第1章 二极管及其基本电路

1、模拟电子技术基础了解半导体的结了解半导体的结构、导电机理及构、导电机理及特性，理解特性，理解PN结结的形成及单向导的形成及单向导电性，掌握二极电性，掌握二极管的外特性及主管的外特性及主要参数，掌握二要参数，掌握二电路的分析方法。电路的分析方法。 重点：重点： PN结的单结的单向导电性、二极向导电性、二极管的伏安特性及管的伏安特性及主要参数主要参数难点：难点： PN结的形结的形成，二极管电路成，二极管电路分析分析半导体的基本知半导体的基本知识、识、PN结的形成结的形成和特性，和特性，二极管二极管的结构及主要参的结构及主要参数、其他类型的数、其他类型的二极管、二极管二极管、二极管整流电路及二极整流

2、电路及二极管应用电路分析。管应用电路分析。教学要求教学要求主要内容主要内容难点重点难点重点模拟电子技术基础1.3二极管及其参数二极管及其参数1.1半导体的基础知识半导体的基础知识1.4二极管应用电路二极管应用电路1.2PN结的形成及特性结的形成及特性第第1 1章章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路模拟电子技术基础 导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体半导体。 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。很容易产生定向移动，形成电流。 绝

3、缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 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，物质可以划分为的不同，物质可以划分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。半导体分类半导体分类： 元素半导体：硅元素半导体：硅SiSi和锗和锗GeGe；化合物半导体：化合物半导体：砷化镓砷化镓GaAsGaAs等等半导体特点半导体特点：受外界光和热的激励时，导电能力发生显著变化；受外界光和热的激励时，导电能力发生显著变化；在纯净的

4、半导体中加入微量杂质，导电能力显著增加。在纯净的半导体中加入微量杂质，导电能力显著增加。原因是？原因是？模拟电子技术基础将硅或锗材料提纯便形成单晶体将硅或锗材料提纯便形成单晶体共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为价电子。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为价电子。半导体的原子结构为共价键结构。形成共价键后，半导体的原子结构为共价键结构。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，结构稳定。每个原子的最外层电子是八个，结构稳定。常温下价电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少。常温下价电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少。在在T=0K

5、和没有外界激发时，本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。和没有外界激发时，本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。硅晶体的空间排列+4+4+4+4共共价价键键价电子价电子本征半导体本征半导体化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。它在物理结构上呈单晶化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。它在物理结构上呈单晶体形态。体形态。模拟电子技术基础+4+4+4+4原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。这一现象称为本征激发，原子因失掉一个价电子而带正电，或者说空穴带正电。这一现象称为本征激发，也称热激发也称热激发。可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子电子-空穴对空穴对。温温度升高或受到度升高或受

6、到光的照射时，光的照射时，价电子能量增价电子能量增高，将有少数高，将有少数价电子克服共价电子克服共价键的束缚成价键的束缚成为自由电子。为自由电子。空穴：空穴：自由电自由电子产生的同时，子产生的同时，在其原来的共在其原来的共价键中就出现价键中就出现了一个空位，了一个空位，称为空穴。称为空穴。模拟电子技术基础空穴空穴的运动方向与自由电的运动方向与自由电子的运动方向相反子的运动方向相反T模拟电子技术基础模拟电子技术基础 在一定的温度下，本征导体中的载流子浓度是一定的，并且在一定的温度下，本征导体中的载流子浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。温度越高载流子浓度升高，导电能自由电子与空穴的浓度相

7、等。温度越高载流子浓度升高，导电能力增强，反之导电能力减弱。力增强，反之导电能力减弱。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：3cm/104 . 110锗：锗： 本征半导体的导电能力很差，且与温度密切相关，根据这种本征半导体的导电能力很差，且与温度密切相关，根据这种特性，半导体可以用来作热敏和光敏器件。特性，半导体可以用来作热敏和光敏器件。313cm/104 . 2模拟电子技术基础 通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可使半导体的导电性发生显著变化。这种半导质元素，可使半导体的导电性发生显著变化。这种半导体称为

