模电第03章二极管及其基本电路

1、第三章第三章二极管及其基本电路二极管及其基本电路重点：重点：1.理解理解PN结的单向导电性。结的单向导电性。2.了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；和特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路。会分析含有二极管的电路。（1-2）3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一一. 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体1.导体导体:容易导电的物质，金属一般都是导体。容易导电的物质，金属一般都是导体。2.绝缘体绝缘体:不导电的物质不导电的物质,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。3.半导体半导体(1

2、)导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷化镓导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。(2)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。称热敏特性和光敏特性。称热敏特性和光敏特性。(3)往纯净的半导体中掺入某些杂质往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素其它化学元素)，会，会使它的导电能力明显改变。使它的导电能力明显改变。 半导体为什么有此性质呢？半导体为什么有此性质呢？（1-3）sisi硅原子硅原子(14)(14)Ge锗原子锗原子(32)(32)Ge硅和锗最外层轨道上的四个电子称为硅和锗

3、最外层轨道上的四个电子称为价电子价电子。二二. 本征半导体本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素。价元素。（1-4）1.形成共价键结构，导电形成共价键结构，导电能力较弱能力较弱,接近绝缘体。接近绝缘体。2.光照或受热激发价电子光照或受热激发价电子成为自由电子，导电能力成为自由电子，导电能力增强。这一现象称为增强。这一现象称为本征本征激发激发或或热激发

4、热激发。三三. 本征半导体的本征半导体的共价键结构共价键结构可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。+4+4+4+4硅原子硅原子自由电子自由电子空穴空穴自由电子带负电，自由电子带负电，空穴带正电，都是可以移动的粒子。空穴带正电，都是可以移动的粒子。（1-5） 光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为本征激发本征激发或或热激发热激发。可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。自由电子自由电子带负电的粒子带负电的粒子空穴空穴带正电的粒子带正电的粒子自由电子、空穴统称为载流子。自由电子、空穴统称为载

5、流子。四四. 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。导体的导电性能发生显著变化。 为何呢？为何呢？1、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑或锑)。（1-6）+4+4+5+4多余电子多余电子自由电子自由电子磷原子磷原子硅原子硅原子+整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图。可见：可见：a 、N 型半导体中自由电子很型半导体中自由电子很多多(多数载流子多数载流子)，空穴很少，空穴很少(少数载流子少数载流子) ；b 、导电性能显著增加。、导电性能

6、显著增加。（1-7）2、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟或铟)。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子整块整块P 型半导体示意图型半导体示意图。硅原子硅原子可见：可见：a 、P 型半导体中自由电子很型半导体中自由电子很少少(少少子子)，空穴很多，空穴很多(多子多子)；b 、导电性能显著增加。导电性能显著增加。（1-8）（1-9）综述与问题综述与问题N 型半导体特点型半导体特点: 自由电子很多自由电子很多,空穴很少；空穴很少；整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图:+P 型半导体特点型半导体特点: 自由电子很少自由电子很少,空

7、穴很多；空穴很多；整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图:若将上述二者结合在一起，会如何？若将上述二者结合在一起，会如何？（1-10）P型半导体型半导体N型半导体型半导体+3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性一一. PN 结的形成结的形成内电场内电场空间电荷区空间电荷区耗尽层、势垒区耗尽层、势垒区空间电荷区稳定空间电荷区稳定后形成后形成PN 结结（1-11）PN结结变薄变薄二二. PN 结的特点结的特点单向导电性单向导电性1. PN 结正向偏置结正向偏置(加正向电压加正向电压)P 区加正区加正, N 区加负电压区加负电压内电场内电场外电场外电场+_RE+I当内外电场相互抵消时当内外电场相

8、互抵消时,PN相当于短接相当于短接:正向电流正向电流IE/ /R内电场被削弱，扩散内电场被削弱，扩散运动加强形成较大的运动加强形成较大的电流。电流。（1-12）2、PN 结反向偏置结反向偏置(加反向电压加反向电压) P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。内电场内电场外电场外电场PN结变厚结变厚I0内外电场相互加强内外电场相互加强,PN相当于断开相当于断开: 反向电流反向电流I0-+RE+内电场被加强，扩散受抑内电场被加强，扩散受抑制。漂移加强，形成较小制。漂移加强，形成较小的反向漂移电流的反向漂移电流0。 呈呈现高电阻，现高电阻， PN结截止。结截止。（1-13）3.3 半导体二极管半

