第01章-晶体二极管

《电子电路基础》(BasisofElectronicCircuits)------光电学院电子工程系------教材：

《电子线路》(线性部分)（第四版）谢嘉奎主编高等教育出版社1999

（东南大学）《模拟电子技术基础简明教程》（第三版）杨素行主编

高等教育出版社2006

（清华大学）参考书：

1、《模拟电子技术基础》（第3版）童诗白，华成英主编，高教出版社，2001（清华）2、《电子技术基础》（模拟部分）康华光编著高等教育出版社1999（华中理工）3、《电子线路基础教程》王成华主编科学出版社2000一、学习本课程的意义三、本课程特点及学习方法前言二、目的和任务四、要求四、要求课程总评成绩：由平时成绩、阶段成绩和期末卷面成绩加权构成。作业：每周第一次课交上周作业，发上上周作业本。考勤：课堂随机点名与课堂签到相结合。重修生要求每次签到。平时成绩认定：（占15%-30%）（1）课堂出勤次数（2）课堂听课表现/回答问题情况（3）作业上交次数（4）每次作业完成质量等过程成绩阶段成绩认定（占30%-45%）：课内测验/阶段测验/中期考试等期末卷面成绩：（<=50%）考试资格：课堂缺席1/3，或作业缺交1/3，期末均无考试资格！在人类发展历史中，现代信息技术的进步，是从电的应用开始起步、电子技术的出现奠定基础、半导体集成电路技术和现代计算机技术的应用迅猛加速而形成今天这种蓬勃兴旺的局面的。1838莫尔斯电报1876电话1887赫芝无线电波试验1897马可尼跨海无线电通信试验成功1904真空管1918超外差接收机1920调幅广播1925电视1934雷达1945数字计算机1946晶体管人造卫星1958集成电路1961 程控交换机1972 SPICE1979 蜂窝电话1985 IP网络1G:模拟蜂窝移动通信系统（主要支持业务：语音）2G:数字…（业务：语音、短信、数据、图像）3G:宽带多媒体………..(支持视频）B3G/LTE/4G:下行：100Mbps,上行：20Mbps3G三个标准WCDMA(欧洲）→联通CDMA2000（北美）→电信TD-SCDMA（中国）→移动移动通信发展历程：常用电路仿真软件：Protel，MaxplusII，Multisim,EWB,Matlab等硬件描述语言（HardwareDescriptionLanguage，HDL）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）复杂可编程逻辑器件FPGA（FieldProgrammableGateArray）现场可编程门阵列常用大规模可编程逻辑器件VHDL，VerilogHDL电子技术发展的几个主要趋势：1969年：Moore定律半导体工艺提高：从10m1m0.1m

集成度的提高，在电子技术领域引发了巨大的变化：

小规模中规模大规模（LSI）超大规模（VLSI）

电子设备从电路板二次集成片上系统（SOC）

系统设计从器件级门级标准单元级可重用模块（1）分立元件——集成电路（2）模拟电路（信号）——数字化（3）固定功能——可编程9信号与电子系统信号及其分类图1.1.1电视系统方框图信号：信息的载体（随时间变化的物理量）。 也可用语言、文字、图像或编码来表达。但不便于直接传输。

电信号：随时间变化的电压或电流（便于传输）10信号及其分类几种模拟信号波形(a)正弦波(b)三角波(c)调幅波(d)阻尼振荡波(a)(d)(b)(c)信号与电子系统信号的分类模拟信号模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上任意一点的数值均有其物理意义。数字信号连续（模拟）信号离散信号(c)(a)(b)数字信号采样幅值量化/编码12

信号及其分类信号与电子系统信号的分类模拟信号模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上任意一点的数值均有其物理意义。数字信号数字信号波形举例数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,其函数值通常是某个最小单位的整数倍。电子线路：指包含电子器件、并能对电信号实现某种处理的功能电路。电路组成：电子器件+外围电路电子器件：二极管、三极管、场效应管、集成电路。外围电路：直流电源、电阻、电容、电感、电流源电路等。电子系统的任务：不失真地传递信号，或对信号进行处理。电子系统：由若干相互关联的单元电子电路组成，用来实现信号的传输或信号的处理14电子系统举例热电偶温度计的方框图炉温自动控制系统学习目标:

