模擬電子技術(shù)-半導(dǎo)體二極管及其基本電路概要

模擬電子技術(shù)---半導(dǎo)體二極管及其基本電路概要第一頁(yè)，共54頁(yè)?！?.1半導(dǎo)體導(dǎo)體容易傳導(dǎo)電流的稱(chēng)為導(dǎo)體。如金屬。絕緣體幾乎不傳導(dǎo)電流的稱(chēng)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(shí)，導(dǎo)電能力將發(fā)生顯著變化的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體。如硅(Si)，鍺(Ge)。

第二頁(yè)，共54頁(yè)。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(chēng)為本征半導(dǎo)體。+4+4+4+4+4共價(jià)鍵束縛電子

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(jiǎn)化模型第三頁(yè)，共54頁(yè)。+4+4+4+4+4自由電子空穴

掙脫共價(jià)鍵的束縛自由活動(dòng)的電子空穴自由電子束縛電子成為自由電子后，在共價(jià)鍵中所留的空位。本征激發(fā)第四頁(yè)，共54頁(yè)。

空穴移動(dòng)方向與電子移動(dòng)方向相反，可用空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流代表束縛電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流，空穴遷移就相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)。可將空穴看成是帶正電荷的載流子，自由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?？昭ㄅc自由電子關(guān)系本征半導(dǎo)體中載流子的濃度復(fù)合第五頁(yè)，共54頁(yè)。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(jià)元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)

加+3價(jià)元素硼(B)、鋁(Al)、銦(In)、鎵(Ga)第六頁(yè)，共54頁(yè)。元素周期表第七頁(yè)，共54頁(yè)。1、電子半導(dǎo)(Negative)——N型半導(dǎo)體+5價(jià)元素磷(P)、砷(As)、銻(Sb)等在硅晶體中給出一個(gè)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(lái)自雜質(zhì)）（主要來(lái)自本征半導(dǎo)體）（全部來(lái)自雜質(zhì)）多數(shù)載流子：電子少數(shù)載流子：空穴第八頁(yè)，共54頁(yè)。2、空穴半導(dǎo)(Positive)——P型半導(dǎo)體+3價(jià)元素硼(B)、鋁(Al)、銦(In)、鎵(Ga)等在硅晶體中接受一個(gè)電子，故叫受主原子。

空穴數(shù)目=電子數(shù)+負(fù)離子數(shù)（主要來(lái)自雜質(zhì)）（主要來(lái)自本征半導(dǎo)體）（全部來(lái)自雜質(zhì)）多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：電子第九頁(yè)，共54頁(yè)。§2.2PN結(jié)的形成及特性一、PN結(jié)1952年第一個(gè)PN結(jié)形成。PNPN內(nèi)電場(chǎng)PN結(jié)第十頁(yè)，共54頁(yè)。1、PN結(jié)的形成PN結(jié)的動(dòng)態(tài)平衡因濃度差形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)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(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)畫(huà)3第十一頁(yè)，共54頁(yè)。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(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相反PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)IF第十二頁(yè)，共54頁(yè)。2、外加反向電壓外加電場(chǎng)方向與內(nèi)電場(chǎng)方向相同PN內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)ISIS很小，就可以看作PN結(jié)在外加反向偏置時(shí)呈現(xiàn)出很大的阻值。第十三頁(yè)，共54頁(yè)。

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谑捻?yè)，共54頁(yè)。3、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(shí)，反向電流會(huì)突然增加，這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為PN結(jié)的反向擊穿。反向擊穿熱擊穿電擊穿可利用的，可逆的有害的，易燒壞PN結(jié)根據(jù)產(chǎn)生擊穿的原因，電擊穿又可分為：雪崩擊穿齊納擊穿外加電場(chǎng)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(chǎng)直接破壞共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子空穴對(duì)。第十五頁(yè)，共54頁(yè)。4、PN結(jié)的V—I特性PN結(jié)的V—I特性如圖所示vDiDISVBR反向飽和電流反向擊穿電壓注:VD為PN結(jié)的外加電壓,VT為溫度的電壓當(dāng)量,約為0.026V,IS為反向飽和電流。e=2.71828第十六頁(yè)，共54頁(yè)。§2.3半導(dǎo)體二極管（diode）半導(dǎo)體二極管就是一個(gè)PN結(jié)。一、半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)不同點(diǎn)接觸型面接觸型：適用于高頻檢波和數(shù)字電路開(kāi)關(guān)。：適用于整流摻雜質(zhì)濃度不同對(duì)稱(chēng)PN型P+N型PN+型第十七頁(yè)，共54頁(yè)。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(kāi)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、中功率及小功率等二極管第十八頁(yè)，共54頁(yè)。常見(jiàn)二極管外形第十九頁(yè)，共54頁(yè)。第二十頁(yè)，共54頁(yè)。

