第2章二極管及其應(yīng)用

1、2.1 半導(dǎo)體及半導(dǎo)體及PN結(jié)結(jié)2.3 二極管基本電路二極管基本電路2.4 特殊二極管特殊二極管2.2 二極管二極管電阻電位器電容電感二極管 普通二極管 發(fā)光二極管 穩(wěn)壓二極管 三極管傳感器 溫度傳感器光敏傳感器（光敏二極管和光敏三極管） 磁傳感器（霍爾傳感器） 集成電路 直流穩(wěn)壓源汽車系統(tǒng) 2.1半導(dǎo)體及半導(dǎo)體及PNPN結(jié)結(jié)1. 導(dǎo)體：導(dǎo)體：電阻率電阻率 108 cm 物質(zhì)。如橡膠、物質(zhì)。如橡膠、塑料等。塑料等。3. 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅( (Si) )和鍺

2、和鍺( (Ge) )。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。硅原子結(jié)構(gòu)硅原子結(jié)構(gòu)硅原子結(jié)構(gòu)硅原子結(jié)構(gòu)( (a) )硅的原子結(jié)構(gòu)圖硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱最外層電子稱價(jià)電子價(jià)電子 價(jià)電子價(jià)電子鍺原子也是鍺原子也是 4 價(jià)元素價(jià)元素4 價(jià)元素的原子常常用價(jià)元素的原子常常用+ 4 電荷的正離子和周圍電荷的正離子和周圍 4個(gè)價(jià)電子表示。個(gè)價(jià)電子表示。+4( (b) )簡化模型簡化模型+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。體稱為本征半導(dǎo)體。 將硅或鍺材將硅或鍺材料提

3、純便形成單料提純便形成單晶體，它的原子晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。構(gòu)。價(jià)價(jià)電電子子共共價(jià)價(jià)鍵鍵單晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)單晶體中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)當(dāng)溫度當(dāng)溫度 T = 0 K 時(shí)，半時(shí)，半導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。導(dǎo)體不導(dǎo)電，如同絕緣體。1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 2.1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí) +4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導(dǎo)體中的本征半導(dǎo)體中的 自由電子和空穴自由電子和空穴自由電子自由電子空穴空穴 若若 T ，將有少數(shù)價(jià)，將有少數(shù)價(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成電子克服共價(jià)鍵的束縛成為為自由電子自由電子，在原來的共，在原來的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位價(jià)鍵中留下一個(gè)空位空穴。空穴。

4、T 自由電子自由電子和和空穴空穴使使本本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成帶正電的空穴可看成帶正電的載流子。載流子。1. 半導(dǎo)體中兩種載流子半導(dǎo)體中兩種載流子帶負(fù)電的帶負(fù)電的自由電子自由電子帶正電的帶正電的空穴空穴 2. 本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，稱為稱為 電子電子 - 空穴對(duì)。空穴對(duì)。3. 本征半導(dǎo)體中本征半導(dǎo)體中自由電子自由電子和和空穴空穴的濃度的濃度用用 ni 和和 pi 表示，顯然表示，顯然 ni = pi 。4. 由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又由于物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，自由電子和空穴不

5、斷的產(chǎn)生又不斷的復(fù)合。不斷的復(fù)合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到在一定的溫度下，產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)會(huì)達(dá)到平衡，載流子的濃度就一定了。平衡，載流子的濃度就一定了。5. 載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。2雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體1） N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(Negative)在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價(jià)價(jià)雜質(zhì)元素，如雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成磷、銻、砷等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (或稱電

6、子型半導(dǎo)或稱電子型半導(dǎo)體體) )。常用的常用的 5 價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。價(jià)雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子自由電子施主原子施主原子N 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 本征半導(dǎo)體摻入本征半導(dǎo)體摻入 5 價(jià)元素后，原來晶體中的某些硅原子將價(jià)元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有 5 個(gè)價(jià)電子，其中個(gè)價(jià)電子，其中 4 個(gè)與個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下硅構(gòu)成共價(jià)鍵，多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。即可成為自由電子。 自由電子濃度遠(yuǎn)自由電子