能够对常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。1.1半导体物理基础知识1.3晶体二极管电路分析方法1.2PN结1.4晶体二极管的应用1.0概述第一章晶体二极管概述晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏（P接+、N接-），D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN结反偏（N接+、P接-），D截止。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。1.1半导体物理基础知识硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核

硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4

硅和锗共价键结构示意图：共价键1.1.1本征半导体当T升高或光线照射时产生自由电子空穴对。

共价键具有很强的结合力。当T=0K（无外界影响）时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。

本征激发

当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。

当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子

空穴的运动空穴—带正电温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。

热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发——产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性

N型半导体：1.1.2杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子——自由电子少子——空穴自由电子本征半导体中掺入少量五价元素构成。P型半导体+4+4+3+4+4简化模型：P型半导体少子——自由电子多子——空穴空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。

杂质半导体中载流子浓度计算N型半导体（热平衡条件）（电中性方程）P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。1.1.3两种导电机理——漂移和扩散

载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率漂移与漂移电流电导率：

半导体的电导率电阻：电压：

V=E

l电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI

载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。扩散电流密度:

扩散与扩散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xnopo1.2PN结多子：多子：空穴少子：自由电子少子：

在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:自由电子空穴因浓度差空间电荷区形成内电场内电场阻止多子扩散内电场促使少子漂移,而少子漂移可削弱内电场

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区PN结的形成多子：空穴多子：自由电子内电场方向少子：自由电子少子：空穴内电场方向PN结的形成空间电荷区（耗尽层）

对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。

注意：掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差

VB

越高，阻挡层宽度

l0

越小。

内建电位差：

阻挡层宽度：室温时锗管VB0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V1.2.2PN结的伏安特性PN结——单向导电特性P+N内建电场Elo+-VPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散>>少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通I电压V电流IPN结——单向导电特性P+N内建电场Elo-+VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移>>多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IRPN结截止IRIR与V近似无关。温度T电流IR结论：PN结具有单方向导电特性。PN结——伏安特性方程式PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压26mV（室温）其中：

IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：

反偏时：

PN结——伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.3V锗PN结IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)时随着V

正向R很小I

PN结导通；V<0时IR很小(IR-IS)

反向R很大PN结截止。温度每升高10℃，IS约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)约减小2.5mV。|V反|=V(BR)时，IR急剧，

PN结反向击穿。1.2.3PN结的击穿特性雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(lo较宽)发生条件外加反向电压较大(>6V)

形成原因:

碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因:

场致激发。

发生条件PN结掺杂浓度较高(lo较窄)外加反向电压较小(<6V)

因为T

载流子运动的平均自由路程V(BR)。

击穿电压的温度特性

雪崩击穿电压具有正温度系数。

齐纳击穿电压具有负温度系数。因为T

价电子获得的能量

V(BR)。

稳压二极管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ

利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。

要求：Izmin<Iz<Izmax1.2.4PN结的电容特性势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。

势垒电容CT

扩散电容CD

阻挡层外（P区和N区）贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。CT(0)CTV0xn少子浓度x0-xpP+NPN结电容PN结反偏时，CT>>CD，则Cj≈CT

PN结总电容：

Cj=CT+CD

PN结正偏时，CD>>CT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以CD为主。故：PN结反偏时，以CT为主。通常：CD≈几十PF~

几千PF。通常：CT≈几PF~

几十PF。1.3晶体二极管电路分析方法

晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：

适于任一工作状态的通用曲线模型

便于计算机辅助分析的数学模型直流简化电路模型交流小信号电路模型

电路分析时采用的数学模型—伏安特性方程式理想模型：修正模型：rS—

体电阻+引线接触电阻+引线电阻其中：n—非理想化因子I

正常时:n1I

过小或过大时:n2注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS理想IS。1.3.1晶体二极管的模型曲线模型—伏安特性曲线V(BR)I

