模拟电子第五版康光华 第三章 二极管及其基本电路

1、2电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室3.1 半导体的基本知识3.2 PN结的形成及特性第三章 二极管及其基本电路3.3 半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管3电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室本章重点内容2. 2. 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法3. 3. 特殊二极管使用特殊二极管使用1. PN1. PN结结及半导体二极管及半导体二极管的特性的特性第三章 二极管及其基本电路4电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识 3.1.1 3.1.

2、1 半导体材料半导体材料 3.1.2 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构3.1.3 3.1.3 本征半导体本征半导体3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体5电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1.1 半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，可分为：导体、的不同，可分为：导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。典型的半导体有硅典型的半导体有硅SiSi和锗和锗GeGe以及砷化镓以及砷化镓GaAsGaAs等。等。6电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基

3、本电路3.1.2 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构7电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1.3 本征半导体本征半导体本征半导体纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。体形态。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键

4、被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对8电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半

5、导体。掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。9电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1.4 杂质半导体（1 1）N N型半导体型半导体五价杂质原子：五价杂质原子： 4 4个价电子形成共价键，多个价电子形成共价键，多余的余的1 1个价电子因无共价键束个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。缚而很容易形成自由电子。 在在N N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子杂质原子提供；空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷提供自由电

6、子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。主杂质。10电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1.4 杂质半导体（2 2）P P型半导体型半导体 因三价杂质原子在与因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。中留下一个空穴。 在在P P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。

7、空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。因而也称为受主杂质。11电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.1.4 杂质半导体（3 3）杂质对半导体导电性的影响）杂质对半导体导电性的影响 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下一些典型的数据如下: :T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961

8、022/cm3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差10106 6/cm/cm3 3 。 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm312电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2 PN结的形成及特性 3.2.2 PN3.2.2 PN结的形成结的形成3.2.3 PN3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性3.2.4 PN3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿3.2.5 PN3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.1 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散1

9、3电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.1 载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动称为漂移在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。运动。扩散运动：扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。扩散运动。P(a) 多数载流子的扩散运动NP(b) 平衡时阻挡层形成N耗尽层空间电荷区自建场14电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.2 PN结的形成 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促

10、使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 PNPN结形成的物理过程结形成的物理过程: :15电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.2 PN结的形成 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离子薄层形成型半导体结合面，离子薄层形成的的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多

11、子，所以也称耗尽层耗尽层。 16电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称区的电位，称为加正向电压，简称为加正向电压，简称正偏正偏；反之称为加反向电压，简称；反之称为加反向电压，简称反偏反偏。 （1 1）PNPN结加正向电压时结加正向电压时低电阻低电阻大的正向扩散电流大的正向扩散电流17电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.3 PN结的单向导电性（2 2）PNPN结加反向电压时

12、结加反向电压时高电阻高电阻很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，电压的大小无关，这个电流也这个电流也称为称为反向饱和电流反向饱和电流。 18电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；正向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的

13、结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向导电性。结具有单向导电性。 结结 论论3.2.3 PN结的单向导电性19电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.3 PN结的单向导电性（3 3）PNPN结结V-IV-I特性表达式特性表达式其中其中)1e (/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）V026. 0 qkTVTPNPN结的伏安特性结的伏安特性20电气信

14、息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.4 PN结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为然快速增加，此现象称为PNPN结的反向击穿。结的反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿电击穿电击穿可逆可逆21电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.5 PN结的电容效应（1 1）扩散电容）扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图22电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基

15、础教研室第三章 二极管及其基本电路3.2.5 PN结的电容效应（2 2）势垒电容）势垒电容C CB B23电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.3 半导体二极管 3.3.1 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数24电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.3.1 半导体二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。

16、二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。（1 1）点接触型二极管）点接触型二极管二极管的结构示意图（二极管的结构示意图（点接触型点接触型）PNPN结面积小，结面积小，结电容小，用结电容小，用于检波和变频于检波和变频等高频电路。等高频电路。25电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.3.1 半导体二极管的结构（2 2）面接触型二极管）面接触型二极管PNPN结面积大，结面积大，用于工频大用于工频大电流整流电电流整流电路。路。（a a）面接触型）面接触型 （b b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （

17、c c）代表符号）代表符号 26电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示：二极管的伏安特性曲线可用下式表示：)1e (/SDD TVIiv硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性27电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.3.3 二极管的主要参数(1) (1) 最大整流电流最大整流电流I IF F(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBR

18、BR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM(3) (3) 反向电流反向电流I IR R(4) (4) 正向压降正向压降V VF F(5) (5) 极间电容极间电容C CJ J（C CB B、 C CD D ） 当工作电压从正向电压变成反向电压时，电流不能当工作电压从正向电压变成反向电压时，电流不能瞬时截止，需延迟一段时间，延迟的时间就是反向恢复瞬时截止，需延迟一段时间，延迟的时间就是反向恢复时间。时间。T Trrrr直接影响二极管的开关速度，在高频开关状态直接影响二极管的开关速度，在高频开关状态时，通常此值越小越好。大功率开关管工作在高频开关时，通常此值越小越好。大功率开关管工作在

