第3章-二極管及其基本電路

1、物體導電性能分類物體導電性能分類： 導體、半導體和絕緣體導體、半導體和絕緣體導體：導體：自然界中很容易導電的物質稱為自然界中很容易導電的物質稱為導體導體，金屬一般，金屬一般都是導體。都是導體。絕緣體：絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體絕緣體，如橡皮、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。半導體：半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為間，稱為半導體半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等?；?、氧化物等。3.1 半導體的基本知識半導體的基本知識 半導體半導體的導電機理不同

2、于其它物質，所以它具有不的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如：同于其它物質的特點。例如：3.1.1 半導體材料半導體材料共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對（束縛電子）束縛電子）+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛束縛電子電子，絕對零度時束縛電子很難脫離共價鍵成為，絕對零度時束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子自由電子，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。能力很弱。3.1.

3、2 半導體半導體 (硅和鍺硅和鍺)的共價鍵結構的共價鍵結構在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同時共價鍵上留下一個，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空位，稱為空穴空穴。（本征激發(fā)）。（本征激發(fā)）1) 1) 載流子：載流子：( (自由電子和空穴自由電子和空穴) )+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子3.1.3 3.1.3 本征半導體本征半導體2) 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4 * 空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補來填

4、補, , 相當于空穴的遷相當于空穴的遷移，可以認為空穴是載流子。移，可以認為空穴是載流子?？昭◣д姾?，空穴移動形空穴帶正電荷，空穴移動形成電流。成電流。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。 * 電子帶負電荷，電子移電子帶負電荷，電子移動形成電流動形成電流（和電流規(guī)定的（和電流規(guī)定的方向相反）方向相反）。 * 溫度越高，載流子的溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強的導電能力越強本征半導體導電能力很弱本征半導體導電能力很弱,且隨環(huán)境溫度而變化。且隨環(huán)境溫度而變化。在本征半導體中摻

5、入某些微量的雜質，就會使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。其原因是摻雜半導體的某種的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。載流子濃度大大增加。P 型半導體：型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。也稱為（空穴半導體）。N 型半導體：型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。導體，也稱為（電子半導體）。3.1.4 3.1.4 雜質半導體雜質半導體+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體中的載流子：型半導體中的

6、載流子：1 1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2 2、本征半導體中、本征半導體中成對成對產生的電子和空穴。產生的電子和空穴。 摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子多數(shù)載流子（多子多子），），空穴稱為空穴稱為少數(shù)載流子少數(shù)載流子（少子少子）。）。在本征半導體中摻入少量的在本征半導體中摻入少量的五價元素磷（或銻），外層有五個五價元素磷（或銻），外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體價電子，其中四個與相

7、鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電原子形成共價鍵，必定多出一個電子五價元素磷稱為子五價元素磷稱為施主原子施主原子。一一、N 型半導體型半導體 在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如 硼（或硼（或銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子銦），晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價與相鄰的半導體原子形成共價 鍵時，產生一個空穴。鍵時，產生一個空穴。 這個空穴可能吸引束這個空穴可能吸引束 縛電子來填補縛電子來填補， 使得使得 硼原子成為不能移動硼原子成為不能移動 的帶負電的離子

8、。的帶負電的離子。 由于硼原子接受電由于硼原子接受電 子，所以稱為子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導體中型半導體中空穴是多子空穴是多子，電子是少子電子是少子。二、二、P 型半導體型半導體三、雜質半導體的示意表示法三、雜質半導體的示意表示法P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體雜質雜質型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子數(shù)量的關系，起導電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質濃度相等。與雜質濃度相等。多子的擴散運動多子的擴散運動內電場內電場少子的漂移運動

