半导体二极管及其电路分析

半导体二极管及其电路分析第1页，共57页，2023年，2月20日，星期四绪论自然界中的两大类信息，模拟信息和数字信息都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号。数字信号：在时间和幅值上都是离散的信号。对模拟信号在一定的时间间隔上采样，则模拟信号在时间上离散了；对各采样值进行量化，则采样信号幅度也离散了。处理数字信号的电子电路称为数字电路或数字逻辑电路。模拟信号：在时间和幅值上都是连续的信号。 处理模拟信号的电子电路称为模拟电路。第2页，共57页，2023年，2月20日，星期四温度传感（输入）信号放大信号滤波控制执行（输出）功率放大数模转换数字逻辑电路模数转换恒温装置模拟小信号电路数字电路非电子物理系统模拟大信号电路电子系统电子系统的组成框图第3页，共57页，2023年，2月20日，星期四模拟电路特点

模拟电子技术是一门介绍电子器件、电子电路和电子技术应用的专业基础课程，主要研究微小模拟信号的放大和功率控制等内容。将电路理论扩展到包含有源器件（晶体管、场效应管、集成运放等）的电子电路中。概念性、工程性及实践性强。第4页，共57页，2023年，2月20日，星期四

目录第1章半导体二极管及其基本应用第2章半导体三极管及其基本应用第3章放大电路基础第4章负反馈放大电路第5章集成运算放大器的应用第6章信号产生电路第7章直流稳压电源第5页，共57页，2023年，2月20日，星期四功放电路电源部分黑白电视机电源部分直流稳压电源实例第6页，共57页，2023年，2月20日，星期四电源变压器:

将交流电网电压u1变为合适的交流电压u2。整流电路:

将交流电压u2变为脉动的直流电压u3。滤波电路:

将脉动直流电压u3转变为平滑的直流电压u4。稳压电路:

清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电压

uo的稳定。直流稳压电源的组成和功能整流电路滤波电路稳压电路整流电路滤波电路稳压电路u1u2u3u4uo第7页，共57页，2023年，2月20日，星期四一.半波整流电路u1u2aTbDRLuo+–利用具有单向导电性能的整流元件如二极管等，将交流电转换成单向脉动直流电的电路称为整流电路。整流电路按输入电源相数可分为单相整流电路和三相整流电路，按输出波形又可分为半波整流电路和全波整流电路。目前广泛使用的是桥式整流电路。第8页，共57页，2023年，2月20日，星期四二.桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成：由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo简化电路二.桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo第9页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体二极管图片第10页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.2半导体二极管及其特性1.2.1二极管的结构与类型半导体二极管是由ＰＮ结加上引线和管壳构成的。二极管类型按制造材料分硅二极管锗二极管按管子结构分点接触型面接触型—PN结面积很小，结电容很小，适合于高频、小电流的场合，如用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。—PN结面积大，结电容也大，适合于低频、大电流的场合，多用在低频整流电路中。第11页，共57页，2023年，2月20日，星期四阳极阴极半导体PN结外壳外壳底座底座阴极阳极半导体PN结点接触型面接触型二极管结构二极管符号箭头表示正电流的流通方向第12页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。根据物体导电能力，物质可划分导体和绝缘体。导体

绝缘体导电能力用电阻率(或电导率）来描述：导体＜10-4Ω/cm绝缘体＞109Ω/cm导体、绝缘体和半导体的划分半导体1.1半导体的基础知识第13页，共57页，2023年，2月20日，星期四典型的半导体材料

元素 硅（Si）、锗（Ge）化合物 砷化镓（GaAs）掺杂元素或化合物 硼（B）、磷（P）半导体材料硅14—1s2，2s2，2p6，3s2，3p2锗32—1s2，2s2，2p6，3s2，3p6，3d10，4s2，4p2+14原子核电子价电子硅的原子结构第14页，共57页，2023年，2月20日，星期四晶体结构

半导体材料的原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键连接，所以半导体是共价晶体。半导体器件也常称为晶体管。

