电子技术基础二极管及其基本电路

电子技术基础二极管及其基本电路课件第1页，课件共61页，创作于2023年2月

教学内容：本章首先简单介绍半导体的基本知识，着重讨论半导体器件的核心环节--PN结，并重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了简要的介绍。2第2页，课件共61页，创作于2023年2月

教学要求：本章需要重点掌握二极管模型及其电路分析，特别要注意器件模型的使用范围和条件。对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。3第3页，课件共61页，创作于2023年2月2.1半导体的基本知识2.1.1半导体材料2.1.2半导体的共价键结构2.1.3本征半导体2.1.4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4第4页，课件共61页，创作于2023年2月2.1.2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。2.1.3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5第5页，课件共61页，创作于2023年2月

2.1.3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

＋6第6页，课件共61页，创作于2023年2月*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↑7第7页，课件共61页，创作于2023年2月2.1.4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第8页，课件共61页，创作于2023年2月

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9第9页，课件共61页，创作于2023年2月本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子空穴N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价)多数载流子、少数载流子杂质半导体复合*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↑*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力10第10页，课件共61页，创作于2023年2月2.2PN结的形成及特性

2.2.1PN结的形成

2.2.2PN结的单向导电性

*

2.2.3PN结的反向击穿

2.2.4PN结的电容效应11第11页，课件共61页，创作于2023年2月2.2.1PN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12第12页，课件共61页，创作于2023年2月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13第13页，课件共61页，创作于2023年2月2.2.2PN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14第14页，课件共61页，创作于2023年2月2.2.2PN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：15第15页，课件共61页，创作于2023年2月2.2.3PN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16第16页，课件共61页，创作于2023年2月2.2.4PN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CD17第17页，课件共61页，创作于2023年2月2.3半导体二极管2.3.1半导体二极管的结构2.3.2二极管的伏安特性2.3.3二极管的参数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18第18页，课件共61页，创作于2023年2月半导体二极管图片点接触型面接触型平面型19第19页，课件共61页，创作于2023年2月半导体二极管图片20第20页，课件共61页，创作于2023年2月21第21页，课件共61页，创作于2023年2月22第22页，课件共61页，创作于2023年2月2.3.2二极管的伏安特性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：0.1

A；锗：10A23第23页，课件共61页，创作于2023年2月2.3.3二极管的参数(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24第24页，课件共61页，创作于2023年2月2.4二极管基本电路及其分析方法2.4.1二极管V-I特性的建模2.4.2模型分析法应用举例

4、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、等效电路（模型）分析法讲课思路：25第25页，课件共61页，创作于2023年2月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）习题2.4.5整流 限幅习题2.4.6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！26第26页，课件共61页，创作于2023年2月

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27第27页，课件共61页，创作于2023年2月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<VD

0VD反向截止,ID=0VD

-VBRD反向击穿,VD=-VBRD正向导通？D正向导通！28第28页，课件共61页，创作于2023年2月习题2.4.4试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?图题2.4.4(a)例2:习题2.4.3电路如下图所示，判断D的状态2、二极管状态判断29第29页，课件共61页，创作于2023年2月

3、等效电路（模型）分析法（2.4.1二极管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）30第30页，课件共61页，创作于2023年2月

3、等效电路（模型）分析法(4)小信号模型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为:微变电阻根据得Q点处的微变电导常温下（T=300K）31第31页，课件共61页，创作于2023年2月

4、应用电路分析举例例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32第32页，课件共61页，创作于2023年2月

二极管应用举例

uiuoOO

t

t(b)

2

2DuiuoRL(a)++--（1）二极管整流电路33第33页，课件共61页，创作于2023年2月（2）二极管限幅电路

t+­RDE2Vuiuo+­+­(a)05ui

/V­5

23)(b

t02.7uo

/V­5

232.734第34页，课件共61页，创作于2023年2月D1

钳位作用D2隔离作用(3)开关电路D3.4V0.3V1D23.9k-12VABY35第35页，课件共61页，创作于2023年2月

例2.4.3一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-

0

036第36页，课件共61页，创作于2023年2月

解：(1)当V1=0V,V2=5V时,D1为正向偏置，

V0=0V,此时D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向偏置，故D2截止。

(2)以此类推，将V1和V2的其余三种组合及输出电压列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V

