第三章 二极管及其基本电路

3二极管及其基本电路3.1半导体的基本知识3.3二极管3.4二极管的基本电路及其分析方法3.5特殊二极管3.2PN结的形成及特性本征半导体杂质半导体PN结的形成及其单向导电性PN结的电容效应一、教学要求学习半导体的基本知识，熟悉PN结的形成过程，掌握PN结的单向导电性，为掌握半导体二极管、三极管的工作原理打好基础二、重点与难点2半导体二极管及其基本电路重点：PN结的形成过程，PN结的单向导电性难点：PN结的形成过程在信息技术中，信息往往要以电和光形态的信号为载体，各种信号的产生和变换处理主要是由电子电路来实现的，半导体器件则是构成电子电路的核心。半导体器件主要由硅元素等半导体材料制造而成。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、空穴及其导电作用

3.1.4

杂质半导体

3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体分类：①元素半导体：硅Si和锗Ge②化合物半导体：砷化镓GaAs等

（半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间）半导体特点：①受外界光和热的激励时，导电能力发生显著变化；②在纯净的半导体中加入微量杂质，导电能力显著增加。原因是？首先必须了解半导体的结构一、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、什么是半导体？什么是本征半导体？导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质稳定的结构硅和锗的原子结构简化模型化学成分纯净的半导体，纯净的具有晶体结构的半导体。正离子核共价键中的两个电子+4SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi共价键四价硅原子本征半导体价电子硅单晶中的共价健结构价电子硅和锗的原子结构简化模型半导体获得能量（受到温度升高或光照的激发）时，具有足够能量的外层价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子（带负电）。空穴SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSi正离子核自由电子产生自由电子的同时，其原来共价键中出现的一个空位。（带正电）空穴这一现象称为热激发或本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。

自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。两种载流子

外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？本征半导体中的两种载流子运载电荷的粒子称为载流子。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体——化学成分纯净、结构完整的半导体晶体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。自由电子——带负电荷。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。空穴－电子对的产生：由于随机热振动致使共价键被打破，产生自由电子－空穴对。空穴——带正电荷。载流子——自由电子或空穴的移动，电荷的移动，实现导电，称载流子。电子和空穴是两种不同的载流子。

3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体中空穴的数目与电子的数目一样多——浓度一样在室温下，3.45×1012个原子中只有一个价电子打破共价键的束缚，成为自由电子。说明本征半导体的导电性能极差由于随机热振动致使共价键被打破，产生自由电子－空穴对。自由电子－空穴对的浓度与温度的关系？

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：

(1)自由电子作定向运动

电子电流

(2)价电子递补空穴,空穴不断被价电子填补空穴电流

自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。本征半导体的导电特性(1)常温下，本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；注意(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。本征半导体特点：1）含有两种载流子——带负电的电子、带正电的空穴；2）载流子的数量少且成对出现，称为电子空穴对；

3.1.4杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。

（电子）N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

（空穴）P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

Si

Si

Si

Si3.1.4杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,使导电性能发生显著变化，形成杂质半导体。p+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素在N

型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。N型半导体磷（P）

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。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？

3.1.4杂质半导体少了。因为那些准自由电子，在运动的过程中，复合的几率就会加大，这时候，自由电子的数目增加了，空穴比同样的那一块本征半导体，它的空穴更少了

1.N型半导体

3.1.4杂质半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。P型半导体硼（B）多数载流子

P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，

在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？温度增大时，热运动加剧，价电子能量增大，因此有比较多的价电子挣脱共价键的束缚变成自由的。

少数载流子和多数载流子数目的变化是相同的。有一个挣脱变成变成自由的，肯定留一个空穴下来。少数载流子是影响半导体器件温度稳定性的主要因素。原因就是，温度变化时，它的相对变化非常大。这将影响半导体器件本身的性能。

浓度变化不同。假如，多数载流子增加了两个，少数载流子也增加了两个。可能多数增加的是千分之一，少数载流子增加的是百分之一，少数载流子别看他少，它是影响半导体器件温度稳定性的主要因素。原因就是，温度变化时，它的相对变化非常大。这将影响半导体器件本身的性能。

