1、第三章 二極管及其基本電路,3.1 半導體的基本知識,3.2 PN結的形成及特性,3.3 二極管,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,教學內容,3.5 特殊二極管,2,3.1 PN結,圖1.1表示的是由二極管、 燈泡、 限流電阻、 開關及電源等組成的簡單電路。,3.1.1 半導體的基礎知識,3,按圖 (a)所示, 閉合開關S, 燈泡發(fā)光, 說明電路導通,若二極管管腳調換位置, 如圖 (b)所示, 閉合開關S, 燈泡不發(fā)光。,由以上演示結果可知: 二極管具有單向導電性。,4,1. 半導體的特性 自然界中的各種物質,按導電能力劃分為:導體、絕緣體、半導體。 (1)半導體導電特性處于導體和絕緣體之

2、間，如鍺、硅、 砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。 (2)當受外界熱和光的作用時，它的導電能力明顯變化。 稱熱敏特性和光敏特性。 (3)往純凈的半導體中摻入某些雜質(其它化學元素)，會使它的導電能力明顯改變。 半導體為什么有此性質呢？,3.1 半導體的基本知識,半導體的共價鍵結構,現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。,通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。,3.1 半導體的基本知識,硅和鍺是四價元素，它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。共價鍵中的價電子為這些原子所共有并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。,共價鍵共用電子對,+4表示除去價電子

3、后的原子,共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。,形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。,共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。,3.1 半導體的基本知識,3.1 半導體的基本知識,三、本征半導體、空穴及其導電作用,本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。,半導體的重要物理特性是它的電導率，電導率與材料內單位體積中所含的電荷載流子的數目有關。 電荷載流子的濃度愈高，其導電率愈高。 載流子的濃度取決于材料的基本性質、溫度值及雜質的存在。 在絕對

4、 0度（T = 0K）和沒有外界激發(fā)時，價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。,9,光照或受熱時，,可見：本征激發(fā)同時產生電子空穴對。,自由電子,空穴,激發(fā)價電子成為自由電子，,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)或 熱激發(fā)。,3.1 半導體的基本知識,自由電子,空穴,束縛電子,由于共價鍵中出現(xiàn)了空位，在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。,11,光照或受熱激發(fā)使半導體導電能力增強的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)或熱激發(fā)。 可見：本征激發(fā)同時產生電子空穴對。 自由

5、電子帶負電的粒子 空穴帶正電的粒子 自由電子、空穴統(tǒng)稱為載流子。 3. 雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。 為何呢？ 1、N 型半導體 在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷(或銻)。,12,多余電子 自由電子,施主原子,硅原子,可見： a) N 型半導體中自由電子很多(多數載流子)，空穴很少(少數載流子) ； b) 導電性能顯著增加。,不能移動的正離子,1. N型半導體,磷（P）,雜質半導體主要靠多數載流子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。,多數載流子,空穴比未加雜質時的數目多了？少了？為什么？,14,2、P 型半導體

6、在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼(或銦)。,空穴,受主原子,硅原子,可見： a) P 型半導體中自由電子很少(少子)，空穴很多(多子)； b) 導電性能顯著增加。,不能移動的負離子,硼（B）,多數載流子,P型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，,在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數目變化嗎？少子與多子變化的數目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？,16,1. 在雜質半導體中多子的數量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。,2. 在雜質半導體中少子的數量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。,a,b,4. 在外加電壓的作用下，P 型半導體中的電流 主要是 ，N

7、型半導體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流）,b,a,17,由于在型半導體和型半導體交界面兩側存在著空穴和自由電子兩種載流子濃度差，即P區(qū)的空穴濃度遠大于N區(qū)的空穴濃度，N區(qū)的電子濃度遠大于P區(qū)的電子濃度，因此會產生載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的運動，這種運動稱為擴散。,3.1.2 PN結的形成及單向導電特性 一. PN 結的形成,物質因濃度差而產生的運動稱為擴散運動。氣體、液體、固體均有之。,P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。,N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。,擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產生內電場。,3.1.2 PN結的形成及單向導電特性 一.