9、导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。二极管结构二极管结构两层半导体，一个两层半导体，一个PN结。结。二、图形符号二、图形符号PN阴极阴极阳极阳极D（1-14） 三、伏安特性三、伏安特性(ui关系曲线关系曲线)死区电压死区电压: 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: :( (稳定不变稳定不变) ) 硅管硅管0.7V, 锗管锗管0.3V。反向击穿反向击穿电压电压VBR理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ；导通正向压降；导通正向压降=0； 反向饱和电流反向饱和电流=0 ；反向击穿电压；反向击穿

10、电压=。反向饱和电流反向饱和电流ISIS0vDiD+vD- -EiDVRmA+vD- -EiDVRmA击穿使二极击穿使二极管永久损坏管永久损坏（1-15）)1(eTS VvDDIi其中其中iD、 vD 的关系为的关系为： vD PN结两端的电压降结两端的电压降iD流过流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流VT = =kT/ /q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数：为玻耳兹曼常数：1.381023 J/ /Kq 为电子电荷量为电子电荷量1.6109 CT 为热力学温度为热力学温度,单位为单位为K 对于常温对于常温(相当相当T=300 K)时：则有时

11、：则有VT=0.026V（1-16）关于关于PN结的反向击穿问题结的反向击穿问题 当当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为突然快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。1、热击穿、热击穿 热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，反向电流急剧增大，二极管的结电阻为反向电流急剧增大，二极管的结电阻为0 ，失去单向导失去单向导电性，电性，永久损坏二极管，并很容易烧坏永久损坏二极管，并很容易烧坏PN结。结。 一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此一般的整流、检波二极管击穿时均为热

12、击穿，因此在实际使用中应避免热击穿。在实际使用中应避免热击穿。2、电击穿、电击穿 电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率 ，电流，电流不超过最大值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后不超过最大值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后，二极管仍可恢复原来的工作状态。，二极管仍可恢复原来的工作状态。 稳压二极管稳压二极管(齐纳齐纳二极管二极管)击穿时一般为电击穿。击穿时一般为电击穿。（1-17）RD 0VD =0.7V(硅管硅管) 0.3V(锗管锗管)0(E较大时较大时)相当于短

13、接相当于短接称为导通称为导通E 0.5V(硅管硅管)、 0.2V(锗管锗管)时：时：I 0，处在死区，处在死区,尚未导通。实际中这种情况要避免。尚未导通。实际中这种情况要避免。E 0.7V(硅管硅管)、 0.3V(锗管锗管)时：时：RVEID ERDIRDVD四、实际四、实际二极管特点总结二极管特点总结1、当二极管上加正向电压时：、当二极管上加正向电压时：(即即PN结正向偏置结正向偏置)（1-18）2、当二极管上加反向电压时、当二极管上加反向电压时(即即PN结反向偏置结反向偏置)PN结或二极管具有结或二极管具有E 击穿电压时：击穿电压时：RD , I 0VD E二极管相当于断开二极管相当于断开

14、称为截止。称为截止。E 击穿电压时：击穿电压时：RD 0， VD 0REI 二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。ERDRDVDI 单向导电性单向导电性（1-19）只要只要E0时：时：RD =0，VD =0相当于短接相当于短接称为导通称为导通REI ERDIRDVD五、理想五、理想二极管特点总结二极管特点总结1、当二极管上加正向电压时：、当二极管上加正向电压时：(即即PN结正向偏置结正向偏置)2、当二极管上加反向电压时、当二极管上加反向电压时(即即PN结反向偏置结反向偏置)ERDRDVDI只要只要E0：RD=, I=0, VD E相当于断开相当于断开称

15、为截止。称为截止。PN结或二极管具有结或二极管具有 单向导电性单向导电性（1-20）RLvivovivott二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压vo 的波形。的波形。例例1（1-21）六、六、PN结的电容效应结的电容效应1、势垒电容、势垒电容CB 当当PN结外加反向电压发生变化时，耗尽层结外加反向电压发生变化时，耗尽层(PN结结)的宽度要相应地随之改变，即的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。随之变化，就像电容充放电一样。 空空间间电电荷荷区区W+R+E+PNCB大小大小式式3.2.6（1-2