7、濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即大于空穴的濃度，即 n p 。電子稱為多電子稱為多數(shù)載流子數(shù)載流子( (簡稱多子簡稱多子) )，空穴稱為少數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子( (簡稱少子簡稱少子) )。2） P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價(jià)價(jià)雜質(zhì)元素，如雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子空穴濃度多于電子濃度，即濃度，即 p n?？昭昭槎鄶?shù)載流子為多數(shù)載流子，電子為，電子為少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。3 價(jià)雜質(zhì)原子稱為價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子。受主受主原子原子

8、空穴空穴P 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)說明：說明：1. 摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。定少數(shù)載流子的濃度。3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。雜質(zhì)半導(dǎo)體總體上保持電中性。 4. 雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。雜質(zhì)半導(dǎo)體的表示方法如下圖所示。2. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體載流子的數(shù)目載流子的數(shù)目要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于本征半導(dǎo)體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。體，因而其導(dǎo)電能力大大改善。( (a) )N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (b) ) P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的的簡化表示法2.1.2PN 結(jié)結(jié)

9、 在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為 P 型半導(dǎo)體，另型半導(dǎo)體，另一側(cè)摻雜成為一側(cè)摻雜成為 N 型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了型半導(dǎo)體，兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層一個(gè)特殊的薄層(不能移動(dòng)的正、負(fù)離子不能移動(dòng)的正、負(fù)離子)，稱為稱為 PN 結(jié)結(jié)。 PNPN結(jié)結(jié)圖圖 1.2.1PN 結(jié)的形成結(jié)的形成1PN 結(jié)的形成結(jié)的形成一、一、 PN 結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng)耗盡層耗盡層空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN1. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2. 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū)電 子 和 空 穴電 子 和 空 穴濃度差形成濃度差形成多數(shù)多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)載流

10、子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。動(dòng)。 PN 結(jié)，耗結(jié)，耗盡層。盡層。PN3. 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)PN空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)UD空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差 UD 電位壁壘電位壁壘；4. 漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)有利內(nèi)電場(chǎng)有利于少子運(yùn)動(dòng)于少子運(yùn)動(dòng)漂漂移。移。 少 子 的 運(yùn)少 子 的 運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反向相反 阻擋層阻擋層內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層阻擋層。5. 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減?。粩U(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大，擴(kuò)散電流逐漸減小；隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)隨著

11、內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)(電流電流)逐漸增加；逐漸增加；當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí)，PN 結(jié)總的電流結(jié)總的電流空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米 幾十微米；幾十微米；等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即等于零，空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定。即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電壓壁壘電壓壁壘 UD，硅材料約為，硅材料約為( (0.6 0.8) ) V, 鍺材料約為鍺材料約為( (0.2 0.3) ) V。1) 外加正向電壓外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向空間

12、電荷區(qū)空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散空間電荷區(qū)變窄，有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電運(yùn)動(dòng)，電路中有較大的正向電流。流。PN在在 PN 結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2) 外加反向電壓外加反向電壓( (反偏反偏) )反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)反向接法時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致，增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用；電場(chǎng)的作用；外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬；外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，漂移電流大于擴(kuò)不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，

13、漂移電流大于擴(kuò)散電流，電路中產(chǎn)生反向電流散電流，電路中產(chǎn)生反向電流 I ；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小?？臻g電荷區(qū)空間電荷區(qū)圖圖 1.2.3反相偏置的反相偏置的 PN 結(jié)結(jié)反向電流又稱反向電流又稱反向飽和電流反向飽和電流。對(duì)溫度十分敏感對(duì)溫度十分敏感，隨隨著溫度升高，著溫度升高， IS 將急劇增大將急劇增大。PN外電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向內(nèi)電場(chǎng)方向VRIS綜上所述：綜上所述：當(dāng)當(dāng) PN 結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的結(jié)正向偏置時(shí)，回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流，正向電流， PN 結(jié)處于結(jié)處于 導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)通狀態(tài)；當(dāng)；當(dāng) PN 結(jié)

14、反向偏置結(jié)反向偏置時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，時(shí)，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， PN 結(jié)處結(jié)處于于截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)?？梢?，可見， PN 結(jié)具有結(jié)具有單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?3 PN結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)(1) 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD非平衡少子的積累非平衡少子的積累PN+. . .-VVV變化時(shí)，變化時(shí)，P區(qū)區(qū)積累的非平衡少積累的非平衡少子濃度分布圖子濃度分布圖V03V=0V0)LL - -PN+PN結(jié)變寬結(jié)變寬空間電荷層中空間電荷層中的電荷量增大的電荷量增大b. 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)正向偏置電壓降低時(shí)結(jié)正向偏置電壓降低時(shí)可見，空間電荷量隨著可見，空間電荷量隨著PN結(jié)偏置電壓的變化而變化。