单晶与多晶—整块晶体的晶格取向是否一致晶体与非晶体—原子结构排列是否有序第15页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.1.1本征半导体

—纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体。须在单晶炉中提炼得到，纯净可达到99.99999％。每个原子周围有四个相邻的原子，原子之间通过共价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。第16页，共57页，2023年，2月20日，星期四本征半导体导电机理在外界光照或加热等情况下，共价键中的价电子由于获得一定的能量,其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子,同时必然在共价键中留下空位（空穴）,这种现象称为本征（热）激发。1．本征激发由于自由电子带负电，而本征半导体对外体现电中性，所以空穴带正电。自由电子和空穴是同时产生，成对出现的。第17页，共57页，2023年，2月20日，星期四2．复合在一定的外界条件下，自由电子在运动过程中与空穴相遇,使电子、空穴成对消失，这种现象称为复合。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的自由电子依次填补空穴的运动，从效果上看，相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。

有了空穴，邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴，这样空穴便转移到邻近共价键中。第18页，共57页，2023年，2月20日，星期四

电荷的定向移动形成电流，因此本征半导体中有两种载流子：自由电子和空穴在常温下，本征半导体中载流子的浓度很低，因此其导电能力很弱。3．载流子及导电能力本征半导体中载流子的浓度，除了与半导体材料本身的性质有关以外，还与温度有关，而且随着温度的升高，基本上按指数规律增加。因此，半导体（载流子浓度）对温度十分敏感。第19页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.1.2杂质半导体

在本征半导体中人为掺入微量元素作为杂质，称为杂质半导体。掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度，以明显提高半导体的导电性能。N型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价元素，由于这类元素的原子最外层有5个价电子，故在构成的共价键结构中，由于存在多余的价电子而产生大量自由电子，这种半导体主要靠自由电子导电，称为N型半导体（电子半导体），其中自由电子为多数载流子，本征（热）激发形成的空穴为少数载流子。第20页，共57页，2023年，2月20日，星期四自由电子

多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）多余价电子容易成为自由电子，可以参与导电。提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子称为施主杂质。正离子束缚于晶格中，不参与导电。第21页，共57页，2023年，2月20日，星期四P型半导体

在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价元素，由于这类元素的原子最外层只有3个价电子，故在构成的共价键结构中，由于缺少价电子而形成大量空穴，这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动，称为P型半导体（空穴半导体）。在P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，它仍由热激发形成。自由电子

多数载流子（简称多子）空穴少数载流子（简称少子）第22页，共57页，2023年，2月20日，星期四

空位很容易俘获邻近四价原子的价电子，即在邻近产生一个空穴，空穴可以参与导电。空位俘获电子后，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

负离子束缚于晶格中，不参与导电。第23页，共57页，2023年，2月20日，星期四【注】1、无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。

2、掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多,导电性能越好。3、少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少决定于温度。第24页，共57页，2023年，2月20日，星期四半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层→

PN结。1．PN结的形成1.1.3PN结及其单向导电性第25页，共57页，2023年，2月20日，星期四（1）两边的浓度差引起载流子的扩散运动（2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移（3）扩散和漂移动态平衡：PN结（空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层）PN结的形成过程硅材料PN结内电位差为0.5～0.7V;锗材料0.2～0.3V。温度升高时，PN结内电位差将减小。第26页，共57页，2023年，2月20日，星期四因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。平衡PN结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反，所以外观PN结中没有电流。多子的扩散运动

由杂质离子形成空间电荷区小结第27页，共57页，2023年，2月20日，星期四1)PN结加正向偏置电压（正偏）：

—P区接高电位外加电压使内电场减小导致：阻挡层变窄多子形成的扩散电流增加漂移电流减小形成较大的正向电流，ＰＮ结呈现出很小的电阻,称PN结处于导通状态。2．PN结的单向导电性第28页，共57页，2023年，2月20日，星期四

由于在一定的温度条件下，由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是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。外加电压使内电场增加导致:

