電模第五章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

電模第五章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路第一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日第五章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體基本知識(shí)PN結(jié)及其特性半導(dǎo)體二極管特性及其應(yīng)用單相整流電路穩(wěn)壓二極管第二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日§5.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)5.1.1概念根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體：容易導(dǎo)電的物體。如：鐵、銅等2.絕緣體：幾乎不導(dǎo)電的物體。如：橡膠等第三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日3.半導(dǎo)體半導(dǎo)體是導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物體。在一定條件下可導(dǎo)電。

半導(dǎo)體的電阻率為10-3～109cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導(dǎo)體特點(diǎn)：

1)在外界能源的作用下，導(dǎo)電性能顯著變化。光敏元件、熱敏元件屬于此類(lèi)。

2)在純凈半導(dǎo)體內(nèi)摻入雜質(zhì)，導(dǎo)電性能顯著增加。二極管、三極管屬于此類(lèi)。第四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日

本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱(chēng)為“九個(gè)9”。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。電子技術(shù)中用的最多的是硅和鍺。硅和鍺都是4價(jià)元素，它們的外層電子都是4個(gè)。其簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型如下圖：鍺硅電子外層電子受原子核的束縛力最小，成為價(jià)電子。物質(zhì)的性質(zhì)是由價(jià)電子決定的。第五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)本征晶體中各原子之間靠得很近，使原分屬于各原子的四個(gè)價(jià)電子同時(shí)受到相鄰原子的吸引，分別與周?chē)乃膫€(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)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。如下圖所示：硅晶體的空間排列共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖第六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日共價(jià)鍵性質(zhì)共價(jià)鍵上的兩個(gè)電子是由相鄰原子各用一個(gè)電子組成的，這兩個(gè)電子被成為束縛電子。束縛電子同時(shí)受兩個(gè)原子的約束，如果沒(méi)有足夠的能量，不易脫離軌道。因此，在絕對(duì)溫度T=0K（-273C）時(shí)，由于共價(jià)鍵中的電子被束縛著，本征半導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子，不導(dǎo)電。只有在激發(fā)下，本征半導(dǎo)體才能導(dǎo)電。第七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日3.電子與空穴+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子共價(jià)鍵當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí)，導(dǎo)體中沒(méi)有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā)，也稱(chēng)熱激發(fā)。第八頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日電子與空穴自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來(lái)的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量相等，人們常稱(chēng)呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。第九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日電子與空穴的復(fù)合可見(jiàn)因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱(chēng)為電子空穴對(duì)。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱(chēng)為復(fù)合，如圖所示。本征激發(fā)和復(fù)合在一定溫度下會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。第十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日空穴的移動(dòng) 由于共價(jià)鍵中出現(xiàn)了空穴，在外加能源的激發(fā)下，鄰近的價(jià)電子有可能掙脫束縛補(bǔ)到這個(gè)空位上，而這個(gè)電子原來(lái)的位置又出現(xiàn)了空穴，其它電子又有可能轉(zhuǎn)移到該位置上。這樣一來(lái)在共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了電荷遷移—電流。電流的方向與電子移動(dòng)的方向相反，與空穴移動(dòng)的方向相同。本征半導(dǎo)體中，產(chǎn)生電流的根本原因是由于共價(jià)鍵中出現(xiàn)了空穴。由于空穴數(shù)量有限，所以其電阻率很大。第十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.1.3雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱(chēng)為雜質(zhì)半導(dǎo)體。(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體第十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成N型半導(dǎo)體,也稱(chēng)電子型半導(dǎo)體。因五價(jià)雜質(zhì)原子中只有四個(gè)價(jià)電子能與周?chē)膫€(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵，而多余的一個(gè)價(jià)電子因無(wú)共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。自由電子在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由雜質(zhì)原子提供；另外，硅晶體由于熱激發(fā)會(huì)產(chǎn)生少量的電子空穴對(duì)，所以空穴是少數(shù)載流子。第十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因失去一個(gè)電子而帶單位正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱(chēng)為施主雜質(zhì)。N型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。磷原子核自由電子所以，N型半導(dǎo)體中的導(dǎo)電粒子有兩種： 自由電子—多數(shù)載流子（由兩部分組成） 空穴——少數(shù)載流子第十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱(chēng)為空穴型半導(dǎo)體。因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。當(dāng)相鄰共價(jià)鍵上的電子因受激發(fā)獲得能量時(shí)，就可能填補(bǔ)這個(gè)空穴，而產(chǎn)生新的空穴?？昭ㄊ瞧渲饕d流子。