15、結(jié)偏置電壓的變化而變化。這種電容效應(yīng)用勢(shì)壘電容這種電容效應(yīng)用勢(shì)壘電容CB表征。表征。V- V ( V0)LL PN+綜上所述：綜上所述：PN 結(jié)總的結(jié)電容結(jié)總的結(jié)電容 Cj 包括勢(shì)壘電容包括勢(shì)壘電容 Cb 和擴(kuò)散電容和擴(kuò)散電容 Cd 兩部分。兩部分。一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電一般來說，當(dāng)二極管正向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容起主要作用，即可以認(rèn)為容起主要作用，即可以認(rèn)為 Cj Cd；當(dāng)反向偏置時(shí)，當(dāng)反向偏置時(shí)，勢(shì)壘電容起主要作用，可以認(rèn)為勢(shì)壘電容起主要作用，可以認(rèn)為 Cj Cb。Cb 和和 Cd 值都很小，通常為幾個(gè)皮法值都很小，通常為幾個(gè)皮法 幾十皮法，幾十皮法，有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮

16、法。有些結(jié)面積大的二極管可達(dá)幾百皮法。Cj = CD + CB 2.2 二極管二極管 2.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與類型二極管的結(jié)構(gòu)與類型 2.2.2 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 2.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 在在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)分立的半結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)分立的半導(dǎo)體二極管元件。導(dǎo)體二極管元件。2.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與類型二極管的結(jié)構(gòu)與類型符號(hào)符號(hào)：D 陽極陽極陰極陰極分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型面接觸型N型鍺型鍺PN 結(jié)結(jié) 正

17、極引線正極引線鋁合金鋁合金小球小球底座底座金銻金銻合金合金平面型平面型點(diǎn)接觸型：點(diǎn)接觸型：正極正極引線引線觸絲觸絲N 型鍺片型鍺片外殼外殼負(fù)極負(fù)極引線引線PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。和變頻等高頻電路。 PN結(jié)面積大，用于低頻大結(jié)面積大，用于低頻大電流整流電路。電流整流電路。往往用于集成電路制造工中。往往用于集成電路制造工中。PN 結(jié)面積可大可小，結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。用于高頻整流和開關(guān)電路中。 半導(dǎo)體二極管圖片)1(/SDD- - TVveIi二極管元件的伏安特性公式表示二極管元件的伏安特性公式表示 2.2.2 二極管的伏安

18、特性二極管的伏安特性0 D/V0.2 0.4 0.6- -20- -40- -605101520- -10- -20- -30- -40iD/ AiD/mAVthVBR鍺二極管鍺二極管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向擊穿反向擊穿特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8- -10- -20- -30- -405101520- -10- -20- -30- -40iD/ AiD/mA死死區(qū)區(qū)VthVBR硅二極管硅二極管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性反向擊穿反向擊穿特性特性反向特性反向特性正向特性正向特性 正向特性

19、：正向特性：在正向特性的起始部分在正向特性的起始部分, ,存在死區(qū)存在死區(qū), ,開啟電壓開啟電壓( (門坎電壓門坎電壓)V)Vthth，硅硅管為管為0.5V0.5V，鍺管為鍺管為0.1V0.1V。導(dǎo)通導(dǎo)通后，管壓降后，管壓降硅管為硅管為0.7V0.7V，鍺管鍺管為為0.2V0.2V 反向特性：反向特性：|V(BR) |V 硅管的反向電流極小，鍺管的反向電流較硅管的反向電流極小，鍺管的反向電流較大。大。硅：小于小于1A；鍺：幾十幾十A幾百幾百A 反向擊穿：反向擊穿：|V | V(BR)PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)的反向電結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突

