模拟电路 第3章 二极管及其基本电路3

1、物体导电性能分类物体导电性能分类： 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般，金属一般 都是导体。都是导体。 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、，如橡皮、 陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。 半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之 间，称为间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫，如锗、硅、砷化镓和一些硫 化物、氧化物等。化物、氧化物等。 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体半导

2、体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不的导电机理不同于其它物质，所以它具有不 同于其它物质的特点。例如：同于其它物质的特点。例如： 3.1.1 半导体材料半导体材料 共价键共共价键共 用电子对用电子对 （束缚电子）束缚电子） +4+4 +4+4 +4+4表示除表示除 去价电子去价电子 后的原子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚束缚 电子电子，绝对零度时束缚电子很难脱离共价键成为，绝对零度时束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子， 因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征

3、半导体的导电 能力很弱。能力很弱。 3.1.2 半导体半导体 (硅和锗硅和锗)的共价键结构的共价键结构 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量 而脱离共价键的束缚，成为而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个，同时共价键上留下一个 空位，称为空位，称为空穴空穴。（本征激发）。（本征激发） 1) 1) 载流子：载流子：( (自由电子和空穴自由电子和空穴) ) +4+4 +4+4 自由电子自由电子 空穴空穴 束缚电子束缚电子 3.1.3 3.1.3 本征半导体本征半导体 2) 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理

4、+4+4 +4+4 * 空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子 来填补来填补, , 相当于空穴的迁相当于空穴的迁 移，可以认为空穴是载流子。移，可以认为空穴是载流子。 空穴带正电荷，空穴移动形空穴带正电荷，空穴移动形 成电流。成电流。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子 和和空穴空穴。 * 电子带负电荷，电子移电子带负电荷，电子移 动形成电流动形成电流（和电流规定的（和电流规定的 方向相反）方向相反）。 * 温度越高，载流子的温度越高，载流子的 浓度越高。因此本征半导体浓度越高。因此本征半导体 的导电能力越强的导电能力越强 本征半导体

5、导电能力很弱本征半导体导电能力很弱, 且随环境温度而变化。且随环境温度而变化。 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体 的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种 载流子浓度大大增加。载流子浓度大大增加。 P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，空穴浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（空穴半导体）。也称为（空穴半导体）。 N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半自由电子浓度大大增加的杂质半 导体，也称为（电子半导体）。导体，也称为（电子半导体）。 3.1.4 3

6、.1.4 杂质半导体杂质半导体 +4+4 +5+4 多余多余 电子电子 磷原子磷原子 N 型半导体中的载流子：型半导体中的载流子： 1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2 2、本征半导体中、本征半导体中成对成对产生的电子和空穴。产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电 子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），）， 空穴称为空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。 在本征半导体中掺入少量的在

7、本征半导体中掺入少量的 五价元素磷（或锑），外层有五个五价元素磷（或锑），外层有五个 价电子，其中四个与相邻的半导体价电子，其中四个与相邻的半导体 原子形成共价键，必定多出一个电原子形成共价键，必定多出一个电 子五价元素磷称为子五价元素磷称为施主原子施主原子。 一一、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如 硼（或硼（或 铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子 的最外层有三个价电子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价与相邻的半导体原子形成共价 键时，产生一个空穴。键时

8、，产生一个空穴。 这个空穴可能吸引束这个空穴可能吸引束 缚电子来填补缚电子来填补， 使得使得 硼原子成为不能移动硼原子成为不能移动 的带负电的离子。的带负电的离子。 由于硼原子接受电由于硼原子接受电 子，所以称为子，所以称为受主原子受主原子。 +4+4 +3+4 空穴空穴 硼原子硼原子 P 型半导体中型半导体中空穴是多子空穴是多子，电子是少子电子是少子。 二、二、P 型半导体型半导体 三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法 P 型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体型半导体 杂质杂质型半导体多

9、子和少子的移动都能形成电流。但由于型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于 数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子 与杂质浓度相等。与杂质浓度相等。 多子的扩散运动多子的扩散运动 内电场内电场 少子的漂移运动少子的漂移运动 浓度差浓度差 扩散的结果使扩散的结果使 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。 空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 PN 结变窄结变窄 P区接正极、区接正极、N区接负区接负 极极 外电场外