8、 PN 結的形成,PN 結的形成,因電場作用所產生的運動稱為漂移運動。,參與擴散運動和漂移運動的載流子數目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結。,由于擴散運動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N 區(qū)運動。,20,二. PN 結的單向導電性 1. PN 結正向偏置(加正向電壓)P 區(qū)加正, N 區(qū)加負電壓,當內外電場相互抵消時,PN相當于短接:正向電流IE/R,內電場被削弱，擴散運動加強形成較大的電流。,21,2、PN 結反向偏置(加反向電壓) P區(qū)加負、N 區(qū)加正電壓。,I0,內外電場相互加強,PN相當于斷開: 反向

9、電流I0,內電場被加強，擴散受抑制。漂移加強，形成較小的反向漂移電流0。 呈現(xiàn)高電阻， PN結截止。,22,綜上所述，PN結具有單向導電特性 即PN結正偏時導通，呈現(xiàn)很小的電阻，可形成較大的正向電流；PN結反偏時截止，呈現(xiàn)很大的電阻，反向電流近似為零。 需要指出的是，反向電壓超過一定數值后，反向電流將急劇增加，發(fā)生反向擊穿現(xiàn)象，單向導電性被破壞。,23,24,3.2 半導體二極管 一、基本結構 PN 結加上管殼和引線，就成為半導體二極管。 二極管結構兩層半導體，一個PN結。,二、圖形符號,25,26,27,三、伏安特性,死區(qū)電壓: 硅管0.5V, 鍺管0.1V。,導通壓降: 硅管0.7V, 鍺

10、管0.3V。,反向擊穿電壓VBR,理想二極管：死區(qū)電壓=0 ；導通正向壓降=0； 反向飽和電流=0 ；反向擊穿電壓=。,反向飽和電流IS 一定電壓范圍內保持IS0,擊穿使二極管永久損壞,28,其中iD、 vD 的關系為：,vD PN結兩端的電壓降 iD流過PN結的電流 IS 為反向飽和電流 VT =kT/q 稱為溫度的電壓當量 其中k為玻耳茲曼常數：1.381023 J/K q 為電子電荷量1.6109 C T 為熱力學溫度,單位為K 對于常溫(相當T=300 K)時：則有VT=0.026V,29,30,31,32,RD 0,UD =,0.7V(硅管) 0.3V(鍺管),0(E較大時),相當于

11、短接 稱為導通,E 0.5V(硅管)、 0.2V(鍺管)時： I 0，處在死區(qū),尚未導通。實際中這種情況要避免。 E 0.7V(硅管)、 0.3V(鍺管)時：,五、二極管特點總結 1、當二極管上加正向電壓時： (即PN結正向偏置),33,2、當二極管上加反向電壓時 (即PN結反向偏置),PN結或二極管具有 單向導電性,E 擊穿電壓時： RD , I 0 UD E 二極管相當于斷開，稱為截止。 E 擊穿電壓時： RD 0， UD 0,二極管相當于短接，壞了。這種情況要避免。,34,二極管半波整流電路如圖所示。畫出輸出電壓uo 的波形。,例1,35,6.半導體二極管、三極管的型號(國家標準),2A

12、P9,3DG110B,36,二極管總結 1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負 ）時， 二極管處于正向導通狀態(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。 2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正 ）時， 二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。 3. 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。 4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,一、簡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，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知

13、二極管的V-I特性曲線。,在電子技術中，二極管電路得到廣泛的應用。本節(jié)重點介紹采用簡化模型，分析幾種基本的二極管電路，如限幅電路、開關電路、低電壓穩(wěn)壓電路等。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,例3.4.1 二極管電路及二極管的V-I 特性曲線如圖所示。已知電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,解：,Q點稱為電路的工作點，其坐標值即為所求。,圖解法簡單直觀，但不現(xiàn)實，并不實用，僅對電路的工作原理和相關重要概念有很大幫助。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,迭代法：,， 稱為指數模型,又,聯(lián)立求解上述兩式，即可求出vD和i

14、D。,圖解法和迭代法都不實用。工程上，通常在一定條件下，利用簡化模型代替二極管非線性特性，來分析二極管電路，從而使分析大為簡化。 簡化模型分析方法是非常簡單有效的工程近似分析方法。,41,一、模型法 1、理想模型(理想二極管) 理想模型將二極管看成： 死區(qū)電壓=0 ；導通正向壓降=0； 反向飽和電流=0 ；反向擊穿電壓=。 理想二極管模型,US0,US0,i=US/R,i=0,伏安特性,42,U D為二極管的導通壓降。硅管 0.7V；鍺管 0.3V。,2、恒壓降模型(實際二極管) 恒壓降模型將二極管看成： 導通正向壓降硅管 0.7V；鍺管 0.3V ； 反向飽和電流0 ；反向擊穿電壓=。 恒壓

15、降模型,USUD,USUD,i=(US-U D)/R,i=0,伏安特性,43,Uth為二極管的死區(qū)壓降：硅管 0.5V；鍺管 0.1V。 rD為二極管的動態(tài)電阻，約為200 。,3、折線模型 折線降模型將二極管看成： 反向飽和電流0 ；反向擊穿電壓=。 折線模型,斜率為1/rD,USUth,USUth,44,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,（4）小信號模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效成一個微變電阻rd，即,得Q點處的微變電導gd,則,（常溫下，T=300K）,Q點處，,則,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,2. 模型分析法應用舉例,（1）整流電路,例3.

