第3章 二极管及其基本电路

1、13:53:391 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.3 半导体二极管半导体二极管 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 3.5 特殊二极管特殊二极管 3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 13:53:402 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 13:53:403 一、核外电子的运动特点一、核外电子的运动特点 1、质量小，带负电荷。、质量小，带负电荷。 2、运动范围小。（原子半径，直径约、运动范围小

2、。（原子半径，直径约10-10m） 3、绕核作高速运动（接近光速），无、绕核作高速运动（接近光速），无 确定的轨道。确定的轨道。 13:53:404 电子层数电子层数 一一 二二 三三 四四 五五 六六 七七 电子符号电子符号 K L M N O P Q 电子能量电子能量 低低 高高 离核距离离核距离 近近 远远 1、电子层、电子层 13:53:405 2、原子核外电子排布规律、原子核外电子排布规律 1、核外电子是分层排布的，电子优先排布在能量最、核外电子是分层排布的，电子优先排布在能量最 低的电子层里，然后由里往外依次排布在能量逐渐低的电子层里，然后由里往外依次排布在能量逐渐 升高的电子层。

3、升高的电子层。能量最低原理能量最低原理 2、原子核外各电子层最多容纳的电子数为、原子核外各电子层最多容纳的电子数为2n2 （ （n为电子层数）。为电子层数）。 3、原子最外层电子数不超过、原子最外层电子数不超过8个（个（K为最外层时不超为最外层时不超 过过2个），次外层不超过个），次外层不超过18个（个（K为最外层时不超过为最外层时不超过2 个）个） ,倒数第三层电子数目不超过倒数第三层电子数目不超过32个。个。 13:53:416 3、原子结构示意图、原子结构示意图 例：例： H:+11 弧线表示弧线表示“电子电子 层层”， 由里往外依由里往外依 次为第一层、第二层次为第一层、第二层- -

4、表示某元表示某元 素的原子素的原子 表示原子表示原子 核及核内核及核内 质子数质子数 弧线上数字表示弧线上数字表示 该电子层上的电该电子层上的电 子数子数 13:53:417 Na:+112 8 1 Cl:+172 8 7 又如：又如： 13:53:418 13:53:419 元素的化学性质元素的化学性质原子的最外层电子数原子的最外层电子数 密切相关密切相关 最外最外 层电层电 子数子数 化学化学 性质性质 得失电得失电 子程度子程度 举例举例 稀有气体稀有气体 2或或8 稳定稳定 难难He、Ne、Ar等等 金属元素金属元素 (导体导体) 4 活泼活泼易得到易得到 电子电子 F、Cl、S等等

5、半导体半导体=4相对相对 稳定稳定 晶体形晶体形 式存在式存在 Si、Ge等等 13:53:4210 3.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。 1. 导体：容易导电的物体。如：铁、铜等导体：容易导电的物体。如：铁、铜等 2. 绝缘体：几乎不导电的物体。绝缘体：几乎不导电的物体。 如：橡胶等如：橡胶等 13:53:4211 半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在 一定条件下可导电。一定条件下可导电。 典型的半导体有典型的半导体有

6、硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 半导体特点：半导体特点： 1) 在外界能源的作用下，导电性能显著变在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。化。光敏元件、热敏元件属于此类。 2) 在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。著增加。二极管、三极管属于此类。 13:53:4212 1. 1. 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半导体器件制造半导体器件 的半导体材料的纯度要达到的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常称为，常

7、称为“九个九个9”9”。 它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是电子技术中用的最多的是硅硅和和 锗锗。 硅硅和和锗锗都是都是4 4价元素，它们的外层电子都是价元素，它们的外层电子都是4 4个。其简化原子个。其简化原子 结构模型如下图：结构模型如下图： 硅和锗都是四价元素，外层原硅和锗都是四价元素，外层原 子轨道上具有四个电子，称为子轨道上具有四个电子，称为 价电子。价电子受原子核的束价电子。价电子受原子核的束 缚力最小。物质的性质是由价缚力最小。物质的性质是由价 电子决定的电子决定的 。 3.1.3 本征半导体本征半导体 13:53:4213 本征晶体中