20、然快速增反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為加，此現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)結(jié)的的反向擊穿。反向擊穿。熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆齊納擊穿齊納擊穿 半導(dǎo)體的摻雜濃度高半導(dǎo)體的摻雜濃度高擊穿電壓低于擊穿電壓低于4V4V擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)擊穿電壓具有負(fù)的溫度系數(shù)空間電荷層中有較強(qiáng)的電場(chǎng)空間電荷層中有較強(qiáng)的電場(chǎng)電場(chǎng)將電場(chǎng)將PNPN結(jié)中的價(jià)電子從共價(jià)鍵中激發(fā)出來結(jié)中的價(jià)電子從共價(jià)鍵中激發(fā)出來擊穿的機(jī)理擊穿的機(jī)理?xiàng)l件條件擊穿的特點(diǎn)擊穿的特點(diǎn)半導(dǎo)體的摻雜濃度低半導(dǎo)體的摻雜濃度低擊穿電壓高于擊穿電壓高于6V6V擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)擊穿電壓具有正的溫度系數(shù)空

21、間電荷區(qū)中就有較強(qiáng)的電場(chǎng)空間電荷區(qū)中就有較強(qiáng)的電場(chǎng)電場(chǎng)使電場(chǎng)使PNPN結(jié)中的少子結(jié)中的少子“碰撞電離碰撞電離”共價(jià)鍵中的價(jià)電子共價(jià)鍵中的價(jià)電子擊穿的機(jī)理擊穿的機(jī)理?xiàng)l件條件擊穿的的特點(diǎn)擊穿的的特點(diǎn) 雪崩擊穿雪崩擊穿溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響溫度對(duì)半導(dǎo)體二極管特性的影響1. 1. 當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。當(dāng)溫度上升時(shí)，死區(qū)電壓、正向管壓降降低。V VD D/ / T T = = （22.522.5）mV/ mV/ C C2. 2. 溫度升高溫度升高，反向飽和電流增大。反向飽和電流增大。即即 溫度每升高溫度每升高1 1C C，管壓降降低（，管壓降降低（22.522.5）mVmV。即

22、即 平均溫度每升高平均溫度每升高1010C C，反向飽和電流增大一倍。，反向飽和電流增大一倍。10002)S(TS(T)TTII-2.2.3 2.2.3 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)1. 1. 額定整流電流額定整流電流I IF F2. 2. 反向擊穿電壓反向擊穿電壓V V(BR)(BR)管子長期運(yùn)行所允許通管子長期運(yùn)行所允許通過的電流平均值。過的電流平均值。 二極管能承受的最高反二極管能承受的最高反向電壓。向電壓。O Oi iD D正向特性正向特性擊穿電壓擊穿電壓死區(qū)死區(qū)電壓電壓V V(BR)(BR)反向特性反向特性V VD D4. 4. 反向電流反向電流I IR R3. 3. 最高允許反

23、向工作電壓最高允許反向工作電壓V VR R為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。為了確保管子安全工作，所允許的最高反向電壓。室溫下加上規(guī)定的反向電壓時(shí)測(cè)得的電流。室溫下加上規(guī)定的反向電壓時(shí)測(cè)得的電流。 V VR R= =（1/22/31/22/3）V V(BR)(BR)5. 5. 正向電壓降正向電壓降V VF F6. 6. 最高工作頻率最高工作頻率f fMM指通過一定的直流測(cè)試電流時(shí)的管壓降。指通過一定的直流測(cè)試電流時(shí)的管壓降。 f fMM與結(jié)電容有關(guān)，當(dāng)工作頻率超過與結(jié)電容有關(guān)，當(dāng)工作頻率超過f fMM時(shí)，二極管的時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹蜗驅(qū)щ娦宰儔摹?2.3 二極管基本電路二極

24、管基本電路 2.3.1 二極管的等效電路二極管的等效電路 2.3.2 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用1.圖解分析方法圖解分析方法 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(duì)來說比較復(fù)雜，而圖用非線性電路的分析方法，相對(duì)來說比較復(fù)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，但前提條件是已知二極管的V V - -I I 特性曲線。特性曲線。例：例： 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 V- -I I 特性曲線、電源特性曲線、電源V VDDDD和和電阻電阻R R，求二極管兩端電壓，求二極管兩端

25、電壓v vD D和流過二極管的電流和流過二極管的電流i iD D 。 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(fù)載線負(fù)載線 Q Q的坐標(biāo)值（的坐標(biāo)值（V VD D，I ID D）即為所求。）即為所求。Q Q點(diǎn)稱為電路的點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)工作點(diǎn) 2 二極管電路的等效模型分析法二極管電路的等效模型分析法1.1.二極管二極管V V- -I I 特性的建模特性的建模 將指數(shù)模型將指數(shù)模型 分段線性化，得到分段線性化，得到二極管特性的等效模型。二極管特性的等效模型。)1

