模电课件第三章

1、13.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 二极管二极管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3 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路2 半导体器件是现代电子技术的重要组成部半导体器件是现代电子技术的重要组成部分分, 由于其体积小、重量轻、使用寿命长、输由于其体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小和功率转换效率高等优点得到广泛的入功率小和功率转换效率高等优点得到广泛的应用应用 33.1 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

2、共价键结构 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用 3.1.4 杂质半导体杂质半导体4导体导体( (conductor) )：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，金属一般都是导体。属一般都是导体。绝缘体绝缘体( (insulator) )：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，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体半导体(semiconductor)：另有一类物质的导电特性处于导体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为和绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些

3、硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。3.1.1 半导体材料半导体材料53.1.1 半导体材料半导体材料半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于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：其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。变化。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。电能力明显改变。6 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构GeSi4 原子结构简化模型原子结构简化模型价价电电子子正正离离子子7 3.1.2 半导体的共

4、价键结构半导体的共价键结构硅和锗的共价键硅和锗的共价键(covalent bond)结构结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子4 4 4 4 4 4 4 4 4 半导体与金属和许多绝缘体一样半导体与金属和许多绝缘体一样,均具有晶体结构均具有晶体结构,原子有序原子有序排列排列,相邻原子之间由共价键连接相邻原子之间由共价键连接 8 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用1.1.本征半导体本征半导体(intrinsic or pure insulator)硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、

5、结构完整的半导体晶体。9 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用1.1.本征半导体本征半导体(intrinsic or pure insulator)4 4 4 4 4 4 4 4 4 T=0K和没有外界激发时，和没有外界激发时，共价键内的电子被束缚，共价键内的电子被束缚，不能叫做载流子；不能叫做载流子；共价键对电子的束缚不象共价键对电子的束缚不象绝缘体中束缚的那么紧；绝缘体中束缚的那么紧；10 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用4 4 4 4 4 4 4 4 4 在室温（在室温（300K）下）下,被束缚的价被束缚的价电子获得足够能量挣脱共价键电子获得足够能量挣

6、脱共价键,成成为为自由电子自由电子本征激发本征激发；价电子走后剩下的空位价电子走后剩下的空位空穴空穴载流子载流子此时外加电压，本征半导体内将有电流此时外加电压，本征半导体内将有电流流过，但导电能力远不如良好导体；流过，但导电能力远不如良好导体；硅材料的原子密度为硅材料的原子密度为51022/cm3，本征激发自由电子浓度，本征激发自由电子浓度ni1.451010/cm3;即室温下，每即室温下，每3.451012个原子中只有一个价电子成为自由电子。个原子中只有一个价电子成为自由电子。4 4 4 4 4 4 4 4 4 2.2.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴11 3.1.3 本征半导体

7、的导电作用本征半导体的导电作用2.2.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴 电子挣脱共价键束缚成为自由电子，共价键中留下一个空电子挣脱共价键束缚成为自由电子，共价键中留下一个空位位,带一个正电带一个正电,叫做空穴；叫做空穴；在外电场的作用下，附近的价电子在外电场的作用下，附近的价电子被吸引填补空穴，同时又会产生一被吸引填补空穴，同时又会产生一个新的空穴；个新的空穴；似乎空穴也能似乎空穴也能”移动移动”,但其移动但其移动的方向与电子相反的方向与电子相反;且空穴带正电；且空穴带正电；空穴是载流子空穴是载流子本征半导体内本征半导体内,自由电子和空穴总是自由电子和空穴总是成对出现的成对出现的;

8、任何时候都有任何时候都有ni=pi 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 空穴空穴12 3.1.3 本征半导体的导电作用本征半导体的导电作用3.载流子的产生与复合载流子的产生与复合共价键共价键获得热能获得热能以一定速率产生以一定速率产生自由电子自由电子空穴空穴温度愈高温度愈高,产生率愈高产生率愈高自由电子自由电子空穴空穴以一定速率以一定速率相遇相遇结合成新结合成新共价键共价键浓度愈高浓度愈高,载流子数载流子数目愈高目愈高,复合率愈高复合率愈高结论结论:一定的温度下一定的温度下,载流子的复合率等于产生率载流子的复合率等于产生率

