第01章-晶體二極管

《電子電路基礎(chǔ)》(BasisofElectronicCircuits)------光電學(xué)院電子工程系------教材：

《電子線路》(線性部分)（第四版）謝嘉奎主編高等教育出版社1999

（東南大學(xué)）《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程》（第三版）楊素行主編

高等教育出版社2006

（清華大學(xué)）參考書：

1、《模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)》（第3版）童詩白，華成英主編，高教出版社，2001（清華）2、《電子技術(shù)基礎(chǔ)》（模擬部分）康華光編著高等教育出版社1999（華中理工）3、《電子線路基礎(chǔ)教程》王成華主編科學(xué)出版社2000一、學(xué)習(xí)本課程的意義三、本課程特點及學(xué)習(xí)方法前言二、目的和任務(wù)四、要求四、要求課程總評成績：由平時成績、階段成績和期末卷面成績加權(quán)構(gòu)成。作業(yè)：每周第一次課交上周作業(yè)，發(fā)上上周作業(yè)本。考勤：課堂隨機點名與課堂簽到相結(jié)合。重修生要求每次簽到。平時成績認定：（占15%-30%）（1）課堂出勤次數(shù)（2）課堂聽課表現(xiàn)/回答問題情況（3）作業(yè)上交次數(shù)（4）每次作業(yè)完成質(zhì)量等過程成績階段成績認定（占30%-45%）：課內(nèi)測驗/階段測驗/中期考試等期末卷面成績：（<=50%）考試資格：課堂缺席1/3，或作業(yè)缺交1/3，期末均無考試資格！在人類發(fā)展歷史中，現(xiàn)代信息技術(shù)的進步，是從電的應(yīng)用開始起步、電子技術(shù)的出現(xiàn)奠定基礎(chǔ)、半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和現(xiàn)代計算機技術(shù)的應(yīng)用迅猛加速而形成今天這種蓬勃興旺的局面的。1838莫爾斯電報1876電話1887赫芝無線電波試驗1897馬可尼跨海無線電通信試驗成功1904真空管1918超外差接收機1920調(diào)幅廣播1925電視1934雷達1945數(shù)字計算機1946晶體管人造衛(wèi)星1958集成電路1961 程控交換機1972 SPICE1979 蜂窩電話1985 IP網(wǎng)絡(luò)1G:模擬蜂窩移動通信系統(tǒng)（主要支持業(yè)務(wù)：語音）2G:數(shù)字…（業(yè)務(wù)：語音、短信、數(shù)據(jù)、圖像）3G:寬帶多媒體………..(支持視頻）B3G/LTE/4G:下行：100Mbps,上行：20Mbps3G三個標準WCDMA(歐洲）→聯(lián)通CDMA2000（北美）→電信TD-SCDMA（中國）→移動移動通信發(fā)展歷程：常用電路仿真軟件：Protel，MaxplusII，Multisim,EWB,Matlab等硬件描述語言（HardwareDescriptionLanguage，HDL）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）復(fù)雜可編程邏輯器件FPGA（FieldProgrammableGateArray）現(xiàn)場可編程門陣列常用大規(guī)模可編程邏輯器件VHDL，VerilogHDL電子技術(shù)發(fā)展的幾個主要趨勢：1969年：Moore定律半導(dǎo)體工藝提高：從10m1m0.1m

集成度的提高，在電子技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)了巨大的變化：

小規(guī)模中規(guī)模大規(guī)模（LSI）超大規(guī)模（VLSI）

電子設(shè)備從電路板二次集成片上系統(tǒng)（SOC）

系統(tǒng)設(shè)計從器件級門級標準單元級可重用模塊（1）分立元件——集成電路（2）模擬電路（信號）——數(shù)字化（3）固定功能——可編程9信號與電子系統(tǒng)信號及其分類圖1.1.1電視系統(tǒng)方框圖信號：信息的載體（隨時間變化的物理量）。 也可用語言、文字、圖像或編碼來表達。但不便于直接傳輸。

電信號：隨時間變化的電壓或電流（便于傳輸）10信號及其分類幾種模擬信號波形(a)正弦波(b)三角波(c)調(diào)幅波(d)阻尼振蕩波(a)(d)(b)(c)信號與電子系統(tǒng)信號的分類模擬信號模擬信號的幅值隨時間呈連續(xù)變化，波形上任意一點的數(shù)值均有其物理意義。數(shù)字信號連續(xù)（模擬）信號離散信號(c)(a)(b)數(shù)字信號采樣幅值量化/編碼12

