學習-模電第二章

第二章

半導(dǎo)體二極管及其基本電路半導(dǎo)體PN結(jié)的形成及特性（重點）半導(dǎo)體二極管（Diode）的結(jié)構(gòu)、特性及參數(shù)二極管基本電路及其分析方法（重點）特殊二極管§2.1半導(dǎo)體導(dǎo)體容易傳導(dǎo)電流的稱為導(dǎo)體。如金屬。絕緣體幾乎不傳導(dǎo)電流的稱為絕緣體。如橡膠，陶瓷。半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間，并且受到外界光和熱的刺激或加入微量的雜質(zhì)時，導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。如硅(Si)，鍺(Ge)。一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體完全純凈的，結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。+4+4+4

+4電子＋

4價電子Ge＋

32Si＋

14原子核價電子電子軌道(a)共價鍵(c)+4(b)圖

半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)示意圖（a）硅原子；（b）鍺原子；（c）簡化模型+4+4+4+4+4電子空穴掙脫共價鍵的活動的電子空穴電子電子后，在共價鍵電子成為中所留的空位。本征激發(fā)空穴

與

電子

關(guān)系空穴移動方向與電子移動方向相反，可用空穴移動產(chǎn)生的電流

代表

電子移動產(chǎn)生的電流，空穴遷移就相當于正電荷的移動?？蓪⒖昭闯墒菐д姾傻妮d流子，

電子和空穴均參與導(dǎo)電是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特性。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度復(fù)合二、雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電子半導(dǎo)體(Negative)空穴半導(dǎo)體(Positive

)加+5價元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)加+3價元素硼(B)、鋁(Al)、銦(In)、鎵(Ga)1、電子半導(dǎo)(Negative)——N型半導(dǎo)體+5價元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等在硅晶體中給出一個多余電子，故叫施主原子。電子數(shù)目

=

空穴數(shù)

+

正離子數(shù)（主要來自雜質(zhì)）（主要來自本征半導(dǎo)體）

（全部來自雜質(zhì)）多數(shù)載流子：電子少數(shù)載流子：空穴＋4電子＋4＋4＋4＋5＋4＋4＋4＋4施主原子2、空穴半導(dǎo)(Positive)——P

型半導(dǎo)體+4+4+4+4+3+4+4+4+4受主原子鄰近的電子落入受主的空位留下可移動的空穴可移動的空穴受主獲得一個電子而形成負離子(b)+3價元素硼(B

)、鋁(Al

)、銦(In)、鎵(Ga)等在硅晶體中接受一個電子，故叫受主原子?？昭〝?shù)目

=

電子數(shù)

+

負離子數(shù)（主要來自雜質(zhì)）（主要來自本征半導(dǎo)體）

（全部來自雜質(zhì)）多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：電子§2.2

PN結(jié)的形成及特性一、PN結(jié)1952年第一個PN結(jié)形成。P

N內(nèi)電場PN結(jié)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)的形成PN結(jié)的動態(tài)平衡因濃度差形成多子的擴散運動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場多子擴散達到動態(tài)平衡動畫3二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的單向?qū)щ娦允瞧浠咎匦?、外加正向電壓外加電場方向與內(nèi)電場方向相反PN內(nèi)電場外電場IF2、外加反向電壓

外加電場方向與內(nèi)電場方向相同P

N內(nèi)電場外電場ISIS很小，就可以看作PN結(jié)在外加反向偏置時呈現(xiàn)出很大的阻值。PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，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娦浴?、PN結(jié)的反向擊穿PN結(jié)的外加反向電壓增大到一定的數(shù)值時，反向電流會突然增加，這個現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向擊穿電擊穿

可利用的，可逆的熱擊穿

有害的，易燒壞PN結(jié)根據(jù)產(chǎn)生擊穿的原因，電擊穿又可分為：雪崩擊穿擊穿外加電場作用產(chǎn)生碰撞電離，形成倍增效應(yīng)。在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中，外加電場直接破壞共價鍵，產(chǎn)生電子空穴對。4、PN結(jié)的V—I特性vDPN結(jié)的V—I特性iDSVBR

I反向飽和電流反向擊穿電壓D

Si

I

(evD

/vT

1)注:VD為PN結(jié)的外加電壓,

VT為溫度的電壓當量,約為0.026V,

IS為反向飽和電流。e=2.71828§2.3半導(dǎo)體二極管（diode）結(jié)構(gòu)不同一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管就是一個PN結(jié)。點接觸型：適用于高頻檢波和數(shù)字電路開關(guān)。面接觸型：適用于整流摻雜質(zhì)濃度不同對稱PN型P+N型PN+型按材料分:有硅二極管,鍺二極管和砷化鎵二極管等。按用途分:有整流、穩(wěn)壓、開關(guān)、發(fā)光、光電、變?nèi)?、阻尼等二極管。按封裝形式分:有塑封及金屬封等二極管。按功率分:有大功率、