圖半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)（a）點(diǎn)接觸型結(jié)構(gòu);（b）面接觸型結(jié)構(gòu);

第二十一頁(yè)，共54頁(yè)。

圖半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)（c）集成電路中的平面型結(jié)構(gòu);（d）圖形符號(hào)第二十二頁(yè)，共54頁(yè)。二極管外形第二十三頁(yè)，共54頁(yè)。二、二極管的V—I特性

圖二極管伏安特性曲線二極管兩端加正向電壓時(shí),就產(chǎn)生正向電流,當(dāng)正向電壓較小時(shí),正向電流極?。◣缀鯙榱悖?這一部分稱(chēng)為死區(qū),相應(yīng)的A(A′)點(diǎn)的電壓稱(chēng)為死區(qū)電壓或門(mén)檻電壓(也稱(chēng)閾值電壓),硅管約為0.5V,鍺管約為0.1V,如圖中OA(OA′)段。(P69)當(dāng)正向電壓超過(guò)門(mén)檻電壓時(shí),正向電流就會(huì)急劇地增大,二極管呈現(xiàn)很小電阻而處于導(dǎo)通狀態(tài)。這時(shí)硅管的正向?qū)▔航导s為0.6~0.7V,鍺管約為0.2~0.3V,如圖中AB(A′B′)段。二極管兩端加上反向電壓時(shí),在開(kāi)始很大范圍內(nèi),二極管相當(dāng)于非常大的電阻,反向電流很小,且不隨反向電壓而變化。此時(shí)的電流稱(chēng)之為反向飽和電流IR,見(jiàn)圖中OC（OC′）段。二極管反向電壓加到一定數(shù)值時(shí),反向電流急劇增大,這種現(xiàn)象稱(chēng)為反向擊穿。此時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓稱(chēng)為反向擊穿電壓,用UBR表示,如圖中CD(C′D′)段。第二十四頁(yè)，共54頁(yè)。UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。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(jí)）第二十五頁(yè)，共54頁(yè)。三、二極管的參數(shù)1、最大整流電流IF：指二極管長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)允許通過(guò)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(shí)要考慮極間電容。P67-68勢(shì)壘電容CB在反向偏置時(shí)作用較大擴(kuò)散電容CD在正向偏置時(shí)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(guò)了這個(gè)頻率二極管就失去了單向?qū)щ娦?。第二十六?yè)，共54頁(yè)。

用萬(wàn)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(wàn)用表和模擬型萬(wàn)用表都可用于鑒別正負(fù)極性。選用歐姆檔的R×100或R×1k(Ω)檔。鑒別時(shí)主要的區(qū)別在于數(shù)字型萬(wàn)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(fù)極；而模擬型萬(wàn)用表則正好相反。數(shù)字型萬(wàn)用表模擬型萬(wàn)用表第二十七頁(yè)，共54頁(yè)。小知識(shí):二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試將萬(wàn)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）。如圖所示

圖萬(wàn)用表簡(jiǎn)易測(cè)試二極管示意圖

(a)電阻小；(b)電阻大第二十八頁(yè)，共54頁(yè)。例3.4.1電路如圖所示，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(guò)二極管的電流iD。解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱(chēng)為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)§2.4二極管基本電路及其分析方法第二十九頁(yè)，共54頁(yè)?！?.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(shí)，管壓降為0V，反向偏置時(shí)，電阻為無(wú)窮大。iDvDiD+vD

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

－iDvD適用：電源電壓>>二極管壓降適用：iD≥1mA第三十頁(yè)，共54頁(yè)。3、折線模型認(rèn)為二極管的壓降隨著電流的增加而增加。可用一個(gè)電池和一個(gè)電阻近似。電池壓降為二極管的門(mén)坎電壓。iDvDiD+vD