信號及其分類信號與電子系統(tǒng)信號的分類模擬信號模擬信號的幅值隨時間呈連續(xù)變化，波形上任意一點的數(shù)值均有其物理意義。數(shù)字信號數(shù)字信號波形舉例數(shù)字信號只在某些不連續(xù)的瞬時給出函數(shù)值,其函數(shù)值通常是某個最小單位的整數(shù)倍。電子線路：指包含電子器件、并能對電信號實現(xiàn)某種處理的功能電路。電路組成：電子器件+外圍電路電子器件：二極管、三極管、場效應(yīng)管、集成電路。外圍電路：直流電源、電阻、電容、電感、電流源電路等。電子系統(tǒng)的任務(wù)：不失真地傳遞信號，或?qū)π盘栠M行處理。電子系統(tǒng)：由若干相互關(guān)聯(lián)的單元電子電路組成，用來實現(xiàn)信號的傳輸或信號的處理14電子系統(tǒng)舉例熱電偶溫度計的方框圖爐溫自動控制系統(tǒng)學(xué)習(xí)目標:

能夠?qū)ΤＳ玫碾娮与娐愤M行分析，同時對較簡單的單元電路進行設(shè)計。1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識1.3晶體二極管電路分析方法1.2PN結(jié)1.4晶體二極管的應(yīng)用1.0概述第一章晶體二極管概述晶體二極管結(jié)構(gòu)及電路符號：PN結(jié)正偏（P接+、N接-），D導(dǎo)通。PN正極負極晶體二極管的主要特性：單方向?qū)щ娞匦訮N結(jié)反偏（N接+、P接-），D截止。即主要用途：用于整流、開關(guān)、檢波電路中。半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)。1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識硅(Si)、鍺(Ge)原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核

硅和鍺的單晶稱為本征半導(dǎo)體。它們是制造半導(dǎo)體器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4

硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價鍵1.1.1本征半導(dǎo)體當T升高或光線照射時產(chǎn)生自由電子空穴對。

共價鍵具有很強的結(jié)合力。當T=0K（無外界影響）時，共價鍵中無自由移動的電子。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的重要特征。本征激發(fā)。

本征激發(fā)

當原子中的價電子激發(fā)為自由電子時，原子中留下空位，同時原子因失去價電子而帶正電。

當鄰近原子中的價電子不斷填補這些空位時形成一種運動，該運動可等效地看作是空穴的運動。注意：空穴運動方向與價電子填補方向相反。自由電子—帶負電半導(dǎo)體中有兩種導(dǎo)電的載流子

空穴的運動空穴—帶正電溫度一定時：激發(fā)與復(fù)合在某一熱平衡值上達到動態(tài)平衡。

熱平衡載流子濃度熱平衡載流子濃度：本征半導(dǎo)體中本征激發(fā)——產(chǎn)生自由電子空穴對。電子和空穴相遇釋放能量——復(fù)合。T導(dǎo)電能力ni或光照熱敏特性光敏特性

N型半導(dǎo)體：1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4+4簡化模型：N型半導(dǎo)體多子——自由電子少子——空穴自由電子本征半導(dǎo)體中摻入少量五價元素構(gòu)成。P型半導(dǎo)體+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導(dǎo)體少子——自由電子多子——空穴空穴本征半導(dǎo)體中摻入少量三價元素構(gòu)成。

雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子濃度計算N型半導(dǎo)體（熱平衡條件）（電中性方程）P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性少子濃度取決于溫度。多子濃度取決于摻雜濃度。1.1.3兩種導(dǎo)電機理——漂移和擴散

載流子在電場作用下的運動運動稱漂移運動，所形成的電流稱漂移電流。漂移電流密度總漂移電流密度：遷移率漂移與漂移電流電導(dǎo)率：

半導(dǎo)體的電導(dǎo)率電阻：電壓：

V=E

l電流：I=SJt+-V長度l截面積S電場EI

載流子在濃度差作用下的運動稱擴散運動，所形成的電流稱擴散電流。擴散電流密度:

擴散與擴散電流N型硅光照n(x)p(x)載流子濃度xnopo1.2PN結(jié)多子：多子：空穴少子：自由電子少子：

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:自由電子空穴因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場阻止多子擴散內(nèi)電場促使少子漂移,而少子漂移可削弱內(nèi)電場

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)PN結(jié)的形成多子：空穴多子：自由電子內(nèi)電場方向少子：自由電子少子：空穴內(nèi)電場方向PN結(jié)的形成空間電荷區(qū)（耗盡層）

對于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，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)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。