8、体称为。按掺入的杂质元素不同，可形成。按掺入的杂质元素不同，可形成N型半导体和型半导体和P型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就型半导体；控制掺入杂质元素的浓度，就可以控制杂质半导体的导电性能。可以控制杂质半导体的导电性能。 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。 （Negative负的字头 ）掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。半导体。（Positive 正正的字头 )模拟电子技术基础 1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质在本征半导体中掺入五价杂质元素，因五价杂质原子中只有四个元素，因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四

9、个半导体原子中价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。形成自由电子。在在N型半导体中型半导体中，它主要由杂质原子提供；，它主要由杂质原子提供；，由热激发形，由热激发形成。成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为，因此五价杂，因此五价杂质原子也称为质原子也称为。+5N型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构模拟电子技术基础 2. P型半导体型半导体很容易俘获电子，使杂质原子成为很容易俘获电子，使杂质原子成为。三价杂质因而也。三

10、价杂质因而也称为称为。在在P型半导体中型半导体中，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；， 由热激发形成。由热激发形成。在本征半导体中掺入三价杂质元素，在本征半导体中掺入三价杂质元素，因三价杂质原子在与硅原子形成共价因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位，即形成一个留下一个空位，即形成一个空穴。空穴。+3模拟电子技术基础a. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。b. 杂质半导体杂质半导体要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。要远远高于本

11、征半导体，因而其导电能力大大改善。如：如：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: ，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: ，本征硅的原子浓度，本征硅的原子浓度: ，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106/cm3 。c. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。(a)N 型半导体型半导体(b) P 型半导体型半导体 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4. 杂质半导体的简化表示杂质半导体的简化表示模拟电子技术基础由电场作用引起的载流子的运动称为由电场作用引起的载流子的运动称为

12、漂移运动漂移运动。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。模拟电子技术基础内电场内电场Uho阻挡层阻挡层空间电荷区空间电荷区PNN N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P P区。区。（1）扩散扩散运动运动PN（2）空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场（3）动态平衡动态平衡-PN结形成结形成 物质总是由物质总是由的地方向的地方向的地方运动，这种由于的地方运动，这种由于而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。模拟电子技术基础 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

13、电场 内电场促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, ,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。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 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，离子薄层形成的型半导体结合面，离子薄层形成的空间空间电荷区电荷区称为称为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，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 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，称为

14、加区的电位，称为加正向正向电压电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRIPN空间电荷区变窄，有利于空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大扩散运动，电路中有较大的正向电流。的正向电流。在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻大，可接入电阻 R。（1）外加正向电压（正偏）外加正向电压（正偏）模拟电子技术基础（2）外加外加反向电压反向电压( (反偏反偏) )耗尽层耗尽层PN外电场方向

15、外电场方向内电场方向内电场方向VRIS反向接法时，外电场与内电反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电场的作用；外电场使空间电荷区变宽。荷区变宽。不利于扩散运动，有利于漂移不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流电路中产生反向电流 IS ；由；由于少数载流子浓度很低，反向于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。电流数值非常小。反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随着随着温度升高，温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。模拟电子技术基础

16、模拟电子技术基础 (3) PN(3) PN结结V V- -I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性)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 qkTVTmV 26 模拟电子技术基础n为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？n为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是为什么半导体器件的

17、温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？影响温度稳定性的主要因素？n为什么半导体器件有最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？模拟电子技术基础在在PN结上加上引线和封装，就成为一个半导体二极管。结上加上引线和封装，就成为一个半导体二极管。半导休二极管按结构分有半导休二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型。点接触型、面接触型和平面型。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管模拟电子技术基础（1）点接触型二极管）点接触型二极管(a)点接触型点接触型 PN结面积小，结电容小，用于结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。检

