半导体二极管及基本电路

第一章半导体二极管及基本电路模拟电子技术基础第一章半导体二极管及基本电路1.1半导体的基本知识1.2

PN结的形成及特性1.3二极管及伏安特性1.5二极管基本电路及分析方法1.6特殊二极管1.4二极管的等效模型1.1半导体的基本知识一、本征半导体无杂质稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、半导体导电物质可分为：导体：金属绝缘体：惰性气体、橡皮、瓷等半导体：介于以上两者之间，如硅、锗等半导体的导电特性：1、半导体导电能力受环境影响很大（1）受温度：当温度改变时，其导电能力改变热敏元件（2）受光照：当光照强度改变时，其导电能力改变光敏元件2、半导体中掺入杂质，其导电能力大大增强2、本征半导体（纯半导体）Si：14个电子2）8）4Ge：32个电子2）8）18）44价元素价电子数可决定物质化学性质（1）（2）晶体结构晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si

Si自由电子空穴本征激发产生成对的自由电子和空穴（3）本征半导体的导电机理

温度愈高或光照越强，晶体中产生的成对的自由电子和空穴便愈多。自由电子和空穴形成两种载流子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。二、N型半导体和

P型半导体（杂质半导体）多余电子磷原子在本征半导体中掺入微量的5价元素，形成N型半导体。

Si

Si

Si

Sip+在常温下即可变为自由电子1、N型半导体多数载流子：自由电子

少数载流子：空穴

动画2、P型半导体

Si

Si

Si

SiB–硼原子空穴

注意：无论N型或P型半导体都是中性的（其正负电荷数相等），对外不显电性、不带电。在本征半导体中掺入微量的3价元素，形成P型半导体。多数载流子：空穴

少数载流子：自由电子

动画

杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba1.2PN结及单向导电性一、PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区1、扩散运动

由于浓度不同，多子运动，形成内电场，阻碍了多子继续扩散。2、漂移运动

少子在内电场的作用下形成漂移运动。动画又称为耗尽层二、PN结的单向导电性1、PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场I

外电场克服内电场，使多子不断扩散，形成较大的扩散电流，此时PN结呈现低阻，处于导通状态内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++动画+–

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。2、PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正

内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－动画–+PN结变宽IS

外电场加强内电场，使多子不能扩散，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。PN结的反向击穿

当PN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PN结的反向击穿。热击穿——不可逆

雪崩击穿

齐纳击穿——可逆

电击穿PN结的电流方程常温下的电压当量UT：IS：PN结反向饱和电流3、PN结的电容效应1.势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CB。2.扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD。结电容：

结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！1.3

半导体二极管及伏安特性一、基本结构、符号金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型二极管就是一个PN结。

1、结构：P区为正（阳）极，N区为负（阴）极铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型阴极阳极D2、符号：将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。二极管的种类小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管晶体二极管的单向导电性利用二极管的这个特性，可使用二极管进行检波和整流。单向导电性：

二、伏安特性特点：非线性二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量

从二极管的伏安特性可以反映出：2.

伏安特性受温度影响T(℃)↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线T(℃)↑→正向特性左移，反向特性下移.

1.单向导电性三、二极管的主要参数最大整流电流：最大正向平均电流反向击穿电压:反向最大瞬时电压反向电流:未击穿时的反向电流极间电容:扩散电容和势垒电容之和最大工作频率：使二极管保持单向导电性能的最高频率1.4二极管的等效模型将二极管的伏安特性折线化，以简化分析计算。理想模型导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0折线模型应根据不同情况选择不同的等效电路！恒压降模型导通时UD＝Uon+IDrD截止时IS＝0一、二极管直流等效电路最接近实际模型二极管在直流（静态）基础上叠加一个交流（动态）信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，这个电阻称为动态电阻，也就是二极管的微变等效电路。二、二极管小信号等效电路也称微变等效电路。Q越高，rd越小。ui=0，时直流电源作用小信号作用静态电流静态工作点微变等效电路用于二极管电路的交流分析。交流信号1.5二极管基本电路及分析方法一、直流分析

1.二极管的静态工作情况分析理想模型（R=10k）（1）VDD=10V时定性分析：判断二极管的工作状态导通截止

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低.（R=10k）（2）VDD=10V时恒压降模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设（R=10k）（3）VDD=10V时rDUon电路如图，求：UAB

若考虑管压降，UAB

为－6.3Ｖ（锗管）或－6.7V（硅管）

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–分析：V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若二极管做理想模型处理，可看作短路，UAB=－6V二极管开关电路

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通

若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–分析：V1阳

=－6V共阴极接法：阳极电位高的先导通。V2阳>

V1阳

∴D2优先导通，D1截止。V2阳=0V

V1阴

=V2阴=－12V

共阳极接法：阴极电位低的先导通。可看作短路

uo=8V已知：二极管是理想的，试画出

uo

波形。8V例3：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––可看作开路

uo=ui

当ui<8V时：二极管截止

当ui＞8V时：二极管导通讨论

判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。如何判断二极管工作状态？1.V＝2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少？

V较小时应实测伏安特性，用图解法求ID。QIDV＝5V时，V=10V时，uD=V-iDR

二、交流微变等效电路2.若输入电压的有效值为5mV，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少？(1)V＝2V，ID≈2.6mA(2)V＝5V，ID≈8.6mA(3)V＝10V，ID≈50mA在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！2.符号

3.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压为使IZ＜IZM，使用时必须要加限流电阻原理：稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。1.结构

由一个PN结组成的特殊二极管

DZ一、稳压二极管1.6特殊二极管进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流6、主要参数稳定电压UZ稳定电流IZ最大功耗PZM＝IZMUZ动态电阻rz＝Δ