9、,达到达到动态平衡动态平衡 浓度越高，导电能力越高；即本征半导体的导电率随温度的增加浓度越高，导电能力越高；即本征半导体的导电率随温度的增加而增加；而增加；13 3.1.4 杂质半导体杂质半导体1. 1. P 型半导体型半导体P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。4 4 4 4 44 4 4 4 4 4 4 4 3 4 4 4 4 空位3价硼原子价硼原子相邻共价键上的电相邻共价键上的电子获得能量，就有子获得能量，就有可能填补空位可能填补空位,使硼使硼原子成了不能移动原子成了不能移动的负离子（得到一的负离子（得到一个电子）个电子）留下了可移留下了可移动的空穴动的

10、空穴NA（硼原子浓度）（硼原子浓度）+n（少子浓度）（少子浓度）=p（多子浓度）（多子浓度）硼原子称为受主原子硼原子称为受主原子14 3.1.4 杂质半导体杂质半导体2. N 型半导体型半导体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）。）。4 4 4 4 44 4 4 4 5价磷原子价磷原子4 4 4 4 5 4 4 4 4 获得能量，易挣脱原子获得能量，易挣脱原子核的束缚成为自由电子

11、核的束缚成为自由电子ND（磷原子浓度）（磷原子浓度）+p（少子浓度）（少子浓度）=n（多子浓度）（多子浓度）留下一个固定的、留下一个固定的、不能移动的正离子不能移动的正离子磷原子称为施主原子磷原子称为施主原子153.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 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16 3.2.1载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 热能的激发热能的激发,半导体内的载流子将作随机的无定向运动半导体内的载流子将作随

12、机的无定向运动,载流载流子在任意方向的平均速度为零子在任意方向的平均速度为零 若有电场加到半导体上若有电场加到半导体上,内部载流子将受电场力做定向移动内部载流子将受电场力做定向移动; 空穴的移动方向与电场方向相同空穴的移动方向与电场方向相同，自由电子的移动方向与电场方自由电子的移动方向与电场方向相反向相反 由于电场作用导致载流子的运动称为由于电场作用导致载流子的运动称为漂移漂移漂移漂移17 3.2.1载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散 基于载流子的基于载流子的浓度差异浓度差异和和随机热运动随机热运动,载流子由浓度高区域载流子由浓度高区域向浓度低的区域扩散向浓度低的区域扩散,形成电流形成电流【

13、扩散电流扩散电流】.型型P型型N多多子子少少子子多多子子少少子子扩散扩散18 3.2.2 PN 结的形成结的形成型型PN型多数载流子向对方区域进行扩散多数载流子向对方区域进行扩散19 3.2.2 PN 结的形成结的形成多数载流子向对方区域进行扩散并复合掉多数载流子向对方区域进行扩散并复合掉型型PN型扩散结果使交界处的电中性遭到破坏扩散结果使交界处的电中性遭到破坏,仅剩仅剩下下不能移动带电杂质离子不能移动带电杂质离子;称为称为空间电荷区空间电荷区,又称又称耗尽区耗尽区或或PN结结；空间电荷区空间电荷区(PN结结/耗尽区耗尽区)漂移使得漂移使得PN结变窄结变窄扩散使得扩散使得PN结变宽结变宽内电场

14、内电场扩散运动扩散运动与漂移运与漂移运动互相联动互相联系又互相系又互相对立对立,当当达到达到动态动态平衡平衡时时PN结的结的宽度确定宽度确定 阻止多阻止多子扩散子扩散使少子使少子漂移漂移20 3.2.2 PN 结的形成结的形成空间电荷区空间电荷区(PN结结/耗尽区耗尽区)P型区型区N型区型区内电场内电场E0势垒电位势垒电位V0电位电位0 x势垒区势垒区21内电场内电场E0FVP型型N型型外电场外电场EF总电场总电场E=E0-EFPN结平衡状态被打结平衡状态被打破破,有利于多子扩散有利于多子扩散多子进入多子进入PN结结,中和中和了了PN结内的结内的带电离带电离子子, PN结区空间电荷结区空间电荷