注意：摻雜濃度（Na、Nd）越大，內(nèi)建電位差

VB

越高，阻擋層寬度

l0

越小。

內(nèi)建電位差：

阻擋層寬度：室溫時鍺管VB0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V1.2.2PN結(jié)的伏安特性PN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場Elo+-VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場減弱多子擴散>>少子漂移多子擴散形成較大的正向電流IPN結(jié)導(dǎo)通I電壓V電流IPN結(jié)——單向?qū)щ娞匦訮+N內(nèi)建電場Elo-+VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強少子漂移>>多子擴散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V近似無關(guān)。溫度T電流IR結(jié)論：PN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。PN結(jié)——伏安特性方程式PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：熱電壓26mV（室溫）其中：

IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時：

反偏時：

PN結(jié)——伏安特性曲線ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN結(jié)VD(on)=0.3V鍺PN結(jié)IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)時隨著V

正向R很小I

PN結(jié)導(dǎo)通；V<0時IR很小(IR-IS)

反向R很大PN結(jié)截止。溫度每升高10℃，IS約增加一倍。溫度每升高1℃，VD(on)約減小2.5mV。|V反|=V(BR)時，IR急劇，

PN結(jié)反向擊穿。1.2.3PN結(jié)的擊穿特性雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)摻雜濃度較低(lo較寬)發(fā)生條件外加反向電壓較大(>6V)

形成原因:

碰撞電離。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因:

場致激發(fā)。

發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高(lo較窄)外加反向電壓較小(<6V)

因為T

載流子運動的平均自由路程V(BR)。

擊穿電壓的溫度特性

雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。

齊納擊穿電壓具有負溫度系數(shù)。因為T

價電子獲得的能量

V(BR)。

穩(wěn)壓二極管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ

利用PN結(jié)的反向擊穿特性，可制成穩(wěn)壓二極管。

要求：Izmin<Iz<Izmax1.2.4PN結(jié)的電容特性勢壘區(qū)內(nèi)空間電荷量隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。

勢壘電容CT

擴散電容CD

阻擋層外（P區(qū)和N區(qū)）貯存的非平衡電荷量,隨外加電壓變化產(chǎn)生的電容效應(yīng)。CT(0)CTV0xn少子濃度x0-xpP+NPN結(jié)電容PN結(jié)反偏時，CT>>CD，則Cj≈CT

PN結(jié)總電容：

Cj=CT+CD

PN結(jié)正偏時，CD>>CT，則Cj≈CD故：PN結(jié)正偏時，以CD為主。故：PN結(jié)反偏時，以CT為主。通常：CD≈幾十PF~

幾千PF。通常：CT≈幾PF~

幾十PF。1.3晶體二極管電路分析方法

晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個PN結(jié)。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示為不同形式的模型：

適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型

便于計算機輔助分析的數(shù)學(xué)模型直流簡化電路模型交流小信號電路模型

電路分析時采用的數(shù)學(xué)模型—伏安特性方程式理想模型：修正模型：rS—

體電阻+引線接觸電阻+引線電阻其中：n—非理想化因子I

正常時:n1I

過小或過大時:n2注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對及表面漏電流的影響，實際IS理想IS。1.3.1晶體二極管的模型曲線模型—伏安特性曲線V(BR)I

(mA)V(V)VD(on)-IS當V>VD(on)時二極管導(dǎo)通當V<VD(on)時二極管截止當反向電壓V

V(BR)時二極管擊穿晶體二極管的伏安特性曲線，通常由實測得到。直流簡化電路模型折線近似：在主要利用二極管單向?qū)щ娦缘碾娐分?，實際二極管的伏安特性。IVVD(on)IV0abIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想二極管：與外電路相比，VD(on)和RD均可忽略時二極管的伏安特性。開關(guān)狀態(tài)：與外電路相比，RD可忽略時的伏安特性。簡化電路模型：折線近似時，二極管的簡化電路模型。（室溫）ivQ小信號電路模型：為二極管增量結(jié)電阻。：PN結(jié)串聯(lián)電阻，數(shù)值很小。Cj：PN結(jié)結(jié)電容，由CD和CT兩部分構(gòu)成。注意：高頻電路中，需考慮Cj影響。因高頻工作時，

Cj容抗很小，PN結(jié)單向?qū)щ娦詴駽j的交流旁路作用而變差。rsrdCj圖解法分析二極管電路主要采用：圖解法、直流簡化分析法、小信號等效電路法。（重點掌握簡化分析法）寫出管外電路直流負載線方程。1.3.2晶體二極管電路分析方法利用二極管曲線模型和管外電路所確定的負載線，通過作圖的方法進行求解。要求：已知二極管伏安特性曲線和外圍電路元件值。分析步驟：作直流負載線。分析直流工作點。優(yōu)點：直觀。既可分析直流，也可分析交流。例1：已知電路參數(shù)和二極管伏安特性曲線，試求電路的靜態(tài)工作點電壓和電流。IVQ+-RVDDDI+-V由圖可寫出直流負載線方程：V=VDD-IR在直流負載線上任取兩點：解：VDDVDD/R連接兩點，畫出直流負載線。VQIQ令I(lǐng)=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交點，即為Q點。

