二极管工作原理基础知识

第一章晶体二极 电子线路：指包含电子器件、并能对信号实现某种处理的功能电路电路组成：电子器 电电子器件：二极管、三极管、场效应管集成电路PN+-正 负PN+- PN结反偏（N接+、P接-），D截止将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极二极二极二极、理解结的工作原理，掌握结的单向导、掌握晶体二极管的应用：整流、稳压、限幅等半导体物理基础知根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导半导体的电阻率为10-3～109。典型的半导体有硅Si和锗以及砷化镓等。半导体的特点： ）掺进微量杂质，导电能力显著增加—半导半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间(Si)(Ge) 2 28惯性 2818价电共价共用子本征半导本征半导体—完全纯净的、结构完整的半导体晶载流子—可以自由移动的带电粒子T=0K（无外界影响）时，产生自由电子空穴对，从而参与导电这种现象 本征激发当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中半导体中有两种导电的载流

自由电子—带负电 穴—带正 本征激发——产生自由电子空穴对温度一定时

电子和空穴相遇释放能量——复合激发与复合在某一热平衡值上达到动态平

niAT2

Eg

或光 ni

导电能力

光敏特 型半导体：本征半导体中掺入少量五价元素构自由电简化模型N型半导

P型半导

多子——空少子——自由电 iN型半导i

（热平衡条件nnoNd （电中性方程 n2P型半导 NanpoN多子浓度取决于掺杂浓度

少子浓度取决于温度 漂移电流密

JJ

迁移(q)迁移总漂移电流密度：JtJptJntEq( nn电压 V=E I=S

截面积

I+V-I+V- RVEl Jt 电导率： J

q( N光N光

Jpd

dp(x)浓度 (q)Ddn(x)浓度 x 利用掺杂工艺，把型半导体和型半导体在原级上紧密结合，P区与区的交界面就形成了结N掺N掺PN实际的结为不对称结。根据掺杂浓度的不同，有结和结之穴的浓度存在极大差异（导致扩散运动）:区空穴(多子)向区扩散，留下不能移动的负离子；区电子(多子)向区扩散，留下不能移动的正离子；正负离子形成空间电荷区（阻挡层、耗尽层、势垒区动态平衡下的PN开始因浓度 引起多子扩 产生空间电荷出现内建电

多子扩散（扩散运动方向由区指向利于少子漂移（漂移运动）方向由区指向注意：注意：结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，

漂移运内电场

——————++++++——————++++++——————++++++——————++++++扩散运

P型半导

漂移运内电场

N型半导————————————++++++++++++————————————++++++++++++扩散运内建电位差

VBVT

NaNn2ni室温下，VT≈26mV室温 锗管VB0.2室温下，VT≈26mV硅管VB0.5~

N 阻挡层宽度

l0

d) Na注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大或者内建电位差越小（温度升高减小），阻挡层宽度l0就越接限流电阻接限流电阻，， 结导结导内建电场II+V-电流IN多子扩散形成较大的正向电流多子扩散少子漂内建电场减阻挡层变PN结正外加反向电压,方向与结内电场方向相同，加强 PN结反偏动画演 内建电场-+V与V近似无关温度 电流IRN结截少子漂移形成微小的反向电流少子漂移多子扩阻挡层变PN结反总之结正向电阻小，反向电阻二极管：一个结就是一个二极符号PN结——伏安特性方程结正、反向特性，可用理想的指数函数VIVII(eVTSS正偏时IIeVTS

其中：热电压

反偏时：II 26mV（室温q结的数学模型中的参数说IIS(e 式中 流过二极管的电流；参考方向从P区流向N 反向饱和电流VT温度电压当量V二极管两端外加电压

kT 常数（1.38×10-T-绝对温度；q-电子电荷（1.6×10-PN结——伏安特性曲--

VD(on)=IS=(10-9~10-

锗

VD(on)=IS=(10-6~10- 随着V I 正向很 结导通VVD(on)

IR很小(IR- 反向很 结截止温度每升高1℃，VD(on)约减小2.5mV。10℃SPN结的反向击穿特|V反 时

IR急剧结反向击穿

雪崩击

结掺杂浓度较低(lo较宽发生条外加反向电压较大发生条形成原因:碰撞电。击

结掺杂浓度较高(lo较窄外加反向电压较小(<6V)形成原因:场致激发。击穿电压的温度特雪崩击穿电压具有正温度系数击穿电压具有负温度系数稳压二极

+

要求：IzminIz

IZmaxPN结的电容特势垒电容CTdV

CT(1V)n

扩散电容阻挡层外（P区和区CDkD(ICDkD(IIS

少子浓 -xp0 PN结电PN结总电容：CjCTPN结正偏时，CDCTCj通常：CD≈几十pF几千pF。结反偏时，CTCDCj通常：CT≈几pF几十pF。 晶体二极管电路分析方晶体二极管的结构就是一个结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表便于计算机辅助分析的数学模适于任一工作状态的通用曲线模直流简化电路模电路分析时采用