16、4.2 二極管基本電路如圖所示。已知vs為正弦波，如圖所示。試利用二極管理想模型定性地繪出vo的波形。,當vs為正半周時，二極管正向偏置，導通，vo= vs ；,當vs為負半周時，二極管反向偏置，截止，vo= 0 。,解：,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,（2）二極管的靜態(tài)工作情況分析,理想模型,例3.4.3 如圖為硅二極管基本電路，R=10k，對于下列兩種情況，求電路的ID和VD：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每種情況下，應用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解。設折線模型中rD=0.2k。,解：（1）VDD=10V時,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,折線模型,（硅二

17、極管典型值）,恒壓降模型,（硅二極管典型值）,理想模型,（2）VDD=1V,折線模型,（硅二極管典型值）,恒壓降模型,（硅二極管典型值）,上例表明，在電源電壓遠大于二極管壓降時，恒壓降模型得出的結果較合理；當電源電壓較低時，折線模型得出的結果較合理。,恒壓源模型,測量值： 9.32 mA,相對誤差：,理想二極管模型,相對誤差：,例3,求圖示二極管上的電流 I 。,二極管構成的限幅電路如圖所示，R1k，UREF=2V，輸入信號為ui。 ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、恒壓源模型計算電流I 和輸出電壓 uo,解：(1)采用理想模型分析。,(2)采用恒壓源模型模型分析。,例4,uo =

18、 UREF=2V,uo=UD+UREF=0.7+2=2.7V,如果ui為幅度4V的交流三角波，波形如圖(b)所示。分別采用理想二極管模型和恒壓源模型分析電路并畫出相應的輸出電壓波形。 UREF=2V.,解：(1)采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。,例5,(2)采用恒壓源模型分析，波形如圖所示。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,開關電路,在開關電路中，利用二極管的單向導電性以接通或斷開電路，這在數字電路中得到廣泛的應用。 分析原則： 判斷二極管處于導通還是截止狀態(tài)，可先將二極管斷開，然后計算陽、陰兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是正向電壓則二極管導通，否則截止。,55,電路如圖，求：U

19、AB,V陽 =6 V V陰 =12 V V陽V陰 二極管導通 理想二極管模型：二極管可看作短路，UAB =6V 恒壓源模型：UAB=6.3或UAB=6.7V 在這里，二極管起鉗位作用。,解： 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,例6,56,解：兩個二極管的陰極接在一起 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,V1陽 =6 V，V2陽=0 V V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導通， D1截止。 由于二極管是理想: UAB = 0 V D1承受反向電壓為6 V 在這里， D2 起鉗位作用，

20、 D1起隔離作用。,已知二極管是理想的,求:UAB,例7,57,ui 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： ui18sint V， 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。,8V,參考點,解：二極管陰極電位為 8 V,例8,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,限幅電路,例3.4.4 如圖，R = 1k，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以下兩問：（1）vI = 0V、4V、6V時，求相應的輸出電壓vo的值；（2）vI = 6sintV時，繪出相應的輸出電壓vo的波形。,（1）理想模型電路,解：,

21、當 時，二極管截止，所以 ；,當 時，二極管導通，所以 ；,當 時，二極管導通，所以 。,（2）理想模型電路,當 時， ；,當 時， 。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,（1）恒壓降模型電路,當 時，二極管截止，所以 ；,當 時，二極管導通，所以 ；,（2）恒壓降模型電路,當 時， ；,當 時，二極管導通，所以 。,當 時， 。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,小信號工作情況分析,在利用小信號模型分析二極管電路時，要特別注意微變電阻rD與靜態(tài)工作點Q有關。 一般首先分析電路的靜態(tài)工作情況，求得靜態(tài)工作點Q；其次，根據Q點算出微變電阻rD；再次，

22、根據小信號模型交流電路模型，求出小信號作用下電路的交流電壓、電流；最后與靜態(tài)值疊加，得到完整的結果。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,例3.4.6 如圖所示，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sintV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vo的波形。,3.4 二極管的基本電路及其分析方法,解：,（1）由直流通路可知，二極管是導通的。,由交流通路，得,64,2、伏安特性,3.5 特殊二極管 一、齊納二極管(穩(wěn)壓二極管) 穩(wěn)壓管結構： 兩層硅半導體，一個PN結,UZ,穩(wěn)壓管反向擊穿時, 只要IZIZmax , 就不會永久擊穿。,穩(wěn)定電壓,斜率很大：