第十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

在P型半導(dǎo)體中，硼原子很容易由于俘獲一個(gè)電子而成為一個(gè)帶單位負(fù)電荷的負(fù)離子，三價(jià)雜質(zhì)因而也稱(chēng)為受主雜質(zhì)。

而硅原子的共價(jià)鍵由于失去一個(gè)電子而形成空穴。所以P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。硼原子核空穴P型半導(dǎo)體中：空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成；

電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。第十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

。第十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日本節(jié)中的有關(guān)概念本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體自由電子、空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)第十八頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba第十九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.2PN結(jié)及其特性

PN結(jié)的形成

PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)的電容效應(yīng)第二十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日1.PN結(jié)的形成在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過(guò)擴(kuò)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(shí)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(guò)程:因濃度差多子擴(kuò)散形成空間電荷區(qū)促使少子漂移阻止多子擴(kuò)散擴(kuò)散到對(duì)方的載流子在P區(qū)和N區(qū)的交界處附近被相互中和掉，使P區(qū)一側(cè)因失去空穴而留下不能移動(dòng)的負(fù)離子，N區(qū)一側(cè)因失去電子而留下不能移動(dòng)的正離子。這樣在兩種半導(dǎo)體交界處逐漸形成由正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)（耗盡層）。由于P區(qū)一側(cè)帶負(fù)電，N區(qū)一側(cè)帶正電，所以出現(xiàn)了方向由N區(qū)指向P區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)第二十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由于濃度差異引起的多子的運(yùn)動(dòng)。漂移運(yùn)動(dòng)：由于內(nèi)電場(chǎng)的作用造成的少子的運(yùn)動(dòng)第二十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱(chēng)PN結(jié)擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動(dòng)畫(huà)形成空間電荷區(qū)第二十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日PN結(jié)的形成對(duì)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(chēng)為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱(chēng)耗盡層。由于耗盡層的存在，PN結(jié)的電阻很大。

PN結(jié)的形成過(guò)程中的兩種運(yùn)動(dòng)：多數(shù)載流子擴(kuò)散少數(shù)載流子飄移第二十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕敉饧与妷菏闺娏鲝腜區(qū)流到N區(qū)，PN結(jié)呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。如果外加電壓使PN結(jié)中：

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏；

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱(chēng)為加反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏。第二十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。內(nèi)電場(chǎng)方向PN結(jié)的伏安特性低電阻大的正向擴(kuò)散電流第二十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況

外加的反向電壓方向與PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)。內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用下形成的漂移電流大于擴(kuò)散電流，可忽略擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。

內(nèi)電場(chǎng)方向PN結(jié)的伏安特性

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流。

高電阻很小的反向漂移電流第二十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日（3）PN結(jié)的伏安特性

PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時(shí)，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５诙隧?yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日3.PN結(jié)方程

根據(jù)理論分析，PN結(jié)兩端的電壓V與流過(guò)PN結(jié)的電流I之間的關(guān)系為：其中：IS為PN結(jié)的反向飽和電流；VT稱(chēng)為溫度電壓當(dāng)量，在溫度為300K(27°C) 時(shí)， VT約為26mV；所以上式常寫(xiě)為：第二十九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日PN結(jié)方程PN結(jié)正偏時(shí)，如果V>VT

幾倍以上，上式可改寫(xiě)為：即I隨V按指數(shù)規(guī)律變化。

PN結(jié)反偏時(shí)，如果│V│>VT幾倍以上，上式可改寫(xiě)為：其中負(fù)號(hào)表示為反向。第三十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日4.PN結(jié)的擊穿特性

如圖所示，當(dāng)加在PN結(jié)上的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然急劇增大，PN結(jié)產(chǎn)生電擊穿—這就是PN結(jié)的擊穿特性。 發(fā)生擊穿時(shí)的反偏電壓稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿電壓VBR。

PN結(jié)被擊穿后，PN結(jié)上的壓降高，電流大，功率大。當(dāng)PN結(jié)上的功耗使PN結(jié)發(fā)熱，并超過(guò)它的耗散功率時(shí)，PN結(jié)將發(fā)生熱擊穿。這時(shí)PN結(jié)的電流和溫度之間出現(xiàn)惡性循環(huán)，最終將導(dǎo)致PN結(jié)燒毀。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆第三十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日二極管處于反向偏置時(shí)，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過(guò)PN結(jié)的電流很小，但電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增加，這種現(xiàn)象我們就稱(chēng)為反向擊穿。