阻挡层加宽扩散电流进一步减小趋于零少子形成的漂移电流居支配地位从电源正极流入N区的反向电流很小，ＰＮ结呈现出很大的电阻,称PN结处于截止状态。2)PN结加反向偏置电压（反偏）：

—N区接高电位第29页，共57页，2023年，2月20日，星期四（1）正向特性2、正向电压大于死区电压后，正向电流随着正向电压增大迅速上升。硅管的正向导通电压（Ｕｏｎ）约为０.６～０.８V,锗管约为０.１～０.３V。1.2.2二极管的伏安特性1、外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。通常死区（门槛）电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。12第30页，共57页，2023年，2月20日，星期四（2）反向特性I（mA)正向电流IfU（V）正向反向0.6反向击穿电压UBR正向导通电压UD0反向电流ISPN结V-A特性曲线3、外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流很小,且基本不变,称为反向饱和电流。硅管反向饱和电流为纳安(ｎΑ)数量级,锗管的为微安数量级。（3）反向击穿特性4、当反向电压加到一定值（UBR）时,反向电流急剧增加,产生击穿。43第31页，共57页，2023年，2月20日，星期四雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆强电场将阻挡层内中性原子的价电子直接变为自由电子功率损耗

PN结温升高本征激发加剧反向电流更大连锁反应反向电压增加少子漂移加快动能增加碰撞电离连锁反应击穿的物理本质（1）雪崩击穿：碰撞电离（2）齐纳击穿：场致激发（3）热击穿：PN结过热—不可逆第32页，共57页，2023年，2月20日，星期四（4）温度特性

二极管的特性对温度很敏感,温度升高,正向特性曲线向左移,反向特性曲线向下移。其规律是：在室温附近,在同一电流下,温度每升高１℃,正向压降减小２～２.５ｍV；温度每升高１０℃,反向电流约增大1倍。第33页，共57页，2023年，2月20日，星期四（1）最大整流电流IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。工作时应使平均工作电流小于ＩＦ,如超过ＩＦ,二极管将过热而烧毁。（2）反向击穿电压UBR：指管子反向击穿时的电压值。（3）最大反向工作电压URM：二极管运行时允许承受的最大反向电压（约为UBR的一半）。（4）最大反向电流IRM：指管子未击穿时的反向电流，其值越小，则管子的单向导电性越好。（5）最高工作频率fM：主要取决于PN结结电容的大小,结电容越大,则二极管允许的最高工作频率越低。1.2.3二极管的主要参数第34页，共57页，2023年，2月20日，星期四部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压V正向电流

mA反向电流μA最高工作频率MHZ极间电容

Pf最大整流电流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162AP7100≥150≥5.0≤250150≤112参数型号部分国产半导体整流二极管参数表最大整流电流A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度）μA正向压降（平均值）

V最高工作频率

MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83参数型号第35页，共57页，2023年，2月20日，星期四

1.理想模型2.恒压降模型正向工作时二极管导通电压等于0。反向时，二极管开路。一般适用于大信号工作状态。例如逻辑电路。正向导通时。相当于理想二极管串联一个0.7伏的恒定电压源。适用于电源电压较低的电路分析，如模拟电路。1.3二极管应用电路第36页，共57页，2023年，2月20日，星期四

二极管电路应用举例(1)VDD=10V理想模型：例1解：第37页，共57页，2023年，2月20日，星期四

恒压模型（2）VDD=1V时理想模型恒压模型结论理想模型便于计算，根据所加电压Vi选择模型：当Vi较大时，用理想模型；当Vi接近VD时，用恒压模型。第38页，共57页，2023年，2月20日，星期四UIUI<E+0.7vE+0.7

UI≥E+0.7vUO

=E0tUi把输出幅度限在电平E+0.7v内E0tUO输出电压小于E+0.7V例2解：限幅电路限幅电路的作用是限制输出信号幅度的大小。电路如下：第39页，共57页，2023年，2月20日，星期四例3解：电路如图所示,设VA、VB均为理想二极管，当输入电压UA、UB为0V和5V的不同组合时，求输出电压U0的值。由题意知：VA、VB均为理想二极管UAUBVAVBU000导通导通005导通截止050截止导通055导通导通5实现与逻辑第40页，共57页，2023年，2月20日，星期四例4解：如图所示硅二极管电路,