18、波和变频等高频电路。（2）面接触型二极管）面接触型二极管(b)面接触型面接触型PN结面积大，用于工频大电流结面积大，用于工频大电流整流电路。整流电路。模拟电子技术基础（3）平面型二极管）平面型二极管(c)平面型平面型阴阴极极引引线线阳阳极极引引线线PNP 型型支支持持衬衬底底（4）二极管的代表符号）二极管的代表符号(d) 代代表表符符号号k 阴阴极极阳阳极极 aD往往用于集成电路制造工艺往往用于集成电路制造工艺中。中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。模拟电子技术基础604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/ mAu

19、 / V二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。当二极管的反向电压增加到当二极管的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为快速增加，此现象称为PN结的结的。不可逆不可逆二极管的电流和温升不断增二极管的电流和温升不断增加，使加，使PN结的发热超过它结的发热超过它的耗散功率。的耗散功率。mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下模拟电子技术基础反向击穿反向击穿电压电压U(BR)外加电压大于死区电压二外加电压大于死区电压二极管才能导通。极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二外加电压大于反向击穿电压二极管被击

20、穿，失去单向导电性。极管被击穿，失去单向导电性。反向特性反向特性UIPN+PN+模拟电子技术基础二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。破坏，甚至过热而烧坏。模拟电子技术基础（1）伏安特性）伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个

21、PN结组成，结组成，反向击穿后在一定的反向击穿后在一定的电流范围内端电压基电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。本不变，为稳定电压。（2）主要参数）主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？限流电阻限流电阻斜率？斜率？进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流限

22、流电阻限流电阻斜率？斜率？不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流限流电阻限流电阻斜率？斜率？模拟电子技术基础2. 2. 发光二极管发光二极管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)(1) (1) 符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mAmA，导，导通电压通电压 (1 (1 2) V2) V符号符号u u /V/Vi i / /mAmAO O2 2特性特性(2)(2)发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿不可见光：不可见光：红外光红外光模拟电子技术基础(3)

23、(3)显示类型：显示类型： 普通普通 LED LED ，点阵点阵 LEDLED七段七段 LED ,LED ,2. 2. 发光二极管发光二极管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)模拟电子技术基础(3)(3)显示类型：显示类型： 普通普通 LED LED ，点阵点阵 LEDLED七段七段 LED LED , ,2. 2. 发光二极管发光二极管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)模拟电子技术基础(3)(3)显示类型：显示类型： 普通普通 LED LED ，点阵点

24、阵 LEDLED七段七段 LED ,LED ,2. 2. 发光二极管发光二极管 LED LED (Light Emitting Diode)(Light Emitting Diode)模拟电子技术基础3. 3. 光电二极管光电二极管符号和特性符号和特性符号符号特性特性u ui iO OE E = 200 lx = 200 lxE E = 400 lx = 400 lx工作原理：工作原理：无光照时，与普通二极管一样。无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。有光照时，分布在第三、四象限。模拟电子技术基础u1u2TD3D2D1D4RLuo电路图结构电路图结构1.4.1 单相桥式整流

25、滤波电路单相桥式整流滤波电路1.4 二极管应用电路模拟电子技术基础u20 时时D1,D4导通导通D2,D3截止截止电流通路电流通路:a D1RLD4bu2V阴阴 二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否则，否则， UAB低于低于6V一个管压降，为一个管压降，为6.3或或6.7V在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。 例例1：电路如电路如右右图，求：图，求：UAB解：解：取取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。阳极和阴极的电位。1.4 二极管应用电路模拟电子技术基础V1阳阳 =6 V，V2阳阳=0 V，V1阴阴 = V2阴阴= 12 V，UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通，优先导通， D1截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V电路如右图，电路如右图，D1承受反向电压为承受反向电压为6 V流过流过 D2 的电流为的电流为mA43/12I2D在这里，在这里， D2 起钳位作起钳位作用，用， D1起隔离作用。起隔离作用。 BD16V12V3k AD2UAB+两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极