2.P型半导体

3.1.4杂质半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。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，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。

3.杂质对半导体导电性的影响

3.1.4杂质半导体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:3以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3

。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

4.96×1022/cm3

本征半导体、杂质半导体

本节中的有关概念自由电子、空穴

N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质3.2PN结的形成及特性

3.2.2

PN结的形成

3.2.3

PN结的单向导电性

3.2.4

PN结的反向击穿

3.2.5

PN结的电容效应

3.2.1

载流子的漂移与扩散PN结的形成及其单向导电性

物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。P型N型扩散运动多子浓度差少子漂移运动扩散运动空间电荷区（称为PN结）的宽度就固定下来。漂移运动动态平衡内电场空间电荷区/耗尽层

阻挡层PN结的形成

因电场作用所产生的载流子的运动称为漂移运动。

参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。在一块本征半导体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: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

由杂质离子形成空间电荷区

结果：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，由于多数载流子被复合掉了，或者说耗尽了，所以也称耗尽区。同时，由于空间电荷区的存在，存在一个从N区指向P区的电位差，电子从N区到P区必须越过一个能量高坡，所以也成为势垒区。

2.

PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。

(1)PN结加正向电压时（如图）PN结加正向电压时的导电情况外电场与内电场方向相反，削弱了内电场，使空间电荷区变薄形成低电阻产生大的正向扩散电流（正向特性）因此，有利于多子的扩散，不利于少子的漂移，结果：

2.

PN结的单向导电性

(2)PN结加反向电压时PN结的反向伏安特性

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。

外电场增强了内电场，使空间电荷区变宽，不利于多子的扩散，有利于少子的漂移，结果：

形成高电阻但由于少子很少，因此只有很小的反向漂移电流PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性

PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。反向特性

PN结的伏安关系是非线性的，工程上用伏安特性描述

正向特性死区正向导通正向压降击穿特性伏安特性（电压与电流的关系）UB反向击穿电压

3.2.3PN结的单向导电性

(3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流VT

——温度的电压当量且在常温下（T=300K）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PN结的电流与其端电压的关系称为伏安特性。从二极管的伏安特性可以反映出：

1.单向导电性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)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃

3.2.4PN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——可逆反向击穿

1.在反向电场力作用下高速运动的电子直接撞击出共价键中的电子（称为雪崩击穿）。当PN结反向击穿后，若减小反向电压后PN结还具有原来的单向导电等特性，则称这种击穿为电击穿；若PN结反向击穿后，减小电压后PN结已经不具有原来的单向导电等特性，则称这种击穿为热击穿（又称为器件被烧坏）。2.强大的电场力直接将电子拉出共价键（称齐纳击穿）。PN结反向击穿机理主要是两类：

不管PN结加正向或反向电压，当PN结上所加的外部电压变化时动态发生变化，而且聚结在PN结附近的多数载流子（自由电子和空穴）的浓度分布也会发生变化，这就犹如对电容的充放电效应一样，所以把PN结的这种性能称为电容效应。如果把这种效应有意扩大，可以制成“变容二极管”，其PN结的空间电荷区的正负电荷量随电压发生变化，实际上是一种电压控制的电容器，在通信和无线电中应用较多。

PN结的的电容效应PN结的的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。

一是势垒电容CB

(反偏)二是扩散电容CD(正偏)

3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD扩散电容示意图当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。形成一定的多子浓度梯度分布曲线若外加正向电压有一增量

V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。

3.2.5PN结的电容效应

(2)势垒电容CB当PN结处于反向偏置时，电场使多数载流子离开PN结，PN结变厚，有高于正常情况时的正负离子电荷。存储正负离子电荷量的大小，取决于PN结上所加反向电压值的大小。若外加反向电压有一增量

V，则相应PN结耗尽区的正负离子产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为势垒电容CB。

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。PN结的电容效应1.势垒电容

PN结外加反向电压变化时，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！问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？3.3二极管