26、e (DSD- - TVIiv（1 1）理想模型理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符號(hào)）代表符號(hào) （c c）正向偏置時(shí)的電路模型）正向偏置時(shí)的電路模型 （d d）反向偏置時(shí)的電路模型）反向偏置時(shí)的電路模型 在實(shí)際電路中,當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí),利用此法是可行的。 2.3.1 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V V- -I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒壓降模型恒壓降模型（a）V-I特性特性 （b）電路模型）電路模型 （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 2.3.1 二極管

27、電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法1. 1.二極管二極管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信號(hào)模型）小信號(hào)模型 過過Q Q點(diǎn)的切線可以等效成點(diǎn)的切線可以等效成一個(gè)微變電阻一個(gè)微變電阻DDdir v即即)1e (/SDD- - TVIiv根據(jù)根據(jù)得得Q Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)點(diǎn)處的微變電導(dǎo)QigDDdddv QVTTVI/SDev TVID dd1gr 則則DIVT 常溫下（常溫下（T T=300K=300K）)mA()mV(26DDdIIVrT QTViD （a a）V V- -I I特性特性 （b b）電路模型）電路模型 2.3.1 二極管電路的簡化模型分析方法二

28、極管電路的簡化模型分析方法1.1.二極管二極管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信號(hào)模型）小信號(hào)模型 特別注意：特別注意： 小信號(hào)模型中的微變電阻小信號(hào)模型中的微變電阻r rd d與靜態(tài)工作點(diǎn)與靜態(tài)工作點(diǎn)Q Q有關(guān)。有關(guān)。 該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且v vD DV VT T 。 （a）V-I特性特性 （b）電路模型）電路模型交流電路2 2模型分析法應(yīng)用舉例模型分析法應(yīng)用舉例（2 2）靜態(tài)工作情況分析）靜態(tài)工作情況分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R R=10k=10k ） 當(dāng)當(dāng)V VDDDD=10V =

29、10V 時(shí)，時(shí)，mA 93. 0/ )(DDDD - - RVVI恒壓模型恒壓模型V 7 . 0D V（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）折線模型折線模型V 5 . 0th V（硅二極管典型值）（硅二極管典型值）mA 931. 0DthDDD - - rRVVI k 2 . 0Dr設(shè)設(shè)V 69. 0DDthD rIVV當(dāng)當(dāng)V VDDDD=1V =1V 時(shí)，時(shí)，請(qǐng)自己考慮？請(qǐng)自己考慮？（a a）簡單二極管電路）簡單二極管電路 （b b）習(xí)慣畫法）習(xí)慣畫法 2.3.2 二極管的應(yīng)用二極管的應(yīng)用1 1 整流電路（整流電路（理想模型理想模型）（a a）電路圖）電路圖 （b b）v vs s和和v vo

30、 o的波形的波形半波整流電路2 2 限幅電路限幅電路 電路如圖，電路如圖，R R = 1k = 1k，V VREFREF = 3V = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)和恒壓降模型求解，當(dāng)v vI I = 6sin = 6sin t t V V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓v vO O的波形。的波形。 3 3 開關(guān)電路（開關(guān)電路（理想模型理想模型）電路如圖所示，求電路如圖所示，求AOAO的電壓值的電壓值解：解： 先斷開先斷開D D，以，以O(shè) O為基準(zhǔn)電位，為基準(zhǔn)電位， 即即O O點(diǎn)為點(diǎn)為0V0V。 則接則接D D陽極的電

31、位為陽極的電位為-6V-6V，接陰，接陰極的電位為極的電位為-12V-12V。陽極電位高于陰極電位，陽極電位高于陰極電位，D D接入時(shí)正向?qū)?。接入時(shí)正向?qū)ā?dǎo)通后，導(dǎo)通后，D D的壓降等于零，即的壓降等于零，即A A點(diǎn)的電位就是點(diǎn)的電位就是D D陽極的電位陽極的電位。所以，所以，AOAO的電壓值為的電壓值為-6V-6V。在分析這種電路時(shí)，即判斷電路中二極管處于導(dǎo)通在分析這種電路時(shí)，即判斷電路中二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)掌握一條基本原則：狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，應(yīng)掌握一條基本原則：1. 1.可以可以先將二極管斷開，確定零電位點(diǎn)先將二極管斷開，確定零電位點(diǎn)，然后觀察，然后觀察（或經(jīng)過計(jì)算）陽