擊穿形式分為兩種：雪崩擊穿和齊納擊穿。

齊納擊穿：高摻雜情況下，耗盡層很窄，宜于形成強(qiáng)電場(chǎng)，而破壞共價(jià)鍵，使價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛形成電子－空穴對(duì)，致使電流急劇增加。

*擊穿并不意味著PN結(jié)燒壞。第三十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日雪崩擊穿：如果攙雜濃度較低，不會(huì)形成齊納擊穿，而當(dāng)反向電壓較高時(shí)，能加快少子的漂移速度，從而把電子從共價(jià)鍵中撞出，形成雪崩式的連鎖反應(yīng)。

對(duì)于硅材料的PN結(jié)來(lái)說(shuō)，擊穿電壓〉7v時(shí)為雪崩擊穿，<4v時(shí)為齊納擊穿。在4v與7v之間，兩種擊穿都有。這種現(xiàn)象破壞了PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕覀冊(cè)谑褂脮r(shí)要避免。

第三十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)除了具有單向?qū)щ娦酝?，還有一定的電容效應(yīng)。按產(chǎn)生電容的原因可分為：

勢(shì)壘電容CB，擴(kuò)散電容CD。第三十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日(1)勢(shì)壘電容CB

勢(shì)壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。勢(shì)壘電容的示意圖如下圖。勢(shì)壘電容示意圖第三十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日(2)擴(kuò)散電容CD

擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時(shí)，由N區(qū)擴(kuò)散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復(fù)合，形成正向電流。剛擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。

擴(kuò)散電容示意圖反之，由P區(qū)擴(kuò)散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類(lèi)似的濃度梯度分布曲線。擴(kuò)散電容的示意圖如圖所示。第三十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日擴(kuò)散電容CD當(dāng)外加正向電壓不同時(shí)，擴(kuò)散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過(guò)程。勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容均是非線性電容。

擴(kuò)散電容示意圖PN結(jié)在反偏時(shí)主要考慮勢(shì)壘電容。PN結(jié)在正偏時(shí)主要考慮擴(kuò)散電容。第三十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日§5.3半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類(lèi)型半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體二極管的參數(shù)半導(dǎo)體二極管的溫度特性半導(dǎo)體二極管的型號(hào)穩(wěn)壓二極管半導(dǎo)體二極管及其分析方法第三十八頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類(lèi)。它們的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖所示。(1)點(diǎn)接觸型二極管—

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。點(diǎn)接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖第三十九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日二極管的結(jié)構(gòu)平面型(3)平面型二極管—往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管—

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。面接觸型陰極陽(yáng)極(

符號(hào)D第四十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。5.3.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線第四十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日二極管的伏安特性曲線根據(jù)理論推導(dǎo)，二極管的伏安特性曲線可用下式表示式中IS為反向飽和電流，V為二極管兩端的電壓降，VT=kT/q

稱(chēng)為溫度的電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300K），則有VT=26mV。第四十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日

硅二極管的死區(qū)電壓Vth=0.5V左右，

鍺二極管的死區(qū)電壓Vth=0.1V左右。

當(dāng)0＜V＜Vth時(shí)，正向電流為零，Vth稱(chēng)為死區(qū)電壓或開(kāi)啟電壓。當(dāng)V＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：當(dāng)V＞Vth時(shí)，開(kāi)始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長(zhǎng)。(1)正向特性第四十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)V＜0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：

當(dāng)VBR＜V＜0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱(chēng)反向飽和電流IS

。

當(dāng)V≥VBR時(shí)，反向電流急劇增加，VBR稱(chēng)為反向擊穿電壓。(2)反向特性第四十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日反向特性

在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。

硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很??；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過(guò)渡比較圓滑，反向飽和電流較大。

從擊穿的機(jī)理上看，硅二極管若|VBR|≥7V時(shí),主要是雪崩擊穿；若|VBR|≤4V時(shí),則主要是齊納擊穿。當(dāng)在4V～7V之間兩種擊穿都有，有可能獲得零溫度系數(shù)點(diǎn)。第四十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3.3半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

半導(dǎo)體二極管的參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓VBR、最大反向工作電壓VRM、反向電流IR、最高工作頻率fmax和結(jié)電容Cj等。幾個(gè)主要的參數(shù)介紹如下：