3.3.1

二极管的结构

3.3.2

二极管的伏安特性

3.3.3

二极管的主要参数将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管3.3.1二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型

二极管的结构示意图

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。半导体二极管结构(3)

平面型二极管往往用于集成电路制造艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)

面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：(4)

二极管的代表符号其中：PN结的伏安特性IS

——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）二极管的伏安特性曲线可用下式表示Current-VoltageRelationship二极管的伏安特性二极管的伏安特性硅二极管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实际二极管器件的几个典型值：门坎电压（死区电压）：硅管0.5V左右、锗管0.1V左右导通压降：硅管0.7V左右、锗管0.2V左右反向饱和电流：硅管几十uA、锗管几百uA(1)正向特性硅二极管的死区电压Vth=0.5V左右，

锗二极管的死区电压Vth=0.1V左右。

当0＜V＜Vth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。

当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当V＞Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。(2)反向特性当V＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

。

当V≥VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。二极管的伏安特性

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

在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。

硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。

3.3.3半导体二极管的参数

半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压VBR、最大反向工作电压VRM、反向电流IR、最高工作频率fmax和结电容Cd等。几个主要的参数介绍如下：

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)

反向击穿电压VBR——和最大反向工作电压VRM(最大瞬时值)

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。

为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

(3)反向电流IR——描述二极管单向导电性强弱的一个参数

(4)正向压降VF在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(

A)级。管子未击穿时的反向电流，其值越小，管子单向导电性越好在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)最大反向工作电压VRM(3)反向饱和电流IRIFVRMIR以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。

(4)正向压降VF（4）微变电阻rd(或称动态电阻)iDuDIDUDQ

iD

uDrD

是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：显然，rd是对Q附近的微小变化区域内的电阻。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，Q越高，电流越大，rd越小PN结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd最高工作频率fM：由于极间电容的存在，使得二极管有最高工作频率的限制。在高频和开关运用时，必须考虑极间电容的影响半导体二极管的温度特性

温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。

另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大约减小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管的伏安特性曲线上看出。温度对二极管伏安特性曲线的影响3.4

二极管的基本电路及其分析方法

3.4.1简单二极管电路的图解分析方法

3.4.2

二极管电路的简化模型分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂。而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线，且二极管电路简单。例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD

。解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线

交点Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型正偏时管压降为0，反偏时，电阻无穷大，反向电流为0

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型0.7V0.5V0.7V0.5V二极管导通后，管压降认为是恒定的，硅管典型值为0.7V。（当二极管电流iD近似等于或大于1mA时)认为二极管导通时的管压降不恒定，随着二极管电流的增加而增加，用一个电池和一个电阻rD来近似。这个电池选定为二极管门坎电压Vth(硅管约为0.5V)

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型vs

=0时,对直流Q点(VD,ID)称为静态工作点(图解法)，反映直流时的工作状态。也称静态对小信号：vs

=Vmsin

t

时（Vm<<VDD）,将Q点附近小范围内的V-I特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。串接一交流信号源vS负载线工作点将在Q’和Q”之间移动，产生二极管电流电压的微变化量

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型过Q点的切线可以等效成对小信号的一个微变电阻（Q点处斜率的倒数）即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）（a）V-I特性（b）电路模型条件：Q点处vD>>VT=26mV

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型特别注意：人为把直流信号和交流小信号分开，分别来考虑。小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。Q点越高，rd越小。该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT

。（a）V-I特性（b）电路模型二极管的模型

1.理想模型3.折线模型

2.恒压降模型特点：死区电压=0

正向导通压降=0

反向饱和电流=0特点：正向导通压降

=0.7V或0.3V

反向饱和电流=0特点：正向导通压降

=死区电压

=0.5V或0.2V

反向饱和电流=0

2.4.1二极管V-I特性的建模

1.理想模型3.折线模型

2.恒压降模型条件：电源电压远大于管压降。条件：iD≥1mA。条件：同2。Vth=0.5V

rD=(0.7-0.5)V/1mA=200Ω

3.4.2二极管电路的简化模型分析方法2．模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图（b）vs和vO的波形vs为正弦波，利用二极管理想模型，画出vo波形Vs正半周，二极管正偏，根据理想模型，二极管导通，vo=vsVs负半周，二极管反偏，二极管截止，vo=0半波整流2．模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析①选理想模型（R=10k