直流簡化分析法

即將電路中二極管用簡化電路模型代替，利用所得到的簡化電路進行分析、求解。

將截止的二極管開路，導(dǎo)通的二極管用直流簡化電路模型替代，然后分析求解。（1）估算法

判斷二極管是導(dǎo)通還是截止？假設(shè)電路中二極管全部開路，分析其兩端的電位。理想二極管：若V>0，則管子導(dǎo)通；反之截止。實際二極管：若V>VD(on)，管子導(dǎo)通；反之截止。當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導(dǎo)通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。例2：設(shè)二極管是理想的，求VAO值。圖(a)，假設(shè)D開路，則D兩端電壓：VD=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K6V9V(b)圖(b)，假設(shè)D1、D2開路，則D兩端電壓：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V

（兩管同時導(dǎo)通會有矛盾）由于VD2>VD1

，則D2優(yōu)先導(dǎo)通此時VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

（2）畫輸出信號波形方法根據(jù)輸入信號大小判斷二極管的導(dǎo)通與截止找出vO與vI關(guān)系畫輸出信號波形。例3：設(shè)二極管是理想的，vi=6sint(V)，試畫vO波形。解：vi>2V時，D導(dǎo)通，則vO=vivi2V時，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。

+-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026vO(V)02vi(V)2轉(zhuǎn)移特性v0~vi小信號分析法

即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用得到的小信號等效電路分析電壓或電流的微變量。分析步驟：

將直流電源短路，畫交流通路。

用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。

利用小信號等效電路分析電壓與電流的微變量。

總量=靜態(tài)工作點+微變量。解：例：如圖電路，設(shè)，且（小信號），求（1）先求由E（大信號）單獨作用時的靜態(tài)工作點（2）作出小信號單獨作用時的小信號模型。i+-Rvs(t)(a)vE+-Δi+-Rvs(t)(c)

小信號模型Δ

uE+-rd（圖解法）IQ+-Rvs(t)(b)大信號單獨作用VQE+-1.4晶體二極管的應(yīng)用直流穩(wěn)壓電源設(shè)備組成框圖：電源變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路vivOtvitv1tv2tv3tvO1.4.1整流與穩(wěn)壓電路當u2(t)在正半周時，D導(dǎo)通，uo(t)=u2(t)

（1）單相半波整流電路u2t0U2muot0U2m輸出電壓uo的平均值：當u2(t)在負半周時，D截止，uo(t)=0u1u2RLuoD+-*T*+-+-原理圖io可見，效率較低ioUo當u2(t)在正半周時，D1,D3導(dǎo)通，D2,D4截止，

uo(t)與u2(t)正半周波形相同，電流i0從bcu2t0U2miou1u2RLuo+-*T*+-+-原理圖io-D1D2D3D4dabcuot0U2m當u2(t)在負半周時，D2,D4

導(dǎo)通，D1,D3截止，電流i0仍從bc

，uo(t)與u2(t)負半周波形反相。全波整流（2）單相橋式整流電路（全波整流）u1u2RLuo+-*T*+-+簡化圖io-輸出電壓uo的直流成分：同理：Io=0.9U2/RL（均為半波整流的2倍）二極管參數(shù)要求：（每個二極管只有半周導(dǎo)通）1.符號及穩(wěn)壓特性

利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)。(a)穩(wěn)壓二極管符號DZ(b)伏安特性UZUZU/V穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動態(tài)電阻rZ

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。rZ=UZ/IZ(3)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(4)*穩(wěn)定電壓溫度系數(shù):定義為=UZ/T2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)rZ

越小，穩(wěn)壓效果越好UZUZU/V3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時UO=UZ(1)穩(wěn)壓原理a.若RL不變而Ui改變?nèi)鬠iUZUZU/VUiUoU0(UZ)IZIRURU0反之，若Ui減小，變化過程相反。b.設(shè)Ui不變而RL變化若RLU0IZIRURU0反之，若RL減小，變化過程相反綜上，經(jīng)穩(wěn)壓后U0基本穩(wěn)定在UZ值#穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？#上述電路Ui為正弦波，且幅值大于UZ

，能實現(xiàn)穩(wěn)壓嗎？UZUZU/VUiUo不行。R稱