(1)最大整流電流IF——二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過(guò)二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓VBR———和最大反向工作電壓VRM二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值稱(chēng)為反向擊穿電壓VBR。為安全計(jì)，在實(shí)際工作時(shí)，最大反向工作電壓VRM一般只按反向擊穿電壓VBR的一半計(jì)算。第四十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體二極管的參數(shù)

(3)反向電流IR:在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。

(4)正向壓降VF：在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流水平下，約0.6～0.8V；鍺二極管約0.2～0.3V。(5)動(dòng)態(tài)電阻rd：反映了二極管正向特性曲線斜率的倒數(shù)。顯然，rd與工作電流的大小有關(guān)，即rd=VF/IF第四十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3.4半導(dǎo)體二極管的溫度特性

溫度對(duì)二極管的性能有較大的影響，溫度升高時(shí)，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，如硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時(shí)，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降VF(VD)大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。這些可以從所示二極管的伏安特性曲線上看出。第四十八頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.二極管好壞的判定（1）若測(cè)得的反向電阻很大（幾百千歐以上），正向電阻很?。◣浊W以下），表明二極管性能良好。（2）若測(cè)得的反向電阻和正向電阻都很小，表明二極管短路，已損壞。（3）若測(cè)得的反向電阻和正向電阻都很大，表明二極管斷路，已損壞。第四十九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3.5半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：二極管符號(hào)：D代表P型Ge第五十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體二極管圖片第五十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體二極管圖片第五十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體二極管圖片第五十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3.6二極管電路及其分析方法簡(jiǎn)單的二極管電路如圖所示，由二極管、電阻和電壓源組成，其分析方法一般有兩種：圖解法、模型法（等效電路法）。第五十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日IOVBRIS1.圖解法圖示電路可分為A、B兩部分。A部分的電壓與電流關(guān)系：VD=V-IRB部分的電壓與電流關(guān)系就是二極管的伏安特性。在二極管的伏安特性上畫(huà)出VD=V-IR，如圖所示：(V,0)RV(0,)QIDVD最后得出二極管兩端的電壓VD和流過(guò)二極管的電流I，如圖所示。第五十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.模型分析法(1)二極管的大信號(hào)模型： 根據(jù)二極管伏安特性，可把它分成導(dǎo)通和截止兩種狀態(tài)。如圖所示，VD<0.7V截止VD>0.7V導(dǎo)通VD<0.2V截止VD>0.2V導(dǎo)通這就是二極管的大信號(hào)模型。硅管鍺管第五十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日大信號(hào)模型所以二極管導(dǎo)通時(shí)，其上的電壓和流過(guò)它的電流可表示為：一般硅二極管正向?qū)▔航禐?.6V~0.8V

鍺二極管正向?qū)▔航禐?.1V~0.3V以0.7或0.2計(jì)算將引入10%的誤差。但如果V足夠大，則VD實(shí)際引入的誤差并不大。硅管鍺管如果V>>0.7V(0.3V):第五十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日理想模型IDO0.7V理想二極管大信號(hào)模型0.7V第五十八頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日小信號(hào)模型(2)二極管的小信號(hào)模型： 從二極管伏安特性上看出，二極管導(dǎo)通后，其電壓變化量與電流變化量之比近似于常數(shù)：此時(shí)的二極管相當(dāng)于一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻，其阻值是正向特性曲線在工作點(diǎn)上的斜率的倒數(shù)，如圖所示。第五十九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日整流電路的作用:

將交流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槊}動(dòng)的直流電壓。

常見(jiàn)的整流電路：

半波、全波、橋式和倍壓整流；單相和三相整流；可控和不可控整流等。整流原理：

利用二極管的單向?qū)щ娦院途чl管的可控性5.3單相整流濾波電路交流直流整流逆變下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一節(jié)第六十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日一、不控整流電路（1）單相半波整流電路

–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDOu2正半周，Va>Vb，二極管D導(dǎo)通；u2

負(fù)半周，Va<Vb，二極管D截止。utOuoO第六十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日(1)整流電壓平均值Uo(2)整流電流平均值Io(3)流過(guò)二極管電流平均值ID(4)二極管的最高反向電壓URm整流二極管的選擇：平均電流ID與最高反向電壓URm

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。IF

ID

，URURm

第六十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日▲電路及工作原理（2）單相橋式整流電路u1D4D2D1D3RLuou2+－+－+－aTbu2正半周:Va＞Vb，uo=u2D1和D3導(dǎo)通,第六十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日+－+－+－aTbu1D4D2D1D3RLuou2u2負(fù)半周:Va<Vb，uo=－u2D2和D4導(dǎo)通,下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一節(jié)第六十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日uD3,uD1uD4,uD2▲