10、电场 IF 内电场内电场 PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内电场被加内电场被加 强，少子的漂强，少子的漂 移加强，由于移加强，由于 少子数量很少，少子数量很少， 形成很小的反形成很小的反 向电流。向电流。IR + IR0 正向电流是否也随温度变化？正向电流是否也随温度变化？ PN结单向导电性在半导体器件中的重要性结单向导电性在半导体器件中的重要性： 二极管、三极管、场效应管、可控硅二极管、三极管、场效应管、可控硅 管等元器件的特性都与此有关管等元器件的特性都与此有关。 电子电路必须具有电子电路必须具有直流电源直流电源才能工作。才能工作。 阴极引

11、线阴极引线 阳极引线阳极引线 二氧化硅保护层二氧化硅保护层 P型硅型硅 N型硅型硅 ( c ) 平面型 平面型 金属触丝金属触丝 阳极引线阳极引线 N型锗片型锗片 阴极引线阴极引线 外壳外壳 ( a ) 点接触型点接触型 铝合金小球铝合金小球 N型硅型硅 阳极引线阳极引线 PN结结 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线 ( b ) 面接触型面接触型 图图 3.3.1 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极 ( d ) 符号符号 D 反向击穿反向击穿 电压电压U(BR) 反向特性反向特性 U I P N + P N + )1( TD VV SD eIi VT2

12、6 mV (温度电压当量）温度电压当量） 伏安特性：伏安特性： 1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增， 二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上 给出的最高反向工作电压给出的最高反向工作电压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。 3.3.3 二极管的参数二极管的参数 3. 反向电流反向电流 IR 指二极

13、管未击穿时的反向电流。反向电流越小，单向指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小，单向 导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较 小，锗管的反向电流大。小，锗管的反向电流大。 4. 二极管的极间电容二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒势垒 电容电容CB和和扩散电容扩散电容CD。 势垒电容：势垒电容：势垒区是势垒区是 积累空间电荷的区域，积累空间电荷的区域， 当电压变化时，就会当电压变化时，就会 引起积累在势垒区的引起积累在势垒区的 空间电荷的变化，这空间电荷的变

14、化，这 样所表现出的电容是样所表现出的电容是 势垒电容势垒电容。 4. 二极管的极间电容二极管的极间电容 扩散电容：扩散电容：为了形成正向电为了形成正向电 流（扩散电流），注入流（扩散电流），注入P 区的区的 少子（电子）在少子（电子）在P 区有浓度差，区有浓度差， 越靠近越靠近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在区有电子的积累。同理，在N 区有空穴的积累。正向电流大，区有空穴的积累。正向电流大， 积累的电荷多。这样所产生的积累的电荷多。这样所产生的 电容就是扩散电容电容就是扩散电容CD。 势垒电容势垒电容CB： ： 在正向和反向偏置时均不能忽略。 在正向和反向偏置

15、时均不能忽略。 PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路： 势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电 容的综合效应容的综合效应 rd 扩散电容扩散电容CD： ： 在反向偏置时，由于载流子数目 在反向偏置时，由于载流子数目 很少，可以忽略。很少，可以忽略。 3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管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

16、件是已知二极管的解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V - -I I 特性曲线。特性曲线。 例例4.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD 和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 R V i DDD D v DDDD 11 V RR i v即即 是一条斜率为是一条斜率为- -1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工

17、作点 3.4.2 二极管二极管V V- -I I 特性的建特性的建模（四种）：模（四种）： 理想模型理想模型：正向看成短路正向看成短路(导通）导通）VD0，反向看成，反向看成 开路（截止）开路（截止）。 恒压降模型：恒压降模型：正向导通压降取定值（正向导通压降取定值（ VD 0.7v) ， ， 反向看成开路（截止） 反向看成开路（截止）。 折线模型：折线模型：正向导通看成一个电池和一个电阻串联，正向导通看成一个电池和一个电阻串联， 反向看成开路（截止） 反向看成开路（截止）。 小信号模型：小信号模型：在正向特性的工作点附近将其等效为在正向特性的工作点附近将其等效为 一个交流电阻一个交流电阻（用