），求电路ID,VD当VDD=10V时，②选恒压模型（硅二极管典型值）③选折线模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V时，（自看）（a）简单二极管电路（b）习惯画法该例表明：在电源电压远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型能得到较合理的结果，但当电源电压较低时，折线模型能提供较合理的结果。------选择器件合适的模型2．模型分析法应用举例（3）限幅电路书P80例3.4.4电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sin

tV时，绘出相应的输出电压vO的波形。2．模型分析法应用举例（4）开关电路电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。2．模型分析法应用举例（5）低电压稳压电路+-当输入电压波动时，产生一个变化量△VDD,相当于一个交流小信号vs，二极管上的电流变化△iD很大，电压降变化△vD=rdvs/(R+rd)很小，即vD基本不变，vo=vD≈VD(硅管约为0.7V)微变电阻rd越小，稳压特性越好2．模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k

，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。2．模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k

，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。二极管电路分析含二极管电路的分析方法确定二极管的工作状态

根据工作状态用不同的模型代替二极管在等效后的线性电路中作相应的分析若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关UONID或电压为UON的电压源定性分析：判断二极管的工作状态导通截止(1)若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。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。如何判断二极管的工作状态？

(2)若考虑导通压降，判断二极管导通还是截止的方法是

将二极管两端断开，求余下电路对二极管两端的开路电压UAK。若UAK

>

UON硅管:0.6~0.8V锗管:0.2~0.3V若UAK<UONUON

-------二极管的导通压降若二极管近似为理想开关时，UON

=0二极管导通二极管截止电路如图，求：UAB若考虑管压降，

UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例：

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。

二极管起钳位作用D6V12V3k

BAUAB+–下一节上一页下一页返回上一节V阳

=－6VV阴

=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V两个二极管的阴极接在一起取

B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，钳位，使

D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V例:流过

D2

的电流为求：UABD2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3k

AD2UAB+–下一节上一页下一页返回上一节85压差大的二极管先导通。VA>VB,DA优先导通，

使VY=3V。VB<VY，DB截止，

将VB与VY隔离。二极管的箝位和隔离作用

例：图示电路中，输入端VA=+3V,VB=0V，试求输出端Y的电位VY。设DA、DB，为理想二极管。解：VYAB-12V0V+3VDARDBDA

起箝位作用。DB

起隔离作用。ui>8V，二极管导通，可看作短路

uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路

uo=ui已知：

二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例：ui18V参考点二极管阴极电位为

8VD8VRuoui++––下一节上一页下一页返回上一节

二极管起限幅作用87例题

为防止信号幅度超过所允许的值，常采用二极管的单向导通性进行限幅处理。双向限幅电路如图，输入为正弦波，US1>0,US2<0。试画出输入-输出信号波形和电路的传输特性。（a）双向限幅电路图（b）输入信号波形图当ui

处于负半周时，D1由于加反向电压而始终截止。在ui

>

US2时，D2也截止，此时两二极管支路断开，uo=ui

；而在ui

<

US2时，D2就导通，输出被限幅在uo

=US2。解：当ui

处于正半周时，D2由于加反向电压而始终截止。在ui

<US1时，D1也截止，此时两二极管支路断开，uo=ui

；而在ui

>US1时，D1就导通，输出被限幅在uo

=US1；US1>0,US2<0

对上述输入—输出关系用分区域对应的函数关系表示，称为电路的电压传输特性。传输特性关系式电压传输特性图判别二极管是导通还是截止。习题3.4.6+9V-+1V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止-9V+-1V+