15、量减少量减少,PN结变薄结变薄有利于多子的扩散运动，形有利于多子的扩散运动，形成扩散电流，成扩散电流，此时扩散电流此时扩散电流大、漂移电流很小而忽略，大、漂移电流很小而忽略，因此因此电流由扩散电流决定。电流由扩散电流决定。 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)正向偏置正向偏置正向电流正向电流电流称为正向电流称为正向电流，电流，PN结阻结阻值小。称为值小。称为PN结导通。结导通。22 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性PN结结(PN junction)反向偏置反向偏置内电场内电场E0RVP型型N型型外电场外电场ER总电场总电场E=E0+ER

16、PN结平衡状态被打破结平衡状态被打破,阻碍了阻碍了多子扩散多子扩散,耗尽区厚度加宽耗尽区厚度加宽扩散运动被抑制扩散运动被抑制,扩散电流扩散电流趋近于零。漂移运动被加强趋近于零。漂移运动被加强PN结表现为阻值极大的结表现为阻值极大的电阻电阻,认为认为PN结截止结截止 反向电流是由少子漂移形成反向电流是由少子漂移形成,而少子由本征热激发产生而少子由本征热激发产生,故浓度很故浓度很低低, 反向电流很小反向电流很小,AA级。该电流也级。该电流也称为称为反向饱和电流反向饱和电流.23硅二极管硅二极管PNPN结的结的V-IV-I特性特性mA/Di5 . 0o0 . 1V/Dv5 . 00 . 15 . 0

17、 0 . 1 正向偏置特性正向偏置特性反向偏置特性反向偏置特性)1(TDSD nVveIiPN结结V-I 特性特性 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性24温度的电压当量温度的电压当量硅二极管硅二极管PNPN结的结的V-IV-I特性特性mA/Di5 . 0o0 . 1V/Dv5 . 00 . 15 . 0 0 . 1 正向偏置特性正向偏置特性反向偏置特性反向偏置特性)1(TDSD nVveIi发射系数发射系数,与与尺寸尺寸/材料及材料及电流有关电流有关qkTV/T PN结结V-I 特性特性PN结两端结两端外加电压外加电压玻耳兹曼常数玻耳兹曼常数(1.3810-23J/K)热力学温度热

18、力学温度电子电荷电子电荷(1.610-19C)常温下为常温下为26mV反向饱和电流反向饱和电流 3.2.3 PN 结的单向导电性结的单向导电性25如果加到如果加到PN结的反向电压增大结的反向电压增大到一定数值时，反向电流突然到一定数值时，反向电流突然增加，称为增加，称为PN结的反向击穿；结的反向击穿；PNPN结的反向击穿结的反向击穿DioDvBRV反向击穿电压反向击穿电压 3.2.4 PN 结的反向击穿结的反向击穿26 电击穿电击穿( (可逆可逆) ) 热击穿热击穿( (不可逆不可逆)击穿击穿雪崩击穿雪崩击穿(avalanche breakdown):碰撞碰撞, ,载流子倍增效应。载流子倍增效

19、应。齐纳击穿齐纳击穿(zener breakdown): :局部电场增强局部电场增强, ,分离分离DioDvBRV整流二极管整流二极管（多数）（多数）稳压二极管稳压二极管（多数）（多数）VBR反向击穿电压反向击穿电压 击穿后的反向击穿后的反向电流急剧增大电流急剧增大,易易使使PN结发热结发热,升温升温从而烧毁从而烧毁PN结结 3.2.4 PN 结的反向击穿结的反向击穿27 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应PN结的两种电容效应：结的两种电容效应：扩散电容扩散电容CD和和势垒电容势垒电容CBPN结处于结处于正向偏置正向偏置时，多子的扩散导致在时，多子的扩散导致在P区（区（N区）靠近区）靠