16、2）2、扩散电容、扩散电容CD 当当PN结外加正向电压不同时，结外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程程。 +耗尽层耗尽层N区区P区区CD大小大小式式3.2.4二极管的极间电容二极管的极间电容(结电容结电容) CdCB + CD电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。（1-23）七、二极管的主要参数七、二极管的主要参数 nA级级 A级级CdCB + CD（1-24）6.半导体二极管、三极管的型号半导体二极管、三极管的型号(国家标准国家标准)

17、2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。用字母表示材料用字母表示材料, , A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、C硅硅PNP管、管、D硅硅NPN管管用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类, , X低频小功率管、低频小功率管、D低频大功低频大功率管、率管、G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功

18、率管、K开关管开关管 用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格三极管三极管3DG110B（1-25）（1-26）3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法一、模型法一、模型法1、理想模型、理想模型(理想二极管模型理想二极管模型)理想二极管特点：理想二极管特点：死区电压死区电压=0 ；导通正向压降；导通正向压降=0； 反向饱和电流反向饱和电流=0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。理想二极管模型理想二极管模型VS0VS0+ v - -+ VS - -iR+ v - -iR+ VS - -+ v - -

19、iR+ VS - -i=VS/ /Ri=0伏安特性伏安特性uiv（1-27）V D为二极管的导通压降。硅管为二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。2、恒压降模型、恒压降模型(实际二极管模型实际二极管模型)实际二极管特点：实际二极管特点：导通正向压降导通正向压降VD硅管硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V ； 反向饱和电流反向饱和电流0 ；反向击穿电压；反向击穿电压。恒压降模型恒压降模型VSVDVSVD+ v - -+ VS - -iR+ v - -iR+ VS - - vDiR+ VS - -i=(VS- -V D)/ /Ri=0伏安特性伏安特性iuDUVD v（1-28）i

20、vVthVth为二极管的死区压降：硅管为二极管的死区压降：硅管 0.5V；锗管；锗管 0.1V。rD为二极管的动态电阻，约为为二极管的动态电阻，约为200 。3、折线模型、折线模型折线降模型将二极管看成：折线降模型将二极管看成： 反向饱和电流反向饱和电流0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。折线模型折线模型斜率为斜率为1/ /rDVSVthVSVth+ v - -+ VS - -iR+ v - -iR+ VS - - VthiR+ VS - -rD+ v - -（1-29）VS为恒定电压；为恒定电压；vi为动态小信号电压。设为动态小信号电压。设：vi Vm sin t 若电路工作在线性段，则根据

21、叠加定理，电路可若电路工作在线性段，则根据叠加定理，电路可等效为：等效为：4、小信号模型、小信号模型所谓小信号模型如图示：所谓小信号模型如图示： + VD - -VSIDR+ vd- -idR+ vi- -rd+ v - -VSiR+ vi- -用前面学过用前面学过的方法求的方法求 )mA()mV(26DIrd+ v - -VSiR+ vi- -（1-30）VS为恒定电压；为恒定电压；vi为动态小信号电压。为动态小信号电压。vi Vm sin t显然，二极管上的电压电流关系，即负载线方程为：显然，二极管上的电压电流关系，即负载线方程为：证明：证明：+ v - -VSiR+ vi- -ivRuu

22、UiiS 当当vi0时时称为称为静态静态，此时负载线称为，此时负载线称为直流负载线直流负载线，它与伏安特性的交点，它与伏安特性的交点Q(VD, ID)称为静态工作点称为静态工作点。RuURuiS 当当vi0时时称为称为动态动态，此时负载，此时负载线称为线称为交流负载线交流负载线，它随，它随vi 的变的变化而移动，它与伏安特性的交点化而移动，它与伏安特性的交点在在Q和和Q之间移动之间移动。VS VS/ /R RQQQVS+VmVS- -Vm（1-31） 此时工作点的变化范围很小，且在此时工作点的变化范围很小，且在Q点附近，即在点附近，即在伏安特性的线性段移动，故对小输入信号伏安特性的线性段移动，