交流小信号电路模晶体二极管的模VV数学模型—伏安特性方程VV理想模型

IIS

修正模型

I

V

其中：n—非理想化因 I正常时 nI过小或过大时 rS—体电阻线接触电阻线电曲线模型—伏安特性曲

I

当V>VD(on)时 当V<VD(on) 二极管截 当反向电压VV(BR)时 当反向电压V<V(BR)时

简化电路模IabR为二极管导通电阻，一般为几十欧 IabRIDIIarctan(1

开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。小信rs：PN结串联电阻，数值很小rj：为二极管增量结电阻IQarctan(1IQarctan(1VVS [I(e S

Vrj

I I

()（室温Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时，Cj容抗很小结单向导电性会因Cj的交流旁晶体二极管电路分析方分析二极管电路主要采用：图解法、简化分、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法图解 分析步骤：写出管外电路直流负载线方程。作直流负载线优点：直观。既可分析直流，也可分析交IQIQI+-

-

V 解：•由图可写出直流负载线方程：V=VDD-在直流负载线上任取两点令I=0，得V=VDD；令V=0，得IVDD连接两点，画出直流负载线所得交点，即为Q（VQ、IQ）简化分析法（估算法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用判断二极管是导通还是截止假设电路中二-+-+-++-+-+-+-+-++-+-+-+-+-+-+-+-+-+-导+-+-（负极电位为-12V，正极电位为-15V）。故优先导通迫使反偏截止判断结果：D1导通，D2截止。VAO=例3：设二极管是理想的，求VAO值

-

- --

V1

V9V

-O解：图(a)，假设D开路，则两端电压VD=V1–V2–6–12=180V故截止。VAO=12V图(b)，假设D1、D2开路，则两端电VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>由于VD2VD1，则D2优先导通此时VD16V0V，故D1截止。VAOV16V小信号分析即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用①将直流电源短路，画交流通②用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效③利用小信号等效电路分析电压与电流的变化 1.4晶体二极管的应电源设备组成框图电电vv1 t t

+-DR++-DR+-整流电若输入信号为正弦波当vi0V时导通，则当vi0V时截止，则 由此，利用二极管的单向 0电性，实现了半波整流。将0平均值 1 画输出信号波形的方 根据输入信号大小 判断二极管的导通与截找出与vI关系画输出信号波形例1：设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画波形D

62 2V V解v2V时导通，则v

60vi2V时截止，则 0由此可画出的波形例电路如图(a)，Ｒ＝１kΩ，ＶREF=3V，二极管为硅管。⑴当vi=4V时，输出电压值⑵当vi=6Sinωt时例、求整流电路的输出波解正半周、3导、4截、稳压电V

R

+- -I-

-

某原因VOIZIVO限流电阻R：保证稳压管工作在Izmin~Izmax输出电

VOVZ（稳压管的稳定电压 例、稳压电路如图所示，已知：VZ=6.8V，rZ=20Ω。iRiiRiRZL输出直流电压为保证稳压管可靠击穿，求负载电阻的最小开路时，由于△Vi产生的输出电压不稳时，在的不稳定量△Vo2iRiiRiRZL《解》（1）求

I

VZ(116.8)V

R

ZIZmin

L

ILmax

RL

L

V)/R (96.8)/4200.2i Z画出RL开路时的小信号等效

120R L L

RL

L

RLZVO2Z

LRr

5.0442020420 限幅电路(或削波电路V+V+-2R V2<vi<V1时，D1、D2截止ViV1时，D1导通、D2截止ViV2时，D2导通、D1截止由此，电路实现双向限幅功能

其中：V1为上门限电压，V2为下门限电压采用稳压管的双向限幅电稳压管的稳定电压分别为Vz1和Vz2，正向导通压降均为、时正向导通、反向击穿上门限电上门限电 、(VD(on)+Vz2)下门限电下门限电 开关电二极管工 1.（a)符 (b)特性曲

、肖特基二极管（抗饱和二极管的势垒二极管。故也称金属-半导体结二极管或表（a)符 (b)特性曲它与一般二极管相比其差别在于2由于耗尽区只存在于型半导体一侧，且相对较，故其正向导通门坎电压较低，约为0.2V 一般不高于最高为反向漏电流也较大。3、光电二极管、发光二极有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。反向电流随光照强度的增加而上升UIU它是由发光器件和光敏器件组成的一种器这种器件可完成信号的传输并起到 的作用 例1、求(1).v=0V,v=4V练习 vI=6V时，输出v0的值(2).Vi=6sinωtV解：(1).vI=0V时，D截止。v0=vI=4V时，D导通

vo

Vth

Vth) 3.5(43.5) vI=6V时，D

(rD

00t 3.5(63.5)0.2o(2).Vi=6sinωt

（理想模型Vi3V时，D截止，voVi3V时，D导通，vo例2：理想二极管电