导通

导通

0V

0V

5V

导通

截止

0V

5V

0V

截止

导通

0V

5V

5V

截止

截止

5V37第37页，课件共61页，创作于2023年2月

由上表可见，在输入电压V1和V2中，只要有一个为0V，则输出为0V;只有当两输入电压均为5V时，输出才为5V，这种关系在数字电路中称为“与”逻辑。

注意：即判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。38第38页，课件共61页，创作于2023年2月（4）低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常见的组成部分。利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构成低电压稳压电路。39第39页，课件共61页，创作于2023年2月

例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压V

的正常值为10V，R=10k,当V

变化±1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？

40第40页，课件共61页，创作于2023年2月

解：(1)当V

的正常值为10V时，利用二极管恒压降模型有VD≈0.7V，由此可得二极管的电流为

此电流值可证实二极管的管压降为0.7V的假设。

(2)在此Q点上，41第41页，课件共61页，创作于2023年2月

(3)按题意，V

有±1V的波动，它可视为峰-峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二极管电压Vd的变化为±2.79mV。42第42页，课件共61页，创作于2023年2月

4、应用电路分析举例例2.4.4求

vD、

iD。VI=

10V，vi=

1Vsin

t解题步骤:(1)静态分析(令vi=0）由恒压降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)动态分析(令VI=0）由小信号模型得43第43页，课件共61页，创作于2023年2月

分析方法小结2.4二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VD

0.7VD正向导通-VBR<VD

0.7VD反向截止ID=0(开路)VD

-VBRD反向击穿VD=-VBR(恒压)VD=0.7V(恒压降)状态等效电路条件将不同状态的等效电路（模型）代入原电路中，分析vI和vO

的关系画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求

vD（波动）小信号模型和叠加原理恒压降模型44第44页，课件共61页，创作于2023年2月2.5特殊二极管2.5.1稳压二极管（齐纳）2.5.2变容二极管2.5.3光电子器件1.光电二极管2.发光二极管3.激光二极管反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。请自学！45第45页，课件共61页，创作于2023年2月2.5.1稳压二极管1.符号及稳压特性(a)符号(b)伏安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（齐纳击穿）。46第46页，课件共61页，创作于2023年2月(1)稳定电压VZ(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=

VZ/

IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流

IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——

VZ2.稳压二极管主要参数2.5.1稳压二极管47第47页，课件共61页，创作于2023年2月2.5.1稳压二极管3.稳压电路正常稳压时VO=VZ#

稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？自动调整过程：48第48页，课件共61页，创作于2023年2月

例：如图所示是一个简单的并联稳压电路。

R为限流电阻，求R上的电压值VR和电流值。R49第49页，课件共61页，创作于2023年2月解：假定输入电压在（7--10V）内变化。R50第50页，课件共61页，创作于2023年2月习题与预习习题2.4.12.4.32.5.4预习3.1半导体BJT51第51页，课件共61页，创作于2023年2月一、判断下列说法是否正确，用“√”和“×”表示判断结果填入空内。（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（）自测题解：（1）√（2）×（3）√

52第52页，课件共61页，创作于2023年2月

1）PN结加正向电压时，空间电荷区将

。

A.变窄B.基本不变C.变宽

2）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是

。

A.ISeUB.

C.3）稳压管的稳压区是其工作在

状态。

A.正向导通B.反向截止C.反向击穿解：（1）A（2）C（3）C

二、选择正确答案填入空内。53第53页，课件共61页，创作于2023年2月三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。图T1.354第54页，课件共61页，创作于2023年2月四、已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

图T1.455第55页，课件共61页，创作于2023年2月1.1

选择合适答案填入空内。（1）在本征半导体中加入

元素可形成N型半导体，加入

元素可形成P型半导体。

A.五价B.四价C.三价（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将

。

A.增大B.不变C.减小习题解：（1）A，C（2）A

56第56页，课件共61页，创作于2023年2月1.2能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？

解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。57第57页，课件共61页，创作于2023年2月

1.7

现有两只稳压管