原子+本征激發(fā)的空穴負(fù)電荷量=施主釋放的電子+73雜質(zhì)半導(dǎo)體（3）P型半導(dǎo)體

因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。

在P型半導(dǎo)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，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)?？昭娮涌昭▽?duì)雜質(zhì)半導(dǎo)體（3）P型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與74負(fù)電荷量=受主原子+本征激發(fā)的電子正電荷量=硅失電子釋放的空穴+本征激發(fā)的空穴電子空穴對(duì)（平衡）不能移動(dòng)P型半導(dǎo)體整體呈電中性，空穴是多數(shù)載流子負(fù)電荷量=受主原子+本征激發(fā)的電子正電荷量=硅失電子釋放的空75PN結(jié)的形成

在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差空間電荷區(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

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

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)的形成在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)中的空穴.N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)（擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）。3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子）數(shù)量有限，因此由它們的運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)）形成的電流很小。注意:PN結(jié)的特性1.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場(chǎng)阻礙P區(qū)77PN結(jié)的性質(zhì)—PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏(ForwardBias)PN結(jié)加正向電壓時(shí)（Forward-BasedPNJunction)特點(diǎn)：低電阻大的正向擴(kuò)散電流

PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場(chǎng)PN結(jié)的性質(zhì)—PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）當(dāng)外加電壓使P78PN結(jié)的性質(zhì)--PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的伏安特性

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏(ReverseBais)。

PN結(jié)加反向電壓時(shí)(Reverse-BasedPNJunction)特點(diǎn)：高電阻很小的反向漂移電流PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況外電場(chǎng)PN結(jié)的性質(zhì)--PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)的伏安特性79PN結(jié)的性質(zhì)——PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；

PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。

由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)的性質(zhì)——PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)加正80PN結(jié)的的電容效應(yīng)（1）PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。

一是勢(shì)壘電容CB

(反偏)二是擴(kuò)散電容CD(正偏)PN結(jié)的的電容效應(yīng)（1）PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面81

(1)勢(shì)壘電容CB

勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。(1)勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容是由空間82

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。(2)擴(kuò)散電容CD反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積83

當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。當(dāng)外加正向電壓84半導(dǎo)體二極管(Diode)結(jié)構(gòu)（1）

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。(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。(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖半導(dǎo)體二極管(Diode)結(jié)構(gòu)（1）在PN半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)（2）(3)

平面型二極管往往用于集成電路制造藝中。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。(4)

二極管的代表符號(hào)半導(dǎo)體二極管結(jié)構(gòu)（2）(3)平面型二極管86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：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：87半導(dǎo)體二極管圖片（1）半導(dǎo)體二極管圖片（1）88半導(dǎo)體二極管圖片（2）半導(dǎo)體二極管圖片（2）89半導(dǎo)體二極管圖片（3）半導(dǎo)體二極管圖片（3）90二極管的伏安特性（1）其中：PN結(jié)的伏安特性IS

——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）二極管的伏安特性曲線可用下式表示Current-VoltageRelationship二極管的伏安特性（1）其中：PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽二極管的伏安特性（2）

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——可逆二極管的伏安特性（2）當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加92二極管的伏安特性（3）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性實(shí)際二極管器件的幾個(gè)典型值：死區(qū)電壓：硅管0.5V左右、鍺管0.2V左右導(dǎo)通壓降：硅管0.7V左右、鍺管0.3V左右反向飽和電流：硅管幾十uA、鍺管幾百uA二極管的伏安特性（3）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)最大反向工作電壓VRM(3)反向飽和電流IRIFVRMIR以上均是二極管的直流參數(shù)，二極管的應(yīng)用是主要利用它的單向?qū)щ娦?，主要?yīng)用于整流、限幅、保護(hù)等等。下面介紹兩個(gè)交流參數(shù)。二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)最大反向工作（4）微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：顯然，rD是對(duì)Q附近的微小變化區(qū)域內(nèi)的電阻。（4）微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是95PN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)rdPN結(jié)高頻小信號(hào)時(shí)的等效電路：勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容的綜合效應(yīng)r96二極管的模型

1.理想模型3.折線模型

2.恒壓降模型特點(diǎn)：死區(qū)電壓=0正向?qū)▔航?0反向飽和電流=0特點(diǎn)：正向?qū)▔航?/p>

=死區(qū)電壓

=0.7V或0.3V反向飽和電流=0特點(diǎn)：正向?qū)▔航?/p>

=死區(qū)電壓

=0.5V或0.2V反向飽和電流=0二極管的模型1.理想模型3.折線模型2.恒壓降模型97二極管電路分析舉例（1）含二極管電路的分析方法確定二極管的工作狀態(tài)

根據(jù)工作狀態(tài)用不同的模型代替二極管在等效后的線性電路中作相應(yīng)的分析若二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)則可等效為斷開的開關(guān)若二極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)則可等效為導(dǎo)通的開關(guān)UONID或電壓為UON的電壓源二極管電路分析舉例（1）含二極管電路的分析方法確定二極管的工二極管電路分析舉例（2）如何判斷二極管的工作狀態(tài)？步驟1、假設(shè)二極管截止，即將二極管斷開。2、計(jì)算二極管兩端的電壓

UD=V陽-V陰3、判斷：若

UD>0，則二極管工作于導(dǎo)通狀態(tài)

若

UD<0，則二極管工作于截止?fàn)顟B(tài)二極管電路分析舉例（2）如何判斷二極管的工作狀態(tài)？步驟1、假99二極管電路分析舉例（3）例1：圖示電路中，分析當(dāng)UA與UB分別為0與3V的不同組合時(shí)，二極管D1、D2的狀態(tài)，并求U0的值。解：（1）當(dāng)UA=UB=0時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由電路，有UD1=0-（-5）=5>0UD2=0-（-5）=5>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=0D1D2U0R5V二極管電路分析舉例（3）例1：圖示電路中，分析當(dāng)UA與UB分二極管電路分析舉例（4）（2）當(dāng)UA=UB=3V時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=3-（-5）=8>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V二極管電路分析舉例（4）（2）當(dāng)UA=UB=3V時(shí)設(shè)D1、D101二極管電路分析舉例（5）（3）當(dāng)UA=3V，UB=0時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=0-（-5）=5>0UD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出現(xiàn)矛盾！即D1、D2不可能同時(shí)導(dǎo)通?。∫?guī)定：承受正偏壓大的二極管優(yōu)先導(dǎo)通。二極管電路分析舉例（5）（3）當(dāng)UA=3V，UB=0時(shí)設(shè)D1102二極管電路分析舉例（6）則D2處于截止?fàn)顟B(tài)，最終電路如上圖所示：所以，U0=3VD1D2U0R5V3V則等效電路為：由電路，有UD2=0-3=-3<0二極管電路分析舉例（6）則D2處于截止?fàn)顟B(tài)，最終電路如上圖所103（4）當(dāng)UA=0，UB=3V時(shí)所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2導(dǎo)通。D1D2U0R5V3V二極管電路分析舉例（7）試一試P973.4.5（4）當(dāng)UA=0，UB=3V時(shí)所以，U0=3V同理可得：D11041.二極管整流電路(理想模型）二極管基本應(yīng)用電路舉例試一試P973.4.11.二極管整流電路(理想模型）二極管基本應(yīng)用電路舉例試一試105

限幅電路的傳輸特性2.二極管限幅電路（恒壓源模型）二極管基本應(yīng)用電路