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-截止解：+18V-+2V-

+2.5V-

+12.5V-

+14V-+1V-导通二极管电路分析举例例1：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。解：（1）当UA=UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为UAUBD1D2U0R5V由电路，有UD1=0-（-5）=5>0UD2=0-（-5）=5>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=0D1D2U0R5VUD1UD2D1D2U0R5V二极管电路分析举例（2）当UA=UB=3V时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=3-（-5）=8>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V二极管电路分析举例（5）（3）当UA=3V，UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=8>0UD2=0-（-5）=5>0UD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！！规定：承受正偏压大的二极管优先导通。二极管电路分析举例则D2处于截止状态，最终电路如上图所示：所以，U0=3VD1D2U0R5V3V则等效电路为：由电路，有UD2=0-3=-3<0（4）当UA=0，UB=3V时所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2导通。D1D2U0R5V3V二极管电路分析举例ui二极管箝位电路

钳位电路是一种能改变信号的直流电压成分的电路，下图是一个简单的二级管箝位电路的例子。uc=2.5Vuo设输入信号ui为幅度+2.5V的方波信号，ui2.5V-2.5V当ui<0时，D导通，回路中的电流iD对电容C充电，由于rd较小，充电时间常数=C

rd很小，充电迅速，使:uc=ui=2.5V，uo=ui

–uc=ui–2.5V=0而当ui>0时，D截止，iD=0，回路无法放电，使电容C的电压保持uc=ui=2.5V，而输出电压：uo=ui+uc=ui+2.5V=5VVo5V限幅电路VRVmvit0Vi>VR时，二极管导通，vo=vi。Vi<VR时，二极管截止，vo=VR。例：理想二极管电路中

vi=VmsinωtV，求输出波形v0。解：例：实际模型求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V时，输出v0的值。(2).Vi=6sinωtV时，输出v0的波形。解：(1).

vI=4V时，D导通。vI=0V时，D截止。v0=vI

vI=6V时，D导通。(2).Vi=6sinωtV（理想模型）

3Vvit06V

折线模型例：理想二极管电路中vi=VmsinωtV，求输出波形v0。V1vit0VmV2Vi>V1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。Vi<V2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。V2<Vi<V1时，D1、D2均截止，Vo=Vi。例：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。

解：①VI<25V，D1、D2均截止。②VI>25V

，D1导通，D2截止。③VI>137.5V，D1、D2均导通。VO=25VVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0137.5例：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。当VI<0时D1导通D2截止当VI>0时D1截止D2导通0VIVO-5V+5V+5V-5V+2.5V-2.5V已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交。CR1KE1.5V+VD－+vi(t)－解：例：例：

二极管限幅电路:已知电路的输入波形为vi,二极管的VD

为0.6伏，试画出其输出波形。解：Vi>3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。Vi<3.6V时，二极管截止，vo=Vi。3.5特殊二极管

3.5.1

齐纳二极管(稳压二极管)

3.5.2

变容二极管

3.5.3

肖特基二极管

3.5.4

光电子器件

在稳压管刚击穿时，电流变化，其两端电压易于变化；当电流增大到工作电流IZ后，电流很大的变化，其两端电压几乎不变，保持在稳定电压UZ附近。工作在反向击穿区的硅二极管稳定电压UZ工作电流_+稳压管符号中折角表示稳压管工作在反向击穿区。它工作时是在阴极接高电压，阳极接低电压。3.5.1、稳压二极管（齐纳二极管）（杂质浓度高）3.5

特殊二极管原理符号特性如果将稳压二极管还是正向偏置，则可当成一普通二极管用稳压管反向击穿后，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。UZIZIZM

UZ

IZ

伏安特性使用时要加限流电阻UIO进入击穿后，电流急速增长时电压几乎不再增加，近似为理想电压源特性3.5.1

齐纳二极管（杂质浓度高）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。VZ表示反向击穿电压，也即稳压管的稳定电压。稳压管的作用：电流增量很大，只引起很小的电压变化。曲线越陡，动态电阻rz越小，稳压性越好Iz(min)和Iz(max)为稳压管工作在正常状态的最小和最大工作电流。一般稳压值Vz较大时，可忽略rz，Vz为恒定值(1)稳定电压VZ(2)动态电阻rZ——描述了和纵轴的平行程度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(4)最大耗散功率