8、各本征晶体中各 原子之间靠得很近，原子之间靠得很近， 使原分属于各原子的使原分属于各原子的 四个价电子同时受到四个价电子同时受到 相邻原子的吸引，分相邻原子的吸引，分 别与周围的四个原子别与周围的四个原子 的价电子形成的价电子形成共价键共价键。 共价键中的价电子为共价键中的价电子为 这些原子所共有，并这些原子所共有，并 为它们所束缚，在空为它们所束缚，在空 间形成排列有序的晶间形成排列有序的晶 体。如下图所示：体。如下图所示： 1、本征半导体的共价键结构、本征半导体的共价键结构 13:53:4214 2、共价键性质、共价键性质 共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子共价键上的两个电子是由相

9、邻原子各用一个电子 组成的，这两个电子被称为组成的，这两个电子被称为束缚电子束缚电子。 束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够 的能量，不易脱离轨道。的能量，不易脱离轨道。 因此，在绝对温度因此，在绝对温度T=0T=0 K K（-273 -273 C C）时，由于共价时，由于共价 键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子， 不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。 13:53:4315 由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产

10、生 空穴电子对空穴电子对 3、电子与空穴、电子与空穴 当半导体处于当半导体处于 热力学温度热力学温度0 0 K K时时 ，半导体中没有自，半导体中没有自 由电子。当温度升由电子。当温度升 高或受到光的照射高或受到光的照射 时，价电子能量增时，价电子能量增 高，有的价电子可高，有的价电子可 以挣脱原子核的束以挣脱原子核的束 缚，而参与导电，缚，而参与导电， 成为成为自由电子自由电子。 这一现象称为这一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发。 13:53:4316 自由电子产生的同时，在其原来的共价键自由电子产生的同时，在其原来的共价键 中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，中就出现了

11、一个空位，原子的电中性被破坏， 呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等 ，人们常称呈现正电性的这个空位为，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电。游离的部分自由电 子也可能回到空穴中去，称为子也可能回到空穴中去，称为复合复合。本征激发和复。本征激发和复 合在一定温度下会达到动态平衡。合在一定温度下会达到动态平衡。 13:53:4317 空穴的移动空穴的移动 由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发由

12、于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发 下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上， 而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又 有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出 现了现了电荷迁移电荷迁移电流。电流。 电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴 移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根 本原因是由于共价键中出现了空穴。本原因是由于共价键中出现了空穴。 13:53:431

13、8 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 自由电子自由电子空穴空穴 13:53:4419 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体 称为称为杂质半导体杂质半导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。半导体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。半

14、导体。 13:53:4420 1. N1. N型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中因五价杂质原子中 只有四个价电子能与周只有四个价电子能与周 围四个半导体原子中的围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而价电子形成共价键，而 多余的一个价电子因无多余的一个价电子因无 共价键束缚而很容易形共价键束缚而很容易形 成自由电子。成自由电子。 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原 子提供；子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。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

15、提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子， 因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。 13:53:4421 N N型半导体的结构示意图如图所示：型半导体的结构示意图如图所示： 磷原子核 自由电子 所以，所以，N型半导体中的导电粒子有两种：型半导体中的导电粒子有两种： 自由电子自由电子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子 13:53:4422 2. P2. P型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子因三价杂质原子 在与硅原子形成共价在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下子而在共价键中

16、留下 一个空穴。一个空穴。 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成； 自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 13:53:4423 P P型半导体的结构示意图如图所示：型半导体的结构示意图如图所示： 硼原子核 空穴 P P型半导体中：型半导体中： 空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成； 电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激

17、发形成。由热激发形成。 13:53:4524 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影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响，一些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=

18、51016/cm3 13:53:4525 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质 13:53:4526 13:53:4527 3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2.2 PN结的形成结的形成 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 13:53:4

19、628 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。 扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散扩散 运动运动。 13:53:4629 3.2.2 PN结的形成结的形成 因浓度差因浓度差 多子扩散多子扩散形成空间电荷区形成空间电荷区 促使少子漂移促使少子漂移 阻止多子扩散阻止多子扩散 扩散到对方的载流子在扩散到对方的载流子在P P区和区和N N区的交界处附近被相互中和掉，使区的交界处附近被相互中和掉，使P P 区一侧因失去空穴而留