32、、陰兩極間是正向電壓還是反向（或經(jīng)過計(jì)算）陽、陰兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止。2. 2.如果有多個(gè)二極管，則正向電壓如果有多個(gè)二極管，則正向電壓最大者最大者優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通。 例：例：一二極管開關(guān)電路如圖所示。當(dāng)一二極管開關(guān)電路如圖所示。當(dāng)v v 1 1和和v v 2 2為為0V0V或或5V5V時(shí)，求時(shí)，求v v 1 1和和v v 2 2的值不同組合情況下，輸出電壓的值不同組合情況下，輸出電壓 o o的值。設(shè)二極管是理想的。的值。設(shè)二極管是理想的。解：解：(1)當(dāng)當(dāng)v 1=0V, v 2=5V時(shí)時(shí),D1為正向偏置

33、，為正向偏置，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通， vo=0V,此時(shí)此時(shí) D2的陰極電位為的陰極電位為5V，陽極為陽極為0V， 處于反向偏置，故處于反向偏置，故D2截止。截止。(2)(2)以此類推，將以此類推，將v v 1 1和和v v 2 2 的其余三種組合及輸出電壓列于下的其余三種組合及輸出電壓列于下表：表： v v 1 1 v v 2 2 D D1 1 D D2 2 v v0 0 0V 0V 0V 0V 導(dǎo)通導(dǎo)通 導(dǎo)通導(dǎo)通 0V 0V 0V 0V 5V 5V 導(dǎo)通導(dǎo)通 截止截止 0V 0V 5V 5V 0V 0V 截止截止 導(dǎo)通導(dǎo)通 0V 0V 5V 5V 5V 5V 截止截止 截止截止 5V 5V與運(yùn)算與

34、運(yùn)算例例 設(shè)圖示電路中的二極管性能均為理想。試判斷各設(shè)圖示電路中的二極管性能均為理想。試判斷各電路中的二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出電路中的二極管是導(dǎo)通還是截止，并求出A A、B B兩點(diǎn)之兩點(diǎn)之間的電壓間的電壓ABAB值值。 V115 V10 VV2R2 k VABB+_D2AD1(a)V115 V10 VV2R2 k VABB+_D2AD1(b)解解 判斷電路中二極管工作狀態(tài)的方法判斷電路中二極管工作狀態(tài)的方法 1. 1. 斷開二極管，設(shè)定參考零電位點(diǎn)，分析電路斷開二極管，設(shè)定參考零電位點(diǎn)，分析電路斷開點(diǎn)的開路電壓。如果該電壓能使二極管正偏，斷開點(diǎn)的開路電壓。如果該電壓能使二極管正偏，且大于二

35、極管的死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；否則二且大于二極管的死區(qū)電壓，二極管導(dǎo)通；否則二極管截止。極管截止。2. 2. 如果電路中有兩個(gè)二極管，利用方法如果電路中有兩個(gè)二極管，利用方法1 1分別分別判斷各個(gè)二極管兩端的開路電壓，開路電壓高的判斷各個(gè)二極管兩端的開路電壓，開路電壓高的二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后，再根據(jù)電二極管優(yōu)先導(dǎo)通；當(dāng)此二極管導(dǎo)通后，再根據(jù)電路的約束條件，判斷另一個(gè)二極管的工作狀態(tài)。路的約束條件，判斷另一個(gè)二極管的工作狀態(tài)。設(shè)參考零電位點(diǎn)為設(shè)參考零電位點(diǎn)為B B點(diǎn)，對(duì)于圖點(diǎn)，對(duì)于圖 a a，經(jīng)判斷知，經(jīng)判斷知，D D1 1、D D2 2兩端的開路電壓分別為：兩端的開路電壓分別為：D