18、于动态分析）。（用于动态分析）。 3.4.2 二极管二极管V- I 特性的建模特性的建模 1. 理想模型理想模型 2. 恒压降模型恒压降模型 3.4.2 二极管二极管V- I 特性的建模特性的建模 3. 3. 折线模型折线模型 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 4. 小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，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。其正向特性可以等效成一个微变电阻。 D D d i v r 即即)1( / SD D T Vv eIi根据根据 得得Q点处的微变电导点处的微变电导 Q dv di g D D d Q

19、Vv T T e V I / S D T V ID d d 1 g r 则则 D I VT 常温下（常温下（T=300K） )mA( )mV(26 DD d II V r T 3.4.2 二极管二极管V- I 特性的建模特性的建模 RL uiuo ui uo t t 例例1：二极管半波整流二极管半波整流 实际二极管：实际二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(锗管锗管0.2V) ; 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 。 二极管的应用举例二极管的应用举例 B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 习题习题3.4.5和本例

20、类似和本例类似 例例2 t ui t uR t uo RRL uiuR uo 例例3 根据所给电路及输入电压波形根据所给电路及输入电压波形,画出画出 输出电压的波形，设输出电压的波形，设uC（0 ） ）= 0V。 0V V sin18 i tu t 动画动画 例例5(略略) 电路如图所示，电路如图所示， 二极管二极管D D为理想元件，为理想元件，ui=6sint V， U=3V, 所给输出电压所给输出电压u uO O 的波形对否？的波形对否？ t uO V / 6 3 3 6 0 D V R 10V + - 又电路如下图所示，又电路如下图所示，R = 5k，二极管，二极管D为理想元件，为理想元

21、件， 电压表的读数约为几伏？。电压表的读数约为几伏？。 D u i R U uO + - + - + - 10V 例6 (略略) 如图所示，如图所示， D D1 1、 、D D2 2 均为理 均为理 想二极管，想二极管， 设设 U1 =6V =6V U2=8v,=8v, 则则 uO= =？若？若U2=5v 呢呢? 12V R1 R2 U2 U1 D1 D2 uO + - + - + - 解：解： D1D2都导通都导通 u0=6v 只有只有D1导通，导通， uo=5V 3.5.1 稳压二极管稳压二极管 IZmax + 稳压二极管符号稳压二极管符号 U I UZ IZ 稳压二极管特性曲线稳压二极管

22、特性曲线 IZmin 当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在 反向击穿状态反向击穿状态下下,当工当工 作电流作电流IZ在在Izmax和和 Izmin 之间时之间时,其两端电压近其两端电压近 似为常数似为常数。 稳定稳定 电流电流 正向同正向同 二极管二极管 稳定稳定 电压电压 （4）稳定电流稳定电流IZ、 、最大、最小稳定电流 最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗）最大允许功耗 maxZZZM IUP 稳压二极管的参数稳压二极管的参数: （1）稳定电压稳定电压 UZ （2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。

23、 （3）动态电阻动态电阻 Z Z I U Z r 例例1 IR IZ Io 稳压管的稳压过程。稳压管的稳压过程。 VIVoIZVo VO能够稳定能够稳定 IR VR 例例2 （1）稳压管电路如图所示，稳压管电路如图所示，U Z1=12V=12V，UZ2= 6V= 6V， 则电压则电压UO等于？等于？（2）当当U S10V， UO 等于等于？ ？ 20V R1 uO DZ1 DZ2 + - + - + - + - UZ1 UZ2 Us （1） UO= 126 = 6V （2）Uo=(106) R/(R1R) uo iZDZ R iL i ui RL z zzW I IU10 稳压管的技术参数稳压

24、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解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。 mA25 max L ZW z R U Ii 102521RUiRu. zWi 方程方程1 稳压二极管的应用举例稳压二极管的应用举例（略）（略） 负载电阻负载电阻RL= =2k，要求当输入电压由正常值发生要求当输入电压由正常值发生 20%20% 波动时，负载电压基本不变。波动时，负载电压基本不变。求：电阻求：电阻R和输入电压和输入电压 ui 的正的正 常值。常值。 令输入电压降到下限令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电时，流过稳压管的电 流为流为Izmin 。 mA10 min L ZW z R U I