20、下不能移动的负离子，区一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子，N N区一侧因失去电子区一侧因失去电子 而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由而留下不能移动的正离子。这样在两种半导体交界处逐渐形成由 正、负离子组成的正、负离子组成的空间电荷区（耗尽层）空间电荷区（耗尽层）。由于。由于P P区一侧带负电，区一侧带负电， N N区一侧带正电，所以出现了方向由区一侧带正电，所以出现了方向由N N区指向区指向P P区的区的内电场内电场 13:53:4630 3.2.2 PN结的形成结的形成 当扩散和漂移当扩散和漂移 运动达到平衡后，空运动达到平衡后，空 间电荷区的宽度和内间电荷区的宽度和

21、内 电场电位就相对稳定电场电位就相对稳定 下来。此时，有多少下来。此时，有多少 个多子扩散到对方，个多子扩散到对方， 就有多少个少子从对就有多少个少子从对 方飘移过来，二者产方飘移过来，二者产 生的电流大小相等，生的电流大小相等， 方向相反。因此，在方向相反。因此，在 相对平衡时，流过相对平衡时，流过PNPN 结的电流为结的电流为0 0。 13:53:4631 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, , 分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半型半 导体和导体和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程

22、型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 13:53:4632 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离 子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 称称耗尽层耗尽层。

23、由于耗尽层的存在，。由于耗尽层的存在，PNPN结的电阻结的电阻 很大。很大。 PNPN结的形成过程中的两种运动：结的形成过程中的两种运动： 多数载流子扩散多数载流子扩散 少数载流子飘移少数载流子飘移 13:53:4633 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加 正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (1) PN(1) PN结加正向电压时结加正向电压时 外加的正向电压有外加的正向电压有 一部分降落在一部分降落在PNPN结

24、区，结区， 方向与方向与PNPN结内电场方向结内电场方向 相反，削弱了内电场。相反，削弱了内电场。 于是于是, ,内电场对多子扩散内电场对多子扩散 运动的阻碍减弱，扩散运动的阻碍减弱，扩散 电流加大。扩散电流远电流加大。扩散电流远 大于漂移电流，可忽略大于漂移电流，可忽略 漂移电流的影响，漂移电流的影响，PNPN结结 呈现低阻性。呈现低阻性。 13:53:4734 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加 正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压

25、，简称，简称反偏反偏。 (1) PN(1) PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流 iD/mA 1.0 0.5 0.51.00.501.0 D/V PN结的伏安特性结的伏安特性 13:53:4735 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加 正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 外加的反向电压方向外加的反向电压方向 与与PNP

26、N结内电场方向相同，结内电场方向相同， 加强了内电场。内电场对加强了内电场。内电场对 多子扩散运动的阻碍增强，多子扩散运动的阻碍增强， 扩散电流大大减小。此时扩散电流大大减小。此时 PNPN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的 作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散 电流，电流，PNPN结呈现高阻性。结呈现高阻性。 13:53:4736 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加 正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加

27、；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由在一定的温度条件下，由 本征激发决定的少子浓度是一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定的，故少子形成的漂移电流 是恒定的，基本上与所加反向是恒定的，基本上与所加反向 电压的大小无关，电压的大小无关，这个电流也这个电流也 称为称为反向饱和电流反向饱和电流。 iD/mA 1.0 0.5 iD=IS 0.51.00.501.0 D/V PN结的伏安特性结的伏安特性 13:53:4737 PNPN结加正向

28、电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流； PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单结具有单 向导电性。向导电性。 13:53:4738 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (3) PN(3) PN结结V V- -I I 特性表达式特性表达式 其中其中 PNPN结的伏安特性结的伏安特性 )1e ( / SD D T V Ii v I IS S 反向饱和电流 反向饱和电流 V VT T 温度的电压当量温度