PZM(3)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3.5.1

齐纳二极管稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax

=VZIZmax

。而Izmin对应于VZmin。若IZ＜Izmin，则不能起稳压作用。(5)稳定电压温度系数——

VZ

温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当

VZ

＞7V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当

VZ

＜4V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4V＜

VZ

＜7V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。稳压电路正常稳压时VO=VZ并联式稳压电路：负载RL与稳压管两端并联R为限流电阻，使电路有一个合适的工作状态，并限定电路的工作电流（IZ(min)<IZ<IZ(max)）稳压过程：实质是利用稳压管端电压较小的变化引起电流的很大变化，从而通过电阻上电压的调整作用来实现VI是待稳定的电压,DZ为稳压管，RLIoIRVoIZIRVo书例题3.5.1、3.5.2自己看稳压二极管---稳压电路分析正常稳压时VO=VZIZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？#上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ

，VO的波形是怎样的？#

稳压条件是什么？例

稳压二极管的稳定电压UZ=5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui

分别为直流10V、3V、-5V时，求输出电压UO；若ui

=10sinωtV，试画出uo

的波形。ui10VDZRuoui++––解：Ui

=10V：DZ工作在反向击穿区，稳压，UO=UZ=5VUi

=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi

=-5V：DZ工作在正向导通状态，UO=0Vui

=10sinωtV：ui正半周，当ui

>UZ，DZ反向击穿，uO=5V当ui

<UZ，DZ反向截止，uO=uiui负半周，DZ正向导通，uO=0V5V上一页下一页返回下一节上一节稳压二极管稳压电路解：电阻R两端电压为U-UZ，流过的电流为IR，所以有：根据KCL有：例题图示稳压管稳压电路中，Ui=8V,UZ=5V,IZ=5mA,PZM=1W,流过负载电阻RL的电流IL在100mA到10mA之间时，试选R使电路能正常工作。限流电阻R的选取，必须保证稳压管工作在反向击穿状态。R太大可能使得稳压管工作电流IW太小，无法使稳压管反向击穿，R太大可能使IW太大，烧毁稳压管稳压二极管稳压电路IR必须满足电阻Ｒ的范围是：IL最小时，应使流过稳压管的电流IL最大时，应使流过稳压管的电流取：uoiZDZRiLiuiRL已知稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax

。求：电阻R和输入电压ui

的正常值。——方程1要求当输入电压由正常值发生

20%波动时，负载电压不变。稳压二极管电路分析举例令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin

。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：稳压二极管电路分析举例练习：有两个稳压管DZ1和DZ2，其稳定电压分别为5.5V和8.5V，正向压降都是0.5V。如果要得到0.5V，3V，6V，9V和14V几种稳定电压，问这两个稳压管（还有限流电阻）应如何连接？画出各个电路。在图示电路中，已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。（1）试分析图（a）、（b）两电路能否稳压？（2）试求图（a）、（b）两电路中UO1和UO2的值。UO1＝6V，UO2＝5V已知图所示电路中稳压管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZmin＝5mA，最大稳定电流IZmax＝25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI＝35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？（1）当UI＝10V时，若UO＝UZ＝6V，稳压管中电流4mA,小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。

（2）当UI＝15V时，若能稳压，1k电阻中的电流9mA,RL中电流12mA,所以二极管截止，输出电压为RL和限流电阻的分压同理，当UI＝35V时，1k电阻中的电流29mA,负载电阻中电流12mA,稳压管中电流大于最小稳定电流IZmin,UO＝UZ＝6V。29mA＞IZM＝25mA，稳压管将因功耗过大而损坏。UO＝5V（3）讨论：解决两个问题如何判断二极管的工作状态？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=V－iRQIDUDV与uD可比，则需图解：实测特性对V和