率及小功率等二極管常見二極管外形圖

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號（a）點接觸型結(jié)構(gòu);（b）面接觸型結(jié)構(gòu);金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(a)鋁合金小球N型硅陽極引線P

N結(jié)金銻合金底座陰極引線(b)陽極陰極引線引線P型支持襯底陰極陽極(d)PNak(c)圖

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號（c）集成電路中的平面型結(jié)構(gòu);

（d）圖形符號2AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c)二極管外形二、二極管的V—I特性10－30－U(BR)CC′D′DIR5O

A′AB′B硅鍺iV

/

mA0.2

0.4

0.6

0.8

uV

/

V(A)－5圖

二極管伏安特性曲線二極管兩端加正向電壓時,就產(chǎn)生正向電流當正向電壓較小時正向電流極小（幾乎為零）,這一部分稱為死區(qū),相應(yīng)的A(A′)點的電壓稱為死區(qū)電壓或門檻電壓(也稱閾值電壓),硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖中OA(OA′)段。(P69)二當二極正極管向管兩電反端壓向加超電上過壓反門加向檻到電電一壓壓定時時數(shù),,在正值開向時始電,反很流大就向范會電圍急流內(nèi)劇急,二地劇極增增管大大相,二,這當極種于管非現(xiàn)呈常象現(xiàn)大稱很的為小電反電阻向阻,反而擊向處穿電于。流導(dǎo)此很通時小狀對,且態(tài)應(yīng)不。的隨這電反時壓向硅稱電管為壓的反而正向變向擊化導(dǎo)。此通穿時壓電的降壓電約,流用為稱U0.B6之R~表0為.7示反V,,鍺如向管圖飽約中和為C電D0流.(2C~I′R0D,.見3′)V,

15圖如段中圖。O中C（ABO(AC′B）′)段。I導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。U反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。UIE+-反向飽和電流（很小，A級）三、二極管的參數(shù)1、最大整流電流IF：指二極管長期運行時允許通過的最大正向平均電流。2、最高反向工作電壓：VBD=

?

VBR（VBR為反向擊穿電壓。）3、極間電容：在高頻時要考慮極間電容。P67-68勢壘電容CB在反向偏置時作用較大擴散電容CD在正向偏置時作用較大4、最高工作頻率：指二極管能保持單向?qū)щ娦缘淖畲箢l率。超過了這個頻率二極管就失去了單向?qū)щ娦?。用萬用表判別二極管的極性及性能1.二極管的極性判別–數(shù)字型萬用表和模擬型萬用表都可用于鑒別正負極性。選用歐姆檔的R×100或R×1k(Ω)檔。–鑒別時主要的區(qū)別在于數(shù)字型萬用表的紅表筆接的是表內(nèi)電池的正極，黑表筆接的是表內(nèi)電池的負極；而模擬型萬用表好相反。數(shù)字型萬用表萬模用擬表型小知識:二極管的簡易測試將萬用表置于R×100或R×1k(Ω)擋（R×1擋電流太大,用R×10k(Ω)擋電壓太高,都易損壞管子）。表頭(a)(b)＋—黑表棒紅表棒＋—黑表棒紅表棒電池—

＋圖

萬用表簡易測試二極管示意圖(a)電阻?。?b)電阻大R解：由電路的KVL方程，可得iD

vD

VDD1

1VDDR

RvD

即iD

是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點§2.4

二極管基本電路及其分析方法例3.4.1

電路 ，已知二極管的V-I特性曲線、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

?！?.4

二極管基本電路及其分析方法一、四種建模1、理想模型正向偏置時，管壓降為0V，反向偏置時，電阻為無窮大。iDvDiDD+

v

－2、恒壓降模型正向偏置時，管壓降為恒定,一般為0.7V，反向偏置時，電阻為無窮大。iD+

vD

－iDvD適用：電源電壓>>二極管壓降適用：iD

≥1mA3、折線模型認為二極管的壓降隨著

電流的增加而增加?？捎靡粋€電池和一個電阻近似。電池壓降為二極管的門坎電壓。DDir

vD

VthiDvDiD+vD

－V

rth

D適用：需考慮到rD變化時，輸入電壓不高4、小信號模型sDDDD

1

(V

v

)RRi

1

vvs

=0

時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs

=Vmsint

時（Vm<<VDD）,

將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I

特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。4、小信號模型在靜態(tài)工作點Q附近工作時，可以將二極管V-I特性看作一條直線，其斜率的倒數(shù)就是二極管小信號模型的微變電阻。vDiD△iD△vDD

DdD

Sdi

IVT

dvD

26mV

r1)rd

vD

/

iDvDi

I

(e+△vD_△iDrdIDQ適用：二極管僅在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作二、分析方法應(yīng)用例1電路