23、故对小输入信号vi而言，二极而言，二极管相当于一个电阻管相当于一个电阻rd，大小可由下列方法求得：，大小可由下列方法求得：ivQivQdduigr 1Qdudi )1(eTS UuIiTTeeTSTSUUQUuQDUIUIdudi )1(eTS UUDDIITeSUUDI TDUI 所以：所以：即：即：DT1IUgrdd )mA()mV(26DI恒压源模型恒压源模型mA3 . 9K1V)7 . 010( I测量值：测量值： 9.32 mA相对误差：相对误差：002 . 032. 99.332. 9 理想二极管模型理想二极管模型mA10K1V10 I相对误差：相对误差：00732. 932. 9

24、10 IR+ E 10V- -1k0.7VIR1k+ E 10V- -IR1k+ E 10V- -例例1求图示二极管上的电流求图示二极管上的电流 I 。 二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，VREF=2V，输，输入信号为入信号为vi。 vi为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、恒压源模型计算电流恒压源模型计算电流I 和输出电压和输出电压 vo解解：(1)采用理想模型分析。采用理想模型分析。 (2)采用恒压源模型模型分析。采用恒压源模型模型分析。mA2k12VV4REFi RUuImA3 . 1k1V7 . 02VV4DR

25、EFi RUUuI例例2VREFI+vi- -R+vo- - vo = VREF=2V vo=VD+VREF=0.7+2=2.7V 如果如果vi为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图的交流三角波，波形如图(b)所示。所示。分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。应的输出电压波形。解：解：(1)采用理想二极管模采用理想二极管模型分析。波形如图所示。型分析。波形如图所示。0-4V4Vvit2V2Vvot例例3VREFI+vi- -R+vo- -02.7Vvot0-4V4Vvit2.7V(2)采用恒压源模型分析，波形如图所

26、示。采用恒压源模型分析，波形如图所示。VREFI+vi- -R+vo- -（1-36）D6V12V3k BAVAB+例例4（1-37）BD16V12V3k AD2VAB+例例5（1-38）vi18sin t V，t 例例6（1-39）二、图解分析法二、图解分析法前提条件：已知二极管的前提条件：已知二极管的V-I曲线。曲线。例例1已知二极管的已知二极管的V-I曲线及其各元件参数曲线及其各元件参数, 求求vD、iDiv+ vD - -VDD iDR解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：vDVDDiDR 在在V-I曲线图上作此直线方程，通过两曲线的交点曲线图

27、上作此直线方程，通过两曲线的交点即可求出即可求出vD、iD 。VDD RUDDiD vD 负载线负载线（1-40）)1(eTS UuDDIi三、迭代法三、迭代法前提条件：已知二极管的前提条件：已知二极管的V-I曲线的数学模型。曲线的数学模型。例例1已知二极管的已知二极管的V-I曲线方程为：曲线方程为：+ vD - -VDD iDR解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：vDVDDiDR 联立两个方程求解即可。联立两个方程求解即可。 求图示电路求图示电路vD、iD 的大小。的大小。（1-41）DZ2、伏安特性、伏安特性3.5 特殊二极管特殊二极管一、齐纳二

28、极管一、齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管)稳压管结构：稳压管结构：两层硅半导体，一个两层硅半导体，一个PN结结viIZmax VZ IZVZIZ稳压管反向击穿时稳压管反向击穿时, 只要只要IZIZmax , 就不会永久击穿。就不会永久击穿。稳定稳定电压电压斜率很大：斜率很大：1/ /rZ= I/ / V1、图形符号、图形符号稳压管正向使稳压管正向使用时与普通硅用时与普通硅二极管相同。二极管相同。死区电压死区电压:0.5V导通压降导通压降: :0.7V - -v+i（1-42） 3、实际稳压管工作原理、实际稳压管工作原理(1)当稳压管正向偏置时当稳压管正向偏置时ERDZIVDRDE 0.5V时：时： I 0，处在死区。稳压管尚未导通。，处在死区。稳压管尚未导通。E 0.7V时：时：稳压管电阻：稳压管电阻： RD 0稳压管电压稳定在稳压管电压稳定在: VD= 0.7V稳压管相当于短接稳压管相当于短接,称为导通称为导通图中电流：图中电流：RVEID （1-43）(2)当稳压管反向偏置时当稳压管反向偏置时ERDZVIZRD稳压作用稳压作用(要求要求IZ IZmax)RVEIZZ 当当EVZ (稳定电压稳定电压,参数之一参数之一)时：时：