36、D2 2反偏電壓為反偏電壓為5 V5 VD D1 1導(dǎo)通導(dǎo)通V VAB AB = 0 V= 0 VD D2 2截止截止V115 V10 VV2R2 k VABB+_D2AD1(a)10 V10 V，5 V5 V設(shè)參考零電位點(diǎn)為設(shè)參考零電位點(diǎn)為B B點(diǎn)，對(duì)點(diǎn)，對(duì)于圖于圖 b b，經(jīng)判斷知，經(jīng)判斷知，D D1 1、D D2 2兩端的開路電壓分別為兩端的開路電壓分別為即即 D D1 1上的反偏電壓為上的反偏電壓為15 V15 VD D2 2優(yōu)先導(dǎo)通優(yōu)先導(dǎo)通V VAB AB = = 15 V15 VD D1 1截止截止10 V10 V，25 V25 VD D2 2導(dǎo)通后導(dǎo)通后V115 V10 VV2R

37、2 k VABB+_D2AD1(b)至。為什么？圖二極管是導(dǎo)通還是截下試判斷1V15V1014010VA公式：首先設(shè)D開路，由分壓C解，故D被反向截止。V所以VAB2.5V105255類似，有：VC3.5V12.5102182VVCB再由KVL定律：例：2.4 2.4 特殊二極管特殊二極管2.4.1 2.4.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管特點(diǎn)特點(diǎn)a. a. 正向特性與普通管類似正向特性與普通管類似穩(wěn)壓管通常工作于穩(wěn)壓管通常工作于反向電擊穿狀態(tài)反向電擊穿狀態(tài)伏安特性伏安特性+ +i iZ Zu uZ ZV VZ ZQ QB BA AO OU UZ Zi iZ ZI IZ Z U UZ Z I IZ Z

38、符號(hào)符號(hào)b. b. 反向擊穿特性很陡反向擊穿特性很陡1. 1. 硅穩(wěn)壓管的主要電參數(shù)硅穩(wěn)壓管的主要電參數(shù)(1) (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓U UZ Z(3) (3) 最大允許工作電流最大允許工作電流I IZMZM(4) (4) 最大允許功率耗散最大允許功率耗散P PZMZMV VZ ZQ QB BA AO OU UZ Zi iZ ZI IZ Z U UZ Z I IZ Z(2)動(dòng)態(tài)電阻：動(dòng)態(tài)電阻：ZZIUZrrz越小，穩(wěn)壓性能越好。越小，穩(wěn)壓性能越好。(5) (5) 溫度系數(shù)溫度系數(shù)TVVZZ穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) %TVV100ZZ 一般，一般，VZ 4 V， 7 V， 0 ( (為

39、雪崩擊穿為雪崩擊穿) )具有正溫度系數(shù)；具有正溫度系數(shù)；4 V VZ 7 V， 很小。很小。具有溫度補(bǔ)償?shù)墓璺€(wěn)壓管具有溫度補(bǔ)償?shù)墓璺€(wěn)壓管把一只把一只 為正為正的管子與另一的管子與另一只只 為負(fù)的管為負(fù)的管子串聯(lián)子串聯(lián) 2DW7 系列穩(wěn)壓管結(jié)構(gòu)系列穩(wěn)壓管結(jié)構(gòu)( (a) )2DW7 穩(wěn)壓管外形圖穩(wěn)壓管外形圖( (b) )內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖管子內(nèi)部包括管子內(nèi)部包括兩個(gè)溫度系兩個(gè)溫度系數(shù)相反的二極管對(duì)接數(shù)相反的二極管對(duì)接在一起。在一起。溫度變化時(shí)，一個(gè)二極管被溫度變化時(shí)，一個(gè)二極管被反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而反向偏置，溫度系數(shù)為正值；而另一個(gè)二極管被正向偏置，溫度另一個(gè)二極管被正向偏置，溫

40、度系數(shù)為負(fù)值，二者互相補(bǔ)償，系數(shù)為負(fù)值，二者互相補(bǔ)償，使使 1、2 兩端之間的電壓隨溫度的兩端之間的電壓隨溫度的變化很小。變化很小。例：例： 2DW7C， U = 0.005 %/圖圖 2DW7 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管2. 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)正常穩(wěn)壓時(shí) VO =VZ2.4.1 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理VI VO VZ IZ I R VO RL VO VZ I R IZVO 額定功耗額定功耗 PZ額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。溫升。PZ = UZIZPZ 會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能，使穩(wěn)壓管發(fā)熱。電工手冊(cè)中給出電工手冊(cè)中給出 IZM，IZM = PZ/UZ 例例 求通過穩(wěn)壓管的電流求通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流電是限流電阻，其值是否合適？阻，其值是否合適？IZVDZ+20 VR = 1.6