模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)：第3章 二極管及其基本電路

第3章二極管及其基本電路物體導(dǎo)電性能分類：

導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導(dǎo)體：另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。3.1半導(dǎo)體的基本知識

半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理不同于其它物質(zhì)，所以它具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強3.1.1半導(dǎo)體材料共價鍵共用電子對（束縛電子）+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子

共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。3.1.2半導(dǎo)體(硅和鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)1)載流子：(自由電子和空穴)3.1.3

本征半導(dǎo)體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體性能：

在T=0K時，基本沒有導(dǎo)電粒子（即電荷載流子，簡稱載流子），基本不導(dǎo)電。

在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。（本征激發(fā)）+4+4+4+4空穴束縛電子自由電子本征激發(fā)在一定的溫度條件下，本征半導(dǎo)體的束縛電子獲得能量變?yōu)樽杂呻娮印?)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4

*

空穴吸引附近的電子來填補,相當(dāng)于空穴的遷移，可以認為空穴是載流子?？昭◣д姾?，空穴子移動形成電流。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。

*

電子帶負電核，電子移動形成電流（和電流規(guī)定的方向相反）。

*溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力很弱,且隨環(huán)境溫度而變化。在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（空穴型半導(dǎo)體）。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱為（電子型半導(dǎo)體）。3.1.4

雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+5+4多余電子磷原子N型半導(dǎo)體中的載流子：1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。

摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。在本征半導(dǎo)體中摻入少量的五價元素磷（或銻），外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子五價元素磷稱為施主原子。一、N型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些半導(dǎo)體原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。二、P型半導(dǎo)體三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。

1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量主要與

有關(guān)。

（a.摻雜濃度、b.溫度、c.半導(dǎo)體材料類型）

2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量主要與

有關(guān)。（a.摻雜濃度、b.溫度、c.摻入的原子）

3.當(dāng)溫度升高時，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基本概念練習(xí)：－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－3.2

PN結(jié)的形成及特性PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。形成空間電荷區(qū)

內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

1.PN結(jié)加正向電壓（即正偏）PN結(jié)變窄

P區(qū)接正極、N區(qū)接負極外電場IF

內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–☆

PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正

溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－正向電流是否也隨溫度變化？☆

PN結(jié)單向?qū)щ娦栽诎雽?dǎo)體器件中的重要性：⑴二極管、三極管、場效應(yīng)管、可控硅管等元器件的特性都與此有關(guān)。⑵電子電路必須具有直流電源才能工作。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)

點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號2.3.1

二極管的結(jié)構(gòu)陰極陽極(

d

)

符號D3.3

二極管2.3.2二極管的V--I特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于反向擊穿電壓，二極管被擊穿，（雪崩擊穿、齊納擊穿）失去單向?qū)щ娦浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VvDiD死區(qū)電壓VthPN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。VT＝26mV(溫度電壓當(dāng)量）伏安特性（二極管方程）：1.最大整流電流

IF二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓UBR

二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UWRM一般是UBR的一半。3.3.3二極管的參數(shù)3.反向電流

IR

指二極管未擊穿時的反向電流。反向電流越小，單向?qū)щ娦栽胶?。溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流大。4.二極管的極間電容二極管的兩極之間有電容，此電容由兩部分組成：勢壘電容CB和擴散電容CD。勢壘電容：勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容。擴散電容：為了形成正向電流（擴散電流），注入P區(qū)的少子（電子）在P

區(qū)有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在P區(qū)有電子的積累。同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。P+-N勢壘電容CB：在正向和反向偏置時均不能忽略。PN結(jié)高頻小信號時的等效電路：勢壘電容和擴散電容的綜合效應(yīng)rd擴散電容CD：在反向偏置時，由于載流子數(shù)目很少，可以忽略?！?.4二極管基本電路及其分析方法2.4.1二極管V-I特性的模型理想模型：正向看成短路(導(dǎo)通）VD＝0，反向看成開路（截止）。恒壓降模型：正向?qū)▔航等《ㄖ担╒D＝0.7v)，

反向看成開路（截止）。小信號模型：在正向特性的工作點附近將其等效為一個交流電阻。

3.4.1二極管V-I特性的建模1.理想模型2.恒壓降模型3.小信號模型4.小信號模型

二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個微變電阻。即根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)則常溫下（T=300K）

3.4.1二極管V-I特性的建模RLuiuouiuott例1：二極管半波整流判斷二極管導(dǎo)通與否的方法：假想斷開二極管，再分析二極管陽極和陰極的電位實際二極管：死區(qū)電壓=0.5V，正向壓降

0.7V(鍺管≈0.2V);理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0?！?.4.2二極管的應(yīng)用舉例tttuiuRuoRRLuiuRuo例2根據(jù)所給電路及輸入電壓波形,畫出輸出電壓的波形。

兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。分析：U1陽

=－6V，U2陽=0V，U1陰

=U2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

D1承受反向電壓為－6V根據(jù)所給電路,求UAB的值

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3k

AD2UAB+–習(xí)題3.4.5和本例類似例3

當(dāng)D2

優(yōu)先導(dǎo)通時，則D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V。ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫例4例5(略)

電路如圖所示，二極管D為理想元件，⑴ui=6sinωt

V，U=3V,

所給輸出電壓uO

的波形對否？⑵又電路如下圖所示，R=

5k，二極管D為理想元件，電壓表的讀數(shù)約為幾伏？。DuiRUuO+-+-+-10V√例6(略)

如圖所示，D1、D2

均為理想二極管，設(shè)

U1=6VU2=8v,則uO=？若U2=5v呢?解：⑴D1D2都導(dǎo)通

u0=6v⑵只有D1導(dǎo)通，

uo=5V例7(略)+9V-+1V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止-9V+-1V+

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止解：判別二極管是導(dǎo)通還是截止。+18V-+2V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-導(dǎo)通例8(略)3.5特殊二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管IZmax+－穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特