（1）画出电压传输特性曲线；（2）已知，画出ui和uo的波形。由题意知：V1阴极的电位为2V，V2阴极的电位为-4V。当ui>2.7V时，V1导通；

V2截止，uo=2.7V当-4.7V<ui<2.7V时，V1截止；

V2截止，

uo=ui当ui<-4.7V时，V1截止；

V2导通，

uo=-4.7V

第41页，共57页，2023年，2月20日，星期四

根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）即二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。二极管的小信号模型第42页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.4特殊二极管1.4.1稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安特性是一种特殊的面接触型硅二极管，稳压二极管稳压时工作在反向击穿状态，其稳定电压就是反向击穿电压。利用稳压管的反向电流在很大范围内变化，端电压变化很小的特性来实现稳压的作用。第43页，共57页，2023年，2月20日，星期四(1)稳定电压UZ2.稳压二极管主要参数

使稳压管正常工作时的最小电流,低于此值时稳压效果较差。工作时应使流过稳压管的电流大于此值。一般情况是,工作电流较大时,稳压性能较好。但电流要受管子功耗的限制,即：Izmax=Pz/Uz(2)稳定电流Iz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。(3)最大耗散功率PZM和最大稳定电流IZMPZM是在稳压管允许结温下的最大功率损耗。IZM是指稳压管允许通过的最大电流。它们之间的关系是：PZM=UZIZM第44页，共57页，2023年，2月20日，星期四(4)动态电阻rZ(5)电压温度系数CTrZ是稳压管工作在稳压区时,两端电压变化量与电流变化量之比,即rZ=VZ/IZrZ值越小,则稳压性能越好。稳压管温度变化１℃时,所引起的稳定电压变化的百分比。第45页，共57页，2023年，2月20日，星期四3.稳压二极管稳压电路稳压原理RL↓→IL↑→IR↑→UO↓→Iz↓→IR↓=IL+IzUO↑(1)输入电压UI保持不变,当负载电阻RL减小,IL增大时,由于电流在电阻R上的压降升高,输出电压UO将下降。由于稳压管并联在输出端,由伏安特性可看出,当稳压管两端的电压略有下降时,电流Iz将急剧减小,而IR=IL+Iz,所以IR基本维持不变,R上的压降也就维持不变,从而保证输出电压UO基本不变,即：第46页，共57页，2023年，2月20日，星期四(2)负载电阻RL不变,当电网电压升高时,将使UI增加,随之输出电压UO也增大,由稳压管伏安特性可见,Iz将急剧增加,则电阻R上的压降增大,UO=UI-UR,从而使输出电压基本保持不变,即：UI↑→UO↑→Iz↑→IR↑→UR↑ UO↓第47页，共57页，2023年，2月20日，星期四限流电阻R的选择(1)当电网电压最高,即为UImax,且负载电流最小为时,流过稳压管的电流最大,其值不应超过Iz

max,即：第48页，共57页，2023年，2月20日，星期四(2)当电网电压最低,即为UImin,且负载电流最大为时,流过稳压管的电流最小,其值不应低于Iz,即：第49页，共57页，2023年，2月20日，星期四例

稳压电路如图所示,稳压管为2CW14,其参数是Uz=6V,Iz=10mA,PzM=200mW。整流滤波输出电压UI=15V。

试计算当UI变化±10%,负载电阻在0.5～2kΩ范围变化时,限流电阻R值。解：第50页，共57页，2023年，2月20日，星期四即0.29kΩ＜R＜0.34kΩ,可选R=320Ω,电阻的额定功率第51页，共57页，2023年，2月20日，星期四1.4.2发光二极管符号及电路发光二极管LED（LightEmittingDiode）由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。当LED加正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。是一种电变成光的能量转换器件。典型工作电流为10mA左右。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。常用于信号指示、数字和字