19、高频开关状态时，此项指标至为重要，状态时，此项指标至为重要，T Trrrr越小管子升温越小，效越小管子升温越小，效率越高。率越高。28电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.3.3 二极管的主要参数型号IF(A)VRRM(V)VF(V)TrrCd(pF)封装备注1N4007110001.1-大DO-41低频、普通整流二极管FR107110001.3500ns15DO-41快恢塑封二极管SF10716001.435ns22DO-41超快恢复塑封二极管1N58191400.45 稳压（稳压（0.9V0.9V） 硅（硅（0.7V0.7V） 锗锗= =

20、肖特基（肖特基（0.2V0.2V） 二极管材料粗略判断法二极管选型检波：检波：1N601N60（选用肖特基材料）；（选用肖特基材料）；低压整流：低压整流：1N58191N5819；1N58221N5822；SS24SS24；1N40071N4007；高压高频整流：高压高频整流：FR107FR107；SF107SF107等等等等第三章 二极管及其基本电路二极管补充知识33电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室3.2.13.2.1下次课内容：下次课内容：二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法特殊二极管特殊二极管本次课作业本次课作业 （P97P97）：第四次课第三

21、章 二极管及其基本电路35电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法要求：要求：掌握二极管电路的简化模型分析方法掌握二极管电路的简化模型分析方法36电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件二极管是一种非线性器件电路一般要采用非线电路一般要采用非线性

22、电路的分析方法，相对来说比较复杂性电路的分析方法，相对来说比较复杂; ; 但图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管但图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的的V V - -I I 特性曲线。特性曲线。37电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法例例3.4.1 3.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V V- -I I特性曲线、电源特性曲线、电源V VDDDD和电阻和电阻R R，求二极管两端电压，求二极管两端电压v vD D和流过二极管的电流和流过二极管的电流i iD D 。 解

23、：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为- -1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点38电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二分段线性化，得到二极管特性的等效模型。极管特性的等效模型。)1e (DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V

24、 V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型39电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（2 2）恒压降模型）恒压降模型 （3 3）折线模型）折线模型 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 40电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（4 4）小信号模

25、型）小信号模型 )(11sDDDDvv VRRiv vs s =0 =0 时时, , Q Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。v vs s = =V Vm msinsin t t 时（时（V Vm mVT 。 （a）V-I 特性特性 （b）电路模型）电路模型43电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法2. 模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路 （a a）电路图）电路图 （b b）v vs s和和v vo o的波形的波形44电气信息学院电工电子基础教研室

26、电气信息学院电工电子基础教研室45电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室46电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 V 0D VmA 1/DDD RVI1)1)理想模型理想模型（R=10k ） 当当VDD=10V 时，时，mA 93. 0/ )(DDDD RVVI2)2)恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）3)3)折线模型折线模型V 5 . 0t

27、h V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV47电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R R=1k=1k，V VREFREF=3V=3V，二极管为硅二极管。，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当分别用理想模型和恒压降模型求解，当v vI I =6sin =6sin t t V V时，时，绘出相应的输出电压绘出相应的输出电压v vO O的波形。的波

28、形。 48电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室VREF为3V时的输出波形49电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室双向限幅输出波形50电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AOAO的电压值。的电压值。解：解： 先断开先断开D D，以，以O O为基准电位，为基准电位，即即O O点为点为0V0V。 则接则接D D阳极的电位为阳极的电位为-6V-6V，接阴极的电位为，接阴极的电位为-12V-12V。阳。阳极电

29、位高于阴极电位，极电位高于阴极电位，D D接入时正向导通。导通后，接入时正向导通。导通后，D D的的压降等于零，即压降等于零，即A A点的电位就是点的电位就是D D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AOAO的电压值为的电压值为-6V-6V。51电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室 物电系模拟电路教改课程多媒体课件物电系模拟电路教改课程多媒体课件（5 5）低电压稳压电路）低电压稳压电路52电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析 图示电路

30、中，图示电路中，V VDD DD = 5V= 5V，R R = 5k = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的V VD D=0.7V=0.7V，v vs s = 0.1sin= 0.1sinwt wt V V。（。（1 1）求输出电压）求输出电压v vO O的交流的交流量和总量；（量和总量；（2 2）绘出）绘出v vO O的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。析中非常重要。53电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.5 特殊二极管 3.5.1 3.5

31、.1 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) )3.5.2 3.5.2 变容二极管变容二极管3.5.3 3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管3.5.4 3.5.4 光电子器件光电子器件54电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管)1. 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。压时工作在反向电击穿状态。55电气信息学院电工电子基础教研室电气信息学院电工电子基础教研室第三章 二极管及其基本电路3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管)2. 稳压二极管主要参数(1) (1) 稳定电压稳定电压V VZ Z(2) (2) 动态电阻动态电阻r