9、少子的漂移運動濃度差濃度差 擴散的結果使擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱空間電荷區(qū)也稱 PN 結結 +形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)PN 結變窄結變窄 P區(qū)接正極、區(qū)接正極、N區(qū)接負區(qū)接負 極極外電場外電場IF內電場內電場PN+ 內電場被加內電場被加強，少子的漂強，少子的漂移加強，由于移加強，由于少子數(shù)量很少，少子數(shù)量很少，形成很小的反形成很小的反向電流。向電流。IR+IR0 正向電流是否也隨溫度變化？正向電流是否也隨溫度變化？ PN結單向導電性在半導體器件中的重要性結單向導電性在半導體器件中的重要性：二極管、三極管、場效應管、可控硅二極管、三極管、場效應管、可控硅 管

10、等元器件的特性都與此有關管等元器件的特性都與此有關。電子電路必須具有電子電路必須具有直流電源直流電源才能工作。才能工作。陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點接觸型點接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線PN結結金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型圖圖 3.3.1 半導體二極管的結構和符號半導體二極管的結構和符號 陰極陰極陽極陽極( d ) 符號符號D反向擊穿反向擊穿電壓電壓U(BR)反向特性反向特性

11、UIPN+PN+)1( TDVVSDeIiVT26 mV (溫度電壓當量）溫度電壓當量）伏安特性：伏安特性：1. 最大整流電流最大整流電流 IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR 二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓給出的最高反向工作電壓UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。3.3.3 二極管的參數(shù)二極管的參數(shù)3.

12、 反向電流反向電流 IR 指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流越小，單向指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流越小，單向導電性越好。溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較導電性越好。溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流大。小，鍺管的反向電流大。4. 二極管的極間電容二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘勢壘電容電容CB和和擴散電容擴散電容CD。勢壘電容：勢壘電容：勢壘區(qū)是勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，積累空間電荷的區(qū)域，當電壓變化時，就會當電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這

13、空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容勢壘電容。4. 二極管的極間電容二極管的極間電容擴散電容：擴散電容：為了形成正向電為了形成正向電流（擴散電流），注入流（擴散電流），注入P 區(qū)的區(qū)的少子（電子）在少子（電子）在P 區(qū)有濃度差，區(qū)有濃度差，越靠近越靠近PN結濃度越大，即在結濃度越大，即在P 區(qū)有電子的積累。同理，在區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產生的積累的電荷多。這樣所產生的電容就是擴散電容電容就是擴散電容CD。勢壘電容勢壘電容CB： 在正向和反向偏置時均不能忽略。在正向和反向偏置時均不能忽略。P

14、N結高頻小信號時的等效電路：結高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電勢壘電容和擴散電容的綜合效應容的綜合效應rd擴散電容擴散電容CD： 在反向偏置時，由于載流子數(shù)目在反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，可以忽略。很少，可以忽略。3.4 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法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，但前提條件是已知二極管的解分析法則較簡單，但前提條

15、件是已知二極管的V V - -I I 特性曲線。特性曲線。例例4.4.1 電路如圖所示，已知二極管的電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源特性曲線、電源VDD和電阻和電阻R，求二極管兩端電壓，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流和流過二極管的電流iD 。 解：由電路的解：由電路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一條斜率為是一條斜率為- -1/R的直線，稱為的直線，稱為負載線負載線 Q的坐標值（的坐標值（VD，ID）即為所求。）即為所求。Q點稱為電路的點稱為電路的工作點工作點3.4.2 二極管二極管V V- -I I 特性的建特性的建

16、模（四種）：模（四種）：理想模型理想模型：正向看成短路正向看成短路(導通）導通）VD0，反向看成，反向看成 開路（截止）開路（截止）。恒壓降模型：恒壓降模型：正向導通壓降取定值（正向導通壓降取定值（ VD 0.7v) ， 反向看成開路（截止）反向看成開路（截止）。折線模型：折線模型：正向導通看成一個電池和一個電阻串聯(lián)，正向導通看成一個電池和一個電阻串聯(lián)， 反向看成開路（截止）反向看成開路（截止）。小信號模型：小信號模型：在正向特性的工作點附近將其等效為在正向特性的工作點附近將其等效為 一個交流電阻一個交流電阻（用于動態(tài)分析）。（用于動態(tài)分析）。 3.4.2 二極管二極管V- I 特性的建模特性