(mA)V(V)VD(on)-IS当V>VD(on)时二极管导通当V<VD(on)时二极管截止当反向电压V

V(BR)时二极管击穿晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。直流简化电路模型折线近似：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。IVVD(on)IV0abIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想二极管：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时二极管的伏安特性。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：折线近似时，二极管的简化电路模型。（室温）ivQ小信号电路模型：为二极管增量结电阻。：PN结串联电阻，数值很小。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，PN结单向导电性会因Cj的交流旁路作用而变差。rsrdCj图解法分析二极管电路主要采用：图解法、直流简化分析法、小信号等效电路法。（重点掌握简化分析法）写出管外电路直流负载线方程。1.3.2晶体二极管电路分析方法利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：作直流负载线。分析直流工作点。优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。例1：已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。IVQ+-RVDDDI+-V由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR在直流负载线上任取两点：解：VDDVDD/R连接两点，画出直流负载线。VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；所得交点，即为Q点。

直流简化分析法

即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。

将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。（1）估算法

判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。理想二极管：若V>0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若V>VD(on)，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。例2：设二极管是理想的，求VAO值。图(a)，假设D开路，则D两端电压：VD=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。

+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3K(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3K6V9V(b)图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V

（两管同时导通会有矛盾）由于VD2>VD1

，则D2优先导通此时VD1=–6V<0V，故D1截止。VAO=–V1=–6V。

（2）画输出信号波形方法根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出vO与vI关系画输出信号波形。例3：设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画vO波形。解：vi>2V时，D导通，则vO=vivi2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。

+-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026vO(V)02vi(V)2转移特性v0~vi小信号分析法

即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的微变量。分析步骤：

将直流电源短路，画交流通路。

用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。

利用小信号等效电路分析电压与电流的微变量。

总量=静态工作点+微变量。解：例：如图电路，设，且（小信号），求（1）先求由E（大信号）单独作用时的静态工作点（2）作出小信号单独作用时的小信号模型。i+-Rvs(t)(a)vE+-Δi+-Rvs(t)(c)

小信号模型Δ

uE+-rd（图解法）IQ+-Rvs(t)(b)大信号单独作用VQE+-1.4晶体二极管的应用直流稳压电源设备组成框图：电源变压器整流电路滤波电路稳压电路vivOtvitv1tv2tv3tvO1.4.1整流与稳压电路当u2(t)在正半周时，D导通，uo(t)=u2(t)

（1）单相半波整流电路u2t0U2muot0U2m输出电压uo的平均值：当u2(t)在负半周时，D截止，uo(t)=0u1u2RLuoD+-*T*+-+-原理图io可见，效率较低ioUo当u2(t)在正半周时，D1,D3导通，D2,D4截止，

uo(t)与u2(t)正半周波形相同，电流i0从bcu2t0U2miou1u2RLuo+-*T*+-+-原理图io-D1D2D3D4dabcuot0U2m当u2(t)在负半周时，D2,D4

导通，D1,D3截止，电流i0仍从bc

，uo(t)与u2(t)负半周波形反相。全波整流（2）单相桥式整流电路（全波整流）u1u2RLuo+-*T*+-+简化图io-输出电压uo的直流成分：同理：Io=0.9U2/RL（均为半波整流的2倍）二极管参数要求：（每个二极管只有半周导通）1.符号及稳压特性

利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。(a)稳压二极管符号DZ(b)伏安特性UZUZU/V稳压二极管及稳压电路(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=UZ/IZ(3)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin(4)*稳定电压温度系数:定义为=UZ/T2.稳压二极管主要参数rZ

越小，稳压效果越好UZUZU/V3.稳压电路正常稳压时UO=UZ(1)稳压原理a.若RL不变而Ui改变若UiUZUZU/VUiUoU0(UZ)IZIRURU0反之，若Ui减小，变化过程相反。b.设Ui不变而RL变化若RLU0IZIRURU0反之，若RL减小，变化过程相反综上，经稳压后U0基本稳定在UZ值#稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？#上述电路Ui为正弦波，且幅值大于UZ

，能实现稳压吗？UZUZU/VUiUo不行。R称