第一章電路的基本概念、定律和電路元件中國石油大學(xué)（華東）控制科學(xué)與工程學(xué)院主要內(nèi)容1.4.1半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)1.4.2二極管的符號、特性和主要參數(shù)1.4.3二極管的電路模型1.4.4二極管應(yīng)用電路1.4.5特殊二極管1.4半導(dǎo)體二極管1.4.1半導(dǎo)體的基本知識與PN結(jié)半導(dǎo)體的基本知識

導(dǎo)體：電阻率ρ<10-4cm

絕緣體：ρ

1010cm

半導(dǎo)體：10-4cm<

ρ<1010cm，導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間，受溫度、光照和摻雜程度影響極大。自然界的物質(zhì)按其導(dǎo)電能力的大小可分為：物質(zhì)的分類:1.4半導(dǎo)體二極管

近代大規(guī)模集成電路（LSI）和超大規(guī)模集成電路（VLSI）中主要用硅（Si）、鍺（Ge）和砷化鎵（GaAs）材料。半導(dǎo)體根據(jù)純度的不同可以分為：

本征半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1.4半導(dǎo)體二極管

純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，也稱為晶體。1.本征半導(dǎo)體284+14Si28184+32Ge

最外層原子軌道上的電子稱為價電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵+4簡化模型二維晶格結(jié)構(gòu)圖4個價電子晶體結(jié)構(gòu)1.4半導(dǎo)體二極管本征激發(fā)：因熱運動產(chǎn)生自由電子空穴對的現(xiàn)象。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴復(fù)合：空穴與自由電子結(jié)合而消失的現(xiàn)象。一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。本征濃度：1.4半導(dǎo)體二極管在半導(dǎo)體中能夠運載電荷的粒子有兩種——自由電子和空穴，稱為載流子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子移動空穴移動導(dǎo)電機理：當(dāng)外部加電場時，載流子即空穴與自由電子在電場的作用下而定向移動，形成電流。1.4半導(dǎo)體二極管外加電場漂移電流漂移電流與電場強度和載流子濃度成正比。1.4半導(dǎo)體二極管+4+4+4+4+4+4+4+5+52.雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體—摻入5價元素如砷（As）、磷（P）自由電子、空穴對多余自由電子——N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體自由電子稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；本征激發(fā)產(chǎn)生的空穴稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。1.4半導(dǎo)體二極管+4+4+4+4+4+4+4+3+3P型半導(dǎo)體—摻入3價原子如硼（B）、鎵（Ga）多余空穴自由電子、空穴對多數(shù)載流子（多子）是空穴；少數(shù)載流子（少子）是自由電子。1.4半導(dǎo)體二極管在兩種半導(dǎo)體交界面，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)，由于缺少載流子所以也稱為耗盡層。濃度差

多子的擴散運動

空間電荷區(qū)

內(nèi)電場

促使少子漂移阻止多子擴散動態(tài)平衡

PN結(jié)PN結(jié)1.PN結(jié)的形成1.4半導(dǎo)體二極管

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.4半導(dǎo)體二極管+?uDiD1.4.2二極管的符號、特性和主要參數(shù)

將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管（D）。電路符號與基本結(jié)構(gòu)電路符號A陽極K陰極1.4半導(dǎo)體二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。2.面接觸型二極管1.點接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。正極引線鋁合金小球P型硅N型硅底座金銻合金負極引線負極引線正極引線金屬觸絲外殼N型鍺1.4半導(dǎo)體二極管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。正極引線P型硅N型硅SiO2負極引線1.4半導(dǎo)體二極管604020–0.02–0.0400.40.8–25–50i/mAu/V死區(qū)死區(qū)電壓——Uth

正向特性1.正向特性二極管伏安特性死區(qū)電壓UT＝kT/q≈26mV（常溫）當(dāng)加正向電壓，且u>>

UT時,+?uDiD1.4半導(dǎo)體二極管2.反向特性二極管具有單向?qū)щ娦浴?04020–0.02–0.0400.40.8–25–50i/mAu/V小功率硅管：＜1A小功率鍺管：10~100A當(dāng)u＜0時，i=?Is（反向飽和電流）反向特性U(BR)+?uDiD導(dǎo)通電壓硅管：0.6~0.7V鍺管：0.2~0.3V導(dǎo)通電壓1.4半導(dǎo)體二極管3.反向擊穿特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50i/mAu/V反向特性反向擊穿當(dāng)反向電壓增大至U(BR)時，反向電流將突然增大。二極管失去單向?qū)щ娦?。U(BR)+?uDiD導(dǎo)通電壓1.4半導(dǎo)體二極管主要參數(shù)2.最高反向工作電壓URM

它是保證二極管不被擊穿而給出的最高反向電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。1.最大整流電流IFM

最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。3.最大反向電流IRM

指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。1.4半導(dǎo)體二極管國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：命名方法用字母表示材料。A、B、C、D用字母表示器件的種類。P：普通管用數(shù)字表示同種器件的序號二極管

2AP91.4半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖片1.4半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖片1.4半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管圖片1.4半導(dǎo)體二極管