29、的电压当量 且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K） V026. 0 q kT VTmV 26 13:53:4839 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压结的反向电压 增加到一定数值时，反增加到一定数值时，反 向电流突然快速增加，向电流突然快速增加， 此现象称为此现象称为PNPN结的结的反向反向 击穿。击穿。 热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 PNPN结被击穿后，结被击穿后，PNPN结上的压降高，结上的压降高， 电流大，功率大。当电流大，功率大。当PNPN结上的功耗使结上的功耗使PNPN 结发热，并超过

30、它的耗散功率时，结发热，并超过它的耗散功率时，PNPN结结 将发生将发生热击穿热击穿。这时。这时PNPN结的电流和温度结的电流和温度 之间出现恶性循环，最终将导致之间出现恶性循环，最终将导致PNPN结烧结烧 毁。毁。 13:53:4840 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (1) (1) 扩散电容扩散电容C CD D 扩散电容示意图扩散电容示意图 是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。 正向电压时，载流子积累电正向电压时，载流子积累电 荷量发生变化，相当于电容荷量发生变化，相当于电容 器充电和放电的过程器充电和放电的过程 扩散电容效应。扩散电容

31、效应。 当加反向电压时，扩散运当加反向电压时，扩散运 动被削弱，扩散电容的作动被削弱，扩散电容的作 用可忽略。用可忽略。 13:53:4841 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容势垒电容C CB B 是由是由 PN PN 结的空间电荷区变化形成的。结的空间电荷区变化形成的。 空间电荷区的正负离子数目发生变空间电荷区的正负离子数目发生变 化，如同电容的放电和充电过程。化，如同电容的放电和充电过程。 势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示： l S U Q C d d b 由于由于 PN PN 结结 宽度宽度 l l 随外加电压随外加电压 U U 而

32、变化，因而变化，因 此此势垒电容势垒电容 C Cb b不是一个常不是一个常 数数。 ：半导体材料的介电比系数；：半导体材料的介电比系数； S S ：结面积；：结面积； l l ：耗尽层宽度。：耗尽层宽度。 13:53:4842 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 PN PN 结总的结电容结总的结电容 C Cj j 包括势垒电容包括势垒电容 C Cb b 和扩散和扩散 电容电容 C Cd d 两部分。一般来说，当二极管正向偏置时，两部分。一般来说，当二极管正向偏置时， 扩散电容起主要作用，即可以认为扩散电容起主要作用，即可以认为 C Cj j C Cd d；当反；当反 向偏置时，势垒电容起

33、主要作用，可以认为向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 C Cj j C Cb b。 C Cb b 和和 C Cd d 值都很小，通常为几个皮法值都很小，通常为几个皮法- -几十皮法，几十皮法， 有些结面积大的二极管可达几百皮法。有些结面积大的二极管可达几百皮法。 综上所述：综上所述： 13:53:4843 3.3 半导体二极管半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 13:53:4844 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一

34、个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大两大 类。类。 (1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管 (a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN PN结面积小，结结面积小，结 电容小，用于检波和电容小，用于检波和 变频等高频电路。变频等高频电路。 13:53:4945 （a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号 (2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用于结面积大，用于 工频大电流整流电路。工频大电流整流

35、电路。 (b)(b)面接触型面接触型 13:53:4946 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示 )1e ( / SD D T V Ii v 锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性 硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性 13:53:4947 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压 V Vth th=0.5 V =0.5 V左右，左右， 锗锗二极管的

36、死区电压二极管的死区电压 V Vth th=0.1 V =0.1 V左右。左右。 当当0 0V VV Vth th时，正向电流为零， 时，正向电流为零， V Vth th称为死区电压或开启电压。 称为死区电压或开启电压。 当当V V0 0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：即处于正向特性区域。正向区又分为两段： 当当V VV Vth th时，开始出现正向 时，开始出现正向 电流，并按指数规律增长。电流，并按指数规律增长。 13:53:4948 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性 当当V V0 0时，即处于反向特性