D上的平均電流：▲

D上承受的最高反向電壓：D1D3D2D4uou2D4D2D1D3RL+-+－∫uodw

t2p02p1Uo==0.9U2UoIo=RLID=12Io▲輸出電壓、電流的平均值：OωtuDuoOωtu2Oωt第六十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日RLu1234ab+

–×RLu1234ab+

–aRLu1234b+

–（1）一只D短路：

半周短路，燒壞二極管、變壓器（2）一只D虛焊：半波整流（3）一只D接反：

半周短路，半周無(wú)輸出，燒壞二極管、變壓器▲常見(jiàn)故障分析：第六十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日▲整流橋塊正確使用：~~輸入交流電壓+輸出直流電壓~~~~▲二極管的選擇：平均電流ID與最高反向電壓URm

是選擇整流二極管的主要依據(jù)。IF

ID

，URURm

第六十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日例：?jiǎn)蜗鄻蚴秸麟娐?，已?負(fù)載電阻

RL=50，負(fù)載電壓Uo=100V，試選擇二極管。

可選用四只2CZ11C，其最大整流電流為1A，反向工作峰值電壓為300V。解：整流二極管的選擇：IF

ID

，URUDRM下一節(jié)上一頁(yè)下一頁(yè)返回上一節(jié)第六十八頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3.7二極管基本應(yīng)用1.利用伏安特性的非線性構(gòu)成（限幅電路）例1：如圖所示：

D1D2vivovovi第六十九頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日二極管基本應(yīng)用|vi|<0.7V時(shí)，D1、D2截止，所以vo=vi|vi|>0.7V時(shí)，D1、D2中有一個(gè)導(dǎo)通，所以vo=0.7V例2：如圖所示：voviD2D1vovi第七十頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日二極管基本應(yīng)用2.利用單向?qū)щ娦詷?gòu)成整流和開(kāi)關(guān)電路 不管輸入信號(hào)處于正或負(fù)半周，負(fù)載上得到的都是正向電壓。全波整流電路：vivoD3D4D2D1vivo第七十一頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日二極管基本應(yīng)用Va、Vb有一個(gè)是低電平（0V）：VO為低電平Va、Vb為高電平（5V）：VO為高電平所以F=A?B開(kāi)關(guān)電路：Va(A)Vb(B)VO(F)D1D25V第七十二頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日例

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO的值。解：假設(shè)二極管斷開(kāi)UP=15VUP>UN二極管導(dǎo)通等效為0.7V的恒壓源UO=VDD1

UD(on)=150.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UOVDD2)/R=(14.312)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN第七十三頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日5.4穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖所示。符號(hào)應(yīng)用電路伏安特性第七十四頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.4.1穩(wěn)壓二極管參數(shù)從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。

(1)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(duì)應(yīng)的反向工作電壓。

(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ——其概念與一般二極管的動(dòng)態(tài)電阻相同，只不過(guò)穩(wěn)壓二極管的動(dòng)態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

rZ=VZ/IZ(3)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ。溫度的變化將使VZ改變，在穩(wěn)壓管中當(dāng)VZ

＞7V時(shí)，VZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿。當(dāng)VZ＜4V時(shí)，VZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿。當(dāng)4V＜VZ

＜7V時(shí)，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。第七十五頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日穩(wěn)壓二極管參數(shù)

(4)最大耗散功率

PZM

——穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率損耗為

PZ=VZIZ，由

PZM和VZ可以決定IZmax。

(5)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin——穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin對(duì)應(yīng)VZmin。若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。第七十六頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日2.4.2穩(wěn)壓管應(yīng)用 穩(wěn)壓管正常工作的兩個(gè)條件：a.

必須工作在反向擊穿狀態(tài)（利用其正向特性除外）；b.流過(guò)管子的電流必須介于穩(wěn)定電流和最大電流之間。典型應(yīng)用如圖所示：當(dāng)輸入電壓vi和負(fù)載電阻RL在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流發(fā)生變化，而穩(wěn)壓管兩端的電壓Vz變化很小，即輸出電壓vo基本穩(wěn)定。問(wèn)題：不加R可以嗎？穩(wěn)壓條件是什么？

電阻R的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過(guò)該電阻上電壓降的變化，以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。第七十七頁(yè)，共八十九頁(yè)，2022年，8月28日穩(wěn)壓管應(yīng)