23、1/rZ=I/U,1、圖形符號,穩(wěn)壓管正向使用時與普通硅二極管相同。,死區(qū)電壓: 0.5V,導通壓降: 0.7V,65,3、工作原理 (1)當穩(wěn)壓管正向偏置時,E 0.5V時： I 0，處在死區(qū)。穩(wěn)壓管尚未導通。 E 0.7V時： 穩(wěn)壓管電阻： RD 0 穩(wěn)壓管電壓穩(wěn)定在: UD= 0.7V 穩(wěn)壓管相當于短接,稱為導通 圖中電流：,66,(2)當穩(wěn)壓管反向偏置時,穩(wěn)壓作用,當EUZ時： 穩(wěn)壓管電阻：RD 圖中電流： IZ0 穩(wěn)壓管電壓：UZ E 穩(wěn)壓管相當于斷開，稱為截止。 當E UZ時,穩(wěn)壓管擊穿，上述電路等效為：,一般rZ0, 即穩(wěn)壓管兩端電壓很穩(wěn)定, 為穩(wěn)定電壓UZ 。,67,4、主要

24、參數 (1) 穩(wěn)定電壓UZ 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。 (2) 動態(tài)電阻rZ rZU/I rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。 (3)最小穩(wěn)定工作 電流Izmin 保證穩(wěn)壓管擊穿所對應的電流，若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。 (4) 最大穩(wěn)定工作電流Izmax 超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。,在實際工程應用中，常常忽略動態(tài)電阻rz的影響。,例1 設計一穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，作為汽車用收音機的供電電源。已知收音機的直流電源為9V，音量最大時需供給的功率為0.5W。 汽車上的供電電源在1213.6V之間波動。 要求選用合適的穩(wěn)壓管 以及合適的限流電阻（阻值和額定功率）

25、,穩(wěn)壓電路例題分析,解：依題意，穩(wěn)壓電路如上圖，VL=VZ。由于負載所消耗的功率PL=VLIL，所以負載電流的最大值,穩(wěn)壓電路例題分析,穩(wěn)壓電路例題分析,穩(wěn)壓電路例題分析,（1）輸出直流電壓VO ；,（2）為保證通過穩(wěn)壓管的電流小于 IZmax ，R的最小值； （3）為保證穩(wěn)壓管可靠擊穿，RL的最小值；,穩(wěn)壓電路例題分析,（2）為保證通過穩(wěn)壓管的電流小于 IZmax ，R的最小值；,（1）輸出直流電壓VO ；,分析：當VI最大，RL開路時，通過R的電流即穩(wěn)壓管的電流最大。同時為保證穩(wěn)壓管安全工作，IZIZmax。,穩(wěn)壓電路例題分析,（3）為保證穩(wěn)壓管可靠擊穿，RL的最小值；,分析：當VI最小，

26、RL最小時，流入穩(wěn)壓管的電流最小。同時為保證穩(wěn)壓管可靠擊穿，IZ IZmin。,補充： 二極管的簡單測試,用萬用表檢測二極管如圖1.1.8所示。,1. 判別正負極性,將紅、黑表筆分別接二極管兩端。所測電阻小時，黑表筆接觸處為正極，紅表筆接觸處為負極。,萬用表檢測二極管,2.判別好壞,萬用表測試條件：R1k。,(1)若正反向電阻均為零，二極管短路；,(2)若正反向電阻非常大，二極管開路。,(3)若正向電阻約幾千歐姆，反向電阻非常大，二極管正常。,萬用表檢測二極管,3.管子類型的判別,硅管的正反向阻值一般比鍺管大，所以當測得正向阻值在,5001000歐之間，則為鍺管,幾千幾十千歐之間，則為硅管,且正反向阻值差別越大，管子性能越好。,77,二、變容二極管 1、圖形符號,3、結電容與電壓的關系曲線,2、結電容與電壓的關系 結電容隨反向電壓的增加而減少,78,三、肖特基二極管 1、圖形符號,2、肖特基二極管的特點 (1)結電容很小，工作速度很快，適合用于高頻電路或開關狀態(tài)。 (2)正向門坎電壓和正向導通電壓約低于普通二極管導通電壓0.2V，很小。 (3)能承受的反擊穿電壓較低，大多低于60V，最高約100V。反向漏電流