17、的建模 1. 理想模型理想模型 2. 恒壓降模型恒壓降模型 3.4.2 二極管二極管V- I 特性的建模特性的建模3. 3. 折線模型折線模型（a）V-I特性特性 （b）電路模型）電路模型 4. 小信號模型小信號模型 二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，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。其正向特性可以等效成一個微變電阻。DDdivr 即即)1(/SDD TVveIi根據(jù)根據(jù)得得Q點處的微變電導點處的微變電導QdvdigDDd QVvTTeVI/SD TVID dd1gr 則則DIVT 常溫下（常溫下（T=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT 3

18、.4.2 二極管二極管V- I 特性的建模特性的建模RLuiuouiuott例例1：二極管半波整流二極管半波整流實際二極管：實際二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 0.7V(鍺管鍺管0.2V) ;理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 。二極管的應用舉例二極管的應用舉例BD16V12V3k AD2UAB+習題習題3.4.5和本例類似和本例類似例例2tuituRtuoRRLuiuRuo例例3 根據(jù)所給電路及輸入電壓波形根據(jù)所給電路及輸入電壓波形,畫出畫出輸出電壓的波形，設輸出電壓的波形，設uC（0）= 0V。0VV sin18itu t 動畫

19、動畫例例5(略略) 電路如圖所示，電路如圖所示， 二極管二極管D D為理想元件，為理想元件，ui=6sint V， U=3V, 所給輸出電壓所給輸出電壓u uO O 的波形對否？的波形對否？tuOV/63 3 60DVR10V+-又電路如下圖所示，又電路如下圖所示，R = 5k，二極管，二極管D為理想元件，為理想元件，電壓表的讀數(shù)約為幾伏？。電壓表的讀數(shù)約為幾伏？。DuiRUuO+-+-+-10V例6 (略略) 如圖所示，如圖所示， D D1 1、D D2 2 均為理均為理想二極管，想二極管， 設設 U1 =6V =6V U2=8v,=8v,則則 uO= =？若？若U2=5v 呢呢?12VR1

20、R2U2U1D1D2uO+-+-+-解：解： D1D2都導通都導通 u0=6v只有只有D1導通，導通， uo=5V3.5.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管IZmax+穩(wěn)壓二極管符號穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管工作在當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)反向擊穿狀態(tài)下下,當工當工作電流作電流IZ在在Izmax和和 Izmin之間時之間時,其兩端電壓近其兩端電壓近似為常數(shù)似為常數(shù)。穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流正向同正向同二極管二極管穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗ma

21、xZZZMIUP 穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻動態(tài)電阻ZZIUZr例例1 IR IZ Io穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓過程。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓過程。VIVoIZVoVO能夠穩(wěn)定能夠穩(wěn)定IRVR例例2 （1）穩(wěn)壓管電路如圖所示，穩(wěn)壓管電路如圖所示，U Z1=12V=12V，UZ2= 6V= 6V，則電壓則電壓UO等于？等于？（2）當當U S10V， UO 等于等于？20VR1uODZ1DZ2+-+-+-+-UZ1UZ2Us（1） UO= 126 = 6V（2）Uo=(

22、106) R/(R1R)uoiZDZRiLiuiRL zzzWIIU10穩(wěn)壓管的技術參數(shù)穩(wěn)壓管的技術參數(shù):解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為解：令輸入電壓達到上限時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax 。mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi方程方程1穩(wěn)壓二極管的應用舉例穩(wěn)壓二極管的應用舉例（略）（略） 負載電阻負載電阻RL= =2k，要求當輸入電壓由正常值發(fā)生要求當輸入電壓由正常值發(fā)生 20%20%波動時，負載電壓基本不變。波動時，負載電壓基本不變。求：電阻求：電阻R和輸入電壓和輸入電壓 ui 的正的正常值。常值。令輸入電壓降到下限令輸入電壓降到下限時，流過穩(wěn)壓管的電時，流過穩(wěn)壓管的電流為流為Izmin 。mA10minLZWzRUIi1010