37、时，即处于反向特性 区域。反向区也分两个区域：区域。反向区也分两个区域： 当当V VBR BR V V0 0时，反向电流很小时，反向电流很小 ，且基本不随反向电压的变化而，且基本不随反向电压的变化而 变化，此时的反向电流也称变化，此时的反向电流也称反向反向 饱和电流饱和电流I IS S 。 。 当当VVVVBR BR时，反向电 时，反向电 流急剧增加，流急剧增加，V VBR BR称为 称为反反 向击穿电压向击穿电压 。 。 13:53:4949 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) (1) 最大整流电流最大整流电流I IF F (2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBR

38、 BR和 和 最大反向工作电压最大反向工作电压V VRM RM 二极管反向电流二极管反向电流 急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向 电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿 电压电压V VBR BR。 。 为安全计，在实际为安全计，在实际 工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压 V VRM RM一般只按反向击穿电压 一般只按反向击穿电压 V VBR BR的一半计算。 的一半计算。 二极管长期连续工二极管长期连续工 作时，允许通过二作时，允许通过二 极管的最大整流极管的最大整流 电流的平均值。电流的平均值。 13:53:5050 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 (3) (

39、3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电 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流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA(nA) ) 级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安( ( A)A)级。级。 (4) (4) 正向压降正向压降V VF F 在规定的正向电流下，二极 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，约降在中等电流水平下，约0.60.60.8V0.8V；锗二极；锗二极 管约管约0.20.

40、20.3V0.3V。 (5) (5) 极间电容极间电容C CJ J（C CB B、 、 C CD D ） ） 13:53:5051 例例1： D 6V 12V 3k B A UAB + 13:53:5052 例例2: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 13:53:5153 V sin18 i tu t 13:53:5154 例例4:二极管电路如图二极管电路如图1示示, 求电流求电流I1、I2、I3、I。 例例5:二极管电路如图二极管电路如图2示示, 求电流求电流I1、I2、I3、I。 解解:因为因为D1、D2、D3为共阳极接为共阳极接 法，所以在电

41、路中只有法，所以在电路中只有D2导通导通, 而而 D1、D3截止。所以截止。所以 解解:因为因为D1、D2、D3为共阴极接为共阴极接 法，所以在电路中只有法，所以在电路中只有D2导通导通, 而而 D1、D3截止。所以截止。所以 13:53:5155 例6：电路如图 (a)所示，试画出-10V U i 10V范围内 的传输特性曲线U o = f(U i)。 解：当U i 5V时，D 1导通，D 2截止，输出U o=5V； 当U i -5V时，D 2导通，D 1截止，输出U o=-5V； 当-5VU i 5V时，D 1 、D 2均截止，输出U o =U i。 所以得 U o = f(U i)曲线如

42、图 (b)所示。 13:53:5156 例7：二极管电路如图a示，输出 电压U o值为多少？ 例8：二极管电路如图b示，输出 电压U o值为多少？ 例9：二极管电路如图c示，输出 电压U o值为多少？ 图a 图b 图c 13:53:5157 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 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 13:53:5258 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

43、，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。 13:53:5259 例例3.4.1 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i D 。 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

44、 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作点 13:53:5260 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极 管特性的等效模型。管特性的等效模型。 )1e ( D SD T V Ii v （1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏

45、置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 13:53:5261 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模 （2 2）恒压降模型）恒压降模型 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （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 13:53:5262 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型 vs =0 时时, Q点称为静

46、态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。 )( 11 sDDDD vv V RR i vs =Vmsin t 时（时（VmVT 。 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 13:53:5365 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例 （1 1）整流电路）整流电路 （a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形 13:53:5366 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例 （2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析 V 0 D VmA 1/ DDD RVI 理想模型理想

47、模型 （R=10k ） 当当VDD=10V 时，时， mA 93. 0/ )( DDDD RVVI 恒压模型恒压模型 V 7 . 0 D V （硅二极管典型值）（硅二极管典型值） 折线模型折线模型 V 5 . 0 th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值） mA 931. 0 D thDD D rR VV I k 2 . 0 D r 设设 V 69. 0 DDthD rIVV 当当VDD=1V 时，时， （自看）（自看） （a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 13:53:5367 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例 （3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型 和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 13:53:5368 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例 （4 4）开关电路）开关电路 电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值 解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴 极的电位为极的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位