－VthrD適用：需考慮到rD變化時(shí)，輸入電壓不高第三十一頁(yè)，共54頁(yè)。4、小信號(hào)模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時(shí)（Vm<<VDD）,將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。第三十二頁(yè)，共54頁(yè)。4、小信號(hào)模型

在靜態(tài)工作點(diǎn)Q附近工作時(shí)，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(hào)模型的微變電阻。vDiD△iD△vD+△vD_△iDrdIDQ適用：二極管僅在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作第三十三頁(yè)，共54頁(yè)。二、分析方法應(yīng)用例1電路如圖所示，分別用理想模型，恒壓降模型和折線模型來(lái)求電路的ID和VD。VDD+10V10KΩ

R解首先標(biāo)出參考方向+vD_ID1)理想模型VD=0V,ID=VDD/R=1mA2)恒壓降模型VD=0.7V,ID=(VDD-VD)/R=0.93mA3）折線模型第三十四頁(yè)，共54頁(yè)。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-

D15V

R=3KΩ12VA+O-解

分析方法：先將要分析的二極管斷開(kāi)，求VDVD=(-15V)-(-12V)=-3V<0所以二極管截止VAO=-12V第三十五頁(yè)，共54頁(yè)。D1D23V2K5VA+O-解

分析方法：如果電路中有兩個(gè)二極管，則將所有二極管都斷開(kāi)，再按前面所學(xué)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)通第三十六頁(yè)，共54頁(yè)。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(kāi)，求VDＢ_++15VＤＡ10V18KO25K140K10K2K5K因?yàn)閂B>VA所以D截止.第三十七頁(yè)，共54頁(yè)。圖二極管半波整流電路

(a)電路；(b)輸出波形

三、晶體二極管應(yīng)用電路舉例

1.整流電路第三十八頁(yè)，共54頁(yè)。2.門(mén)電路(開(kāi)關(guān))

圖二極管門(mén)電路（與門(mén)）第三十九頁(yè)，共54頁(yè)。3.二極管限幅電路圖二極管限幅電路

(a)電路;(b)波形第四十頁(yè)，共54頁(yè)?！?.5特殊二極管一、穩(wěn)壓二極管二極管可分為：普通二極、穩(wěn)壓管、變?nèi)莨?、光電管、發(fā)光管、隧道管、微波管、恒流管等。穩(wěn)壓管又稱(chēng)為齊納二極管，它的雜質(zhì)濃度較大，空間電荷區(qū)很窄，容易形成強(qiáng)電場(chǎng)。產(chǎn)生反向擊穿時(shí)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。

第四十一頁(yè)，共54頁(yè)。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(dòng)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(shuō)，VZ為8V左右的穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻較小，低于這個(gè)電壓的，rZ隨齊納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(dá)300V，它的正向壓降約為0.6V。第四十二頁(yè)，共54頁(yè)。(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ

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。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM=VZIZmax(4)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(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)第四十三頁(yè)，共54頁(yè)。穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ使用穩(wěn)壓管穩(wěn)壓時(shí)，需注意幾點(diǎn)：（1）穩(wěn)壓管反向偏置（管子工作在反相擊穿區(qū)）（2）穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻RL并聯(lián)（3）必須限制流過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ(串聯(lián)限流電阻)，不能超過(guò)規(guī)定值，以免因過(guò)熱燒毀管子第四十四頁(yè)，共54頁(yè)。

穩(wěn)壓管應(yīng)用在如圖所示電路中，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(dāng)Ui=20V時(shí)，求RL的最小值；(2)當(dāng)Ui

=26V時(shí)，求RL的最大值；若RL=∞時(shí)，則將會(huì)產(chǎn)生什么現(xiàn)象?例4解：（1）當(dāng)RL最小時(shí)，通過(guò)RL的電流最大，此時(shí)通過(guò)穩(wěn)壓管的電流為其最小穩(wěn)定工作電流IZmin＝5mA第四十五頁(yè)，共54頁(yè)。例4（2）穩(wěn)壓管可以通過(guò)的最大電流為：

此時(shí)

若

RL=∞時(shí)，RL斷開(kāi)，通過(guò)RL的電流為0，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流將超過(guò)其最大穩(wěn)定工作電流，此時(shí)將會(huì)燒毀穩(wěn)壓管。

穩(wěn)壓管應(yīng)用在如圖所示電路中，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