，分別用理想模型，恒壓降模型和折線模型來求電路的ID和VD。+10VVDD10KΩ

R解ID首先標出參考方向理想模型VD=0V,

ID=VDD/R=1mA恒壓降模型VD=0.7V,

ID=(VDD-VD)/R=0.93mA3）折線模型IirDDDDVD

VthI

DrD0.50.931mA

0.2K

0.69V

0.931mA(10

0.2)K1mA(10

0.5)VR

rVth

VDD+vD_

VD

Vth

0.7V

0.5V

0.2K例2設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情況，并求AO兩端的電壓UAO。+

VD

-D15V12VA+R=3KΩO

-解分析方法：先將要分析的二極管斷開，求VDVD=(-15V)-(-12V)=-3V<0所以二極管截止VAO=-12VD1D23V2K5VA+O-解分析方法：如果電路中有兩個二極管，則將所有二極管都斷開，再按前面所學的方法分析，管壓降大的優(yōu)先導(dǎo)通。但VD1>VD2

管壓降大的管子優(yōu)先導(dǎo)通,二極管D1先導(dǎo)通從而導(dǎo)致二極管D2截止VAO=0VVD1=5V>0

所以二極管D1導(dǎo)通VD2=5V-3V=2V>0

所以二極管D2導(dǎo)通例３設(shè)二極管是理想的，分析圖中各二極管的導(dǎo)通或截止情況。解分析方法：先將要分析的二極管斷開，求VDＢ_++15VＤＡ10VO18K

25K140K2K5K15V

1V(140

10)K10KVA

15V(25

5)K5K10V

(18

2)K2K10K

VB

VBO

VO

3.5V因為VB>VA所以D截止.圖

二極管半波整流電路(a)電路；(b)輸出波形—Uim

sin

t

Rui＋—uouo

t0π2π

3π(a)(b)＋三、晶體二極管應(yīng)用電路舉例1.整流電路VD2.

門電路(開關(guān))圖

二極管門電路

（與門）1a2VD1

aVD2b2b1＋

5

V5.1

kuo(a)＋

1V0a1a1b1U

＝

4

Vb2b1＋

5

V5.1

kuo(b)Ua2b2＝5

Va2＋

1V03.

二極管限幅電路圖

二極管限幅電路(a)電路; (b)波形＋10

sin

t

(V)VD＋—uo(a)10

k—＋—5

V1050—

5—

10uiuoui

t(b)uo

/

V§2.5特殊二極管二極管可分為：普通二極、穩(wěn)壓管、變?nèi)莨堋?/p>

光電管、發(fā)光管、隧道管、微波管、恒流管等。一、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管又稱為

二極管，它的雜質(zhì)濃度較大，空間電荷區(qū)很窄，容易形成強電場。產(chǎn)生反向擊穿時反向電流急增。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量很大，只引起很小的電壓變化。圖中的VZ表示反向擊穿電壓，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用在于，電流增量ΔIZ很大，只引起很小的電壓變化ΔVZ。曲線愈陡，動態(tài)電阻rz=ΔVZ/ΔIZ愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈好。一般地說，VZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻較小，低于這個電壓的，rZ隨

電壓的下降迅速增加，因而低壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能較差。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ，低的為3V，高的可達300V，它的正向壓降約為0.6V。穩(wěn)定電壓VZ在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。動態(tài)電阻rZrZ

=VZ

/IZ最大耗散功率PZM=VZIZmax最大穩(wěn)定工作電流Izmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin穩(wěn)壓條件：IZmin

≤IZ≤IZmax穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO

=VZ使用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時，需注意幾點：穩(wěn)壓管反向偏置（管子工作在反相擊穿區(qū)）穩(wěn)壓管應(yīng)與負載電阻RL并聯(lián)必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ(串聯(lián)限流電阻)，過規(guī)定值，以免因過熱燒毀管子穩(wěn)壓管應(yīng)用在

電路中，R=400，已知穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ

=10V,最小電流IZmin=5mA，最大管耗為PZM=150mW。(1)當Ui=20V時，求RL的最小值；(2)當Ui=26V時，求RL的最大值；若RL

=∞時，則將會產(chǎn)生什么現(xiàn)象?例4UiR+DZRLIRIZIRL解：（1）當RL最小時，通過

RL的電流最大，此時通過穩(wěn)壓管的電流為其最小穩(wěn)定工作電流IZmin＝5mARI

Ui

UZR

20

10

25mA400ILmax

IR

IZ

min

25

5

20mAL

minL

maxRI

UZ

10

500

20例4UiR+DZRLIRIZIRL（2）穩(wěn)壓管可以通過的最大電流為：Z

maxZIU

PZM

150

15mA10RI

Ui

UZR

26

10

40mA400ILmin

I

IZ

max

40

15

25mAL

maxL

minRI

UZ

10

400

25此時若RL

=∞時，RL斷開，通過R

的電流L為0，流過穩(wěn)壓管的電流將超過其最大穩(wěn)定工作電流，此時將會燒毀穩(wěn)壓管。穩(wěn)壓管應(yīng)用在

電路中，R=400，已知穩(wěn)壓管DZ的穩(wěn)定電壓UZ

=10V,最小電流IZmin=5mA，最大管耗為PZM=150m