模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章二極管及其基本電路

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)第三章二極管及其基本電路第一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

3.1.1

半導(dǎo)體材料

3.1.2

半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

3.1.3

本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用

3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體第二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1.1半導(dǎo)體材料

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。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。第三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)第四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。由于隨機(jī)熱振動(dòng)致使共價(jià)鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對(duì)第五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日電子-空穴對(duì)

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。

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，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)?？昭ǖ囊苿?dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次填充空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.1.4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)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。第七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日1.N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。

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；空穴是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。第八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.P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。

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。

空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。第九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日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

本征硅的原子濃度:3以上三個(gè)濃度基本上依次相差約106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

4.96×1022/cm3

第十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念

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)第十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2

PN結(jié)的形成

3.2.3

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

3.2.4

PN結(jié)的反向擊穿

3.2.5

PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1

載流子的漂移與擴(kuò)散第十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散漂移運(yùn)動(dòng)：由電場(chǎng)作用引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為漂移運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由載流子濃度差引起的載流子的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。第十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

在一塊本征半導(dǎo)體兩側(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

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

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)3.2.2PN結(jié)的形成第十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日第十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。第十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏。

(1)PN結(jié)加正向電壓時(shí)

低電阻

大的正向擴(kuò)散電流第十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(2)PN結(jié)加反向電壓時(shí)

高電阻很小的反向漂移電流

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)電流也稱為反向飽和電流。第十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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彭?yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(3)PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中PN結(jié)的伏安特性IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）第二十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2.4PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿

電擊穿——可逆第二十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)擴(kuò)散電容CD擴(kuò)散電容示意圖外加電壓變化擴(kuò)散到對(duì)方區(qū)域在靠近PN結(jié)附近累積的載流子濃度發(fā)生變化等效于電容充放電第二十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(2)勢(shì)壘電容CB外加電壓變化離子層厚薄變化等效于電容充放電第二十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.3二極管

3.3.1

二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2

二極管的伏安特性

3.3.3

二極管的主要參數(shù)第二十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.3.1二極管的結(jié)構(gòu)

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、面接觸型兩大類(lèi)。(1)點(diǎn)接觸型二極管(a)點(diǎn)接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。第二十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號(hào)

(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。(b)面接觸型第二十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.3.2二極管的V-I特性二極管的V-I特性曲線可用下式表示鍺二極管2AP15的V-I特性硅二極管2CP10的V-I特性第二十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR(3)反向電流IR(6)極間電容Cd（CB、CD）(7)反向恢復(fù)時(shí)間TRR(4)

正向壓降VF(5)動(dòng)態(tài)電阻rd第二十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(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。

(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)。第二十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

(4)正向壓降VF(5)動(dòng)態(tài)電阻rd

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0.5～0.8V；鍺二極管約0.1～0.3V。

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第三十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日半導(dǎo)體二極管圖片第三十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日半導(dǎo)體二極管圖片第三十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.4

二極管的基本電路及其分析方法

3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2

二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法第三十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法

二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。第三十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日例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，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點(diǎn)稱為電路的工作點(diǎn)第三十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模

將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號(hào)（c）正向偏置時(shí)的電路模型（d）反向偏置時(shí)的電路模型第三十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）恒壓降模型（a）V-I特性（b）電路模型（3）折線模型（a）V-I特性（b）電路模型=0.5vvD=Vth+rDiD第三十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4）小信號(hào)模型vs=0時(shí),Q點(diǎn)稱為靜態(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。第三十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

過(guò)Q點(diǎn)的切線可以等效成一個(gè)微變電阻即根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)常溫下（T=300K）則（a）V-I特性（b）電路模型

特別注意：小信號(hào)模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點(diǎn)Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。

第三十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路（a）電路圖（b）vs和vO的波形第四十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日第四十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）靜態(tài)工作情況分析理想模型（R=10k）

當(dāng)VDD=10V時(shí)，恒壓模型（硅二極管典型值）折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)VDD=1V時(shí),分析方法同上（a）簡(jiǎn)單二極管電路（b）習(xí)慣畫(huà)法

第四十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）限幅電路

電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，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)vI=6sintV時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。

第四十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

雙向限幅電路第四十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日

例：

電路如圖，二極管為硅二極管，VD=0.7V，vs=VmsintV，且Vm>>VD

，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。

vs的負(fù)半周，D導(dǎo)通，C充電，但無(wú)放電回路，最后（穩(wěn)態(tài)）VC=Vm-VD=Vm–0.7V（Vm是振幅值）此后輸出電壓為vO=vs+VC=vs+Vm-

0.7V

將輸入波形的底部鉗位在了-0.7V的直流電平上。若顛倒二極管的方向，vO的波形將怎樣變化？第四十五頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日在開(kāi)關(guān)電路中，判斷二極管是導(dǎo)通的還是截止的方法如下：

對(duì)于單只二極管而言，首先將二極管斷開(kāi)，進(jìn)行計(jì)算VP、VN的電壓值，若VP＞VN，則二極管是導(dǎo)通的；若VP＜VN，則二極管是截止的。

對(duì)于并聯(lián)二極管而言，首先將二極管斷開(kāi)，分別進(jìn)行計(jì)算VPi、VNi的電壓值，max(VPi、VNi)并且大于0，則正向電壓值大的二極管先導(dǎo)通，余下的被鉗位。

導(dǎo)通管的壓降看做常值（硅0.7V，鍺0.2V）或0V（理想二極管）；截止管所在支路看做斷開(kāi)，電路中所有二極管判明后，進(jìn)一步計(jì)算所要求的各物理量。（4）開(kāi)關(guān)電路第四十六頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日電路如圖所示，求AO的電壓值解：

先斷開(kāi)D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點(diǎn)為0V。

則接D陽(yáng)極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。例:第四十七頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日例：理想二極管，求VAO解：(c)

VPN1=12V,VPN2=－3V,則D1導(dǎo)通，D2截止。VAO=0V。

(d)

VPN1=12V,VPN2=18V,則D2先導(dǎo)通，D2導(dǎo)通以后，VAO=－6V，此時(shí)D1處于截止?fàn)顟B(tài)。第四十八頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日例：判斷D導(dǎo)通還是截止？解：第四十九頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日例：理想模型輸入電壓為0V或5V求輸入值的不同組合下，輸出電壓值。第五十頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日(5）小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。第五十一頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日例：VI正常值為10V，R=10KΩ，求VI變化±1V時(shí)，相應(yīng)的輸出電壓的變動(dòng)。解：第五十二頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.5特殊二極管

3.5.1

齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)

3.5.2

變?nèi)荻O管

3.5.3

肖特基二極管

3.5.1

光電子器件第五十三頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日3.5.1齊納二極管1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性

利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。(a)符號(hào)(b)伏安特性(c)應(yīng)用電路(b)(a)(c)第五十四頁(yè)，共六十一頁(yè)，編輯于2023年，星期日(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(4)最大穩(wěn)定工作電流