二極管是一種非線性器件，一般采用非線性電路的模型分析法。2.恒壓降模型1.理想模型uD>0D導(dǎo)通理想開關(guān)uD>導(dǎo)通電壓UonD導(dǎo)通uD<0D截止+?uDiDAKDAK×AKuD<導(dǎo)通電壓UonD截止+?UonAK×AK1.4半導(dǎo)體二極管1.4.3二極管的電路模型

在電子技術(shù)中二極管電路得到廣泛應(yīng)用?；倦娐酚邢薹娐?、整流電路、鉗位電路、開關(guān)電路等。1.判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)例1.4.1設(shè)圖示電路中各二極管性能理想，試判斷各電路的二極管是導(dǎo)通還是截止？15V12VD15.1k

6V12V3k

D1D21.4半導(dǎo)體二極管判斷二極管在電路中的工作狀態(tài)，常用的方法是：

首先假設(shè)二極管斷開，然后求得二極管陽極與陰極之間將承受的電壓UU>導(dǎo)通電壓，二極管正向偏置，導(dǎo)通；U<導(dǎo)通電壓，二極管反向偏置，截止；

在用上述方法判斷的過程中，電路中出現(xiàn)兩個以上二極管共陽極或者共陰極時，如果承受大小不等的正向電壓，則應(yīng)判定承受正向電壓較大者優(yōu)先導(dǎo)通，其兩端電壓為導(dǎo)通電壓降，然后再用上述方法判斷其余的二極管。1.4半導(dǎo)體二極管D1斷開UAK=(?12)?(?15)=3V>0VD1、D2均斷開UA1K1=12VUA2K2=12?(?6)=18VUA2K2>UA1K1，D2優(yōu)先導(dǎo)通UA1K1=?6V<0D1截止15V12V5.1k

KAD16V12V3k

A1K1A2K2D1D2D1導(dǎo)通1.4半導(dǎo)體二極管1.整流電路當(dāng)us>0，D導(dǎo)通，uo=us單向整流電路當(dāng)us<0，D截止，uo=0+?+?usuoRLD1+?+?usuoRLAK1.4半導(dǎo)體二極管1.4.4二極管的應(yīng)用電路2.限幅電路

二極管D1、D2用恒壓源模型，Uon=0.7V。+?+?usuoRD1D21.4半導(dǎo)體二極管uA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=?usD1導(dǎo)通，D2截止+?+?usuoRA1K2K1A22.限幅電路

二極管D1、D2用恒壓源模型，Uon=0.7V。1.4半導(dǎo)體二極管2.限幅電路

二極管D1、D2用恒壓源模型，Uon=0.7V。uo=0.7V+?+?usuoRK2A2+?0.7VuA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=?usD1導(dǎo)通，D2截止1.4半導(dǎo)體二極管2.限幅電路

二極管D1、D2用恒壓源模型，Uon=0.7V。uo=0.7VuA2K2>0.7V:D2導(dǎo)通，D1截止+?+?usuoRA1K2K1A2uA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=?usD1導(dǎo)通，D2截止1.4半導(dǎo)體二極管uo=?0.7V2.限幅電路

二極管D1、D2用恒壓源模型，Uon=0.7V。uo=0.7VuA2K2>0.7V:D2導(dǎo)通，D1截止+?+?usuoRA1K1+?0.7VuA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=?usD1導(dǎo)通，D2截止1.4半導(dǎo)體二極管|uS|<0.7V:

uo=usD1、D2均截止+?+?usuoRA1K2K1A2uo=?0.7V2.限幅電路

二極管D1、D2用恒壓源模型，Uon=0.7V。uo=0.7VuA2K2>0.7V:D2導(dǎo)通，D1截止uA1K1>0.7V:uA1K1=usuA2K2=?usD1導(dǎo)通，D2截止1.4半導(dǎo)體二極管例1.4.2

在圖中，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R負電源–12V。求輸出端電位VO。（設(shè)二極管的正向壓降是0.3V）D1起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在+2.7V。解：VO=+2.7V。UA1K1=3?(?12)=15VUA2K2=12VD1優(yōu)先導(dǎo)通UA2K2=?2.7VD2截止D1RD2VAVB?12VVoA2K2+?0.3VA1K11.4半導(dǎo)體二極管

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。1.穩(wěn)壓二極管0i/mAu/VUZ

IZIZminIZmax

UZ正向+?反向+?+?uDiD1.4半導(dǎo)體二極管1.4.5特殊二極管

穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。+?UIDZRLRUZILI

穩(wěn)壓條件：UImin≥UZ,IZmin≤IZ≤Izmax0i/mAu/VUZ

IZIZminIZmax

UZ正向+?反向+?電阻R的作用:

起限流作用，以保護穩(wěn)壓管。當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時，通過R上的壓降調(diào)節(jié)保持輸出電壓基本不變。1.4半導(dǎo)體二極管穩(wěn)壓原理，輸入電壓或負載變化時:

+?UIDZRLRUZILI0i/mAu/VUZ

IZIZminIZmax

UZ正向+?反向+?UI↑→Uo↑→Iz↑→I↑

→UR↑→Uo↓RL↓→IL↑

→UR↑→Uo↓→Iz↓→I

↓→UR↓→Uo↑1.4半導(dǎo)體二極管RDZRLIOIZIUOUI++??例1.4.3一硅穩(wěn)壓電路如圖。其中未經(jīng)穩(wěn)壓的直流輸入電壓UI=1