二极管及基本合理使用电路

3半导体二极管

及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3半导体二极管3.4二极管基本电路及其分析方法3.5特殊二极管(自学)3.2PN结的形成及特性3.1半导体的基本知识

3.1.1半导体材料

3.1.2半导体的共价键结构

3.1.3本征半导体

3.1.4杂质半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。导电的重要特点1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力

3.1.2半导体的共价键结构原子结构简化模型—完全纯净、结构完整的半导体晶体。3.1.3本征半导体在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电两个价电子的共价键正离子核

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用温度光照自由电子空穴本征激发空穴——共价键中的空位空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。温度载流子浓度＋空穴的移动—空穴的运动是靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度↑→载流子浓度↑→导电能力↑3.1.4杂质半导体N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）自由电子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由电子＝少子由热激发形成它主要由杂质原子提供空间电荷

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响3.2PN结的形成及特性

3.2.1PN结的形成

3.2.2PN结的单向导电性*

3.2.3PN结的反向击穿

3.2.4PN结的电容效应

3.2.1PN结的形成1.浓度差多子的扩散运动2.扩散空间电荷区内电场3.内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散4、扩散与漂移达到动态平衡载流子的运动：扩散运动——浓度差产生的载流子移动漂移运动——在电场作用下，载流子的移动P区N区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步(动画)内电场PN结形成的物理过程：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。多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区对于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。扩散>漂移否是宽3.2.2PN结的单向导电性只有在外加电压时才…扩散与漂移的动态平衡将…定义：加正向电压，简称正偏加反向电压，简称反偏扩散>漂移大的正向扩散电流（多子）低电阻正向导通漂移>扩散很小的反向漂移电流（少子）高电阻反向截止

3.2.2PN结的单向导电性PN结特性描述2、PN结方程PN结的伏安特性陡峭电阻小正向导通1、PN结的伏安特性特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的非线性其中IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）近似估算正向：反向：

3.2.3PN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电击穿——可逆

3.2.4PN结的电容效应(1)势垒电容CB势垒电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容CD3.3半导体二极管

3.3.1半导体二极管的结构

3.3.2二极管的伏安特性

3.3.3二极管的参数PN结加上引线和封装二极管按结构分类点接触型面接触型平面型半导体二极管图片点接触型面接触型平面型

3.3.2二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）硅二极管2CP10的V-I特性锗二极管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）注意1.死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流 硅：0.1A；锗：10A

3.3.3二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF(5)极间电容CB硅二极管2CP10的V-I特性3.4二极管基本电路及其分析方法

3.4.1二极管V-I特性的建模

3.4.2应用举例5、应用电路分析举例2、二极管状态判断1、二极管电路的分析概述3、图解分析法4、等效电路（模型）分析法讲课思路：1、二极管电路的分析概述应用电路举例例2.4.2（习题2.4.12）整流 限幅初步分析——依据二极管的单向导电性D导通：vO=vI-vDD截止：vO=0D导通：vO=vDD截止：vO=vI左图中图显然，vO与

vI的关系由D的状态决定而且，D处于反向截止时最简单！分析思路分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（iD

0，ROFF∞）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法——将非线性线性先静态（直流），后动态（交流）静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI

01、二极管电路的分析概述2、二极管状态判断例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿iD=

？vD=

？二极管状态判断方法假设D截止(开路)，求D两端开路电压普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向导通？-VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向击穿,VD=-VBRD正向导通？D正向导通！3、图解分析法例3:已知伏安特性,求VD、ID。例1(a)图线性线性:vD=

VI-iDR非线性:非线性联立求解，可得VD、ID图解法直线与伏安特性的交点图解法关键——画直线又称为负载线vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA静态工作点QVD0.7VID0.95mA解例4:已知伏安特性,求vD、iD。例3:已知伏安特性,求VD、ID。3、图解分析法VI=

10Vvi=

1Vsint先静态分析－直流负载线:再动态分析－交流负载线:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

4、等效电路（模型）分析法（3.4.1二极管V-I特性的建模）(1)理想模型(3)折线模型(2)恒压降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）5、应用电路分析举例例5:（例2.4.1）求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V时（b）VDD=1V时VDD理想模型恒压模型折线模型理想模型恒压模型折线模型例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿iD=

？vD=

？普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VD正向导通？D正向导通！例2.4.2（习题2.4.12）习题2.4.5整流 限幅习题2.4.6例2.4.2（习题2.4.12）5、应用电路分析举例例6:画出vO波形。初步分析——依据二极管的单向导电性D导通：vO=vI-vDD截止：vO=0D导通：vO=vDD截止：vO=vI左图中图VI=

10V，vi=

1Vsint例4:已知伏安特性,求vD、iD。5、应用电路分析举例iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

静态分析vi=0叠加原理动态分析VI=0小信号模型(小信号等效电路)分析方法小结3.4二极管基本电路及其分析方法假设D截止（开路）求D两端开路电压VD0.7VD正向导通-VBR<VD0.7VD反向截止ID=0(开路)VD-VBRD反向击穿VD=-VBR(恒压)VD