20、近结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的结的边缘有高于正常情况的电子（空穴）浓度，这种超量的浓度可视为电荷存储到浓度可视为电荷存储到PN结的邻域结的邻域PN结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能结的电容效应直接影响半导体器件的高频和开关性能1. 扩散电容扩散电容28 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL法）法）(FddDDQvQC PN结反向偏置时，载流子数结反向偏置时，载流子数目很少，扩散电容可忽略目很少，扩散电容可忽略+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层N

21、P区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL1. 扩散电容扩散电容29 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应势垒区是积累空间电荷的区势垒区是积累空间电荷的区域，当域，当反向偏置反向偏置电压电压变化变化时，时，就会引起积累在势垒区的空就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化间电荷的变化2. 势垒电容势垒电容类似于平板电容器两极板上电荷的变化类似于平板电容器两极板上电荷的变化BDdQCdv30 3.2.5 PN 结的电容效应结的电容效应PN结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频结的电容效应是扩散电容和势垒电容的综合反映，在高频运用时，须考虑运用时，须考虑PN结电容的

22、影响结电容的影响PN结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏结电容的大小与本身的结构和工艺及外加电压有关。正偏时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容时，结电容较大（主要决定于扩散电容）；反偏时，结电容较小（主要决定于势垒电容）较小（主要决定于势垒电容）313.3 二极管二极管 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 二极管的参数二极管的参数32 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片33 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极

23、管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片34 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构半导体二极半导体二极管管(diode insulator)图片图片35 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。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按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大类。三大类。(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结面积小，结电结面积小，结电容小，用于检波和变频等容小，用

24、于检波和变频等高频电路。高频电路。36 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型37(3) 平面型二极管平面型二极管(c)(c)平面型平面型阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号(symbol)(d) 代表符号代表符号k 阴极阴极阳极阳极 aanode cathode 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 往往用于集成电路往往用于集成电路制造艺中。制造艺中。PN 结面积结面积可

25、大可小，用于高频整可大可小，用于高频整流和开关电路中。流和开关电路中。38正向压降正向压降变化范围不大变化范围不大,近似等于近似等于常数常数; Si0.7V;Ge0.2V少数载流子的漂移形成少数载流子的漂移形成反向饱和电流反向饱和电流,一般硅管远小于锗管一般硅管远小于锗管.该电该电流流对温度非常敏感对温度非常敏感.mA/Di5015V/Dv2 . 04 . 010206 . 08 . 040 30 20 10 10 20 30 40 A/Di硅二极管硅二极管2CP10的的V-I特性特性mA/Di5015V/Dv2 . 04 . 010206 . 08 . 040 20 10 20 30 40

26、A/Di60 锗二极管锗二极管2AP15的的V-I特性特性BRVthV正向特性正向特性正向电压不大正向电压不大,电电流相对很大。流相对很大。Vth:门坎电压门坎电压/死区电压死区电压正向压降正向压降正向压降正向压降反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性thVBRVSi0.5V;Ge0.1V 3.3.2二极管二极管的伏安特性的伏安特性393.3.3 二极管的参数二极管的参数1. 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期运行时，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VBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增

27、，二极管的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。手册上给出的最高反向工作单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压电压约为约为击穿电压的一半。击穿电压的一半。3. 反向电流反向电流 IR 指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电指管子未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。向电流越大。403.3.3 二极管的参数二极管的参数4. 二极管的极间电容二极管的极间电容（par

28、asitic capacitance） 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：势垒电容势垒电容(barrier（depletion）capacitance)CB和和扩散电扩散电容容(diffusion capacitance)CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是的电容是势垒电容势垒电容。413.3.3 二极管的参数二极管的参数4. 二极管的极间电容二极管的极间电容扩

29、散电容：扩散电容：为了形成正向电流为了形成正向电流（扩散电流），注入（扩散电流），注入P 区的电子区的电子在在P 区有浓度差，越靠近区有浓度差，越靠近PN结浓结浓度越大，即在度越大，即在P 区有电子的积累。区有电子的积累。同理，在同理，在N区有空穴的积累。正向区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容产生的电容就是扩散电容CD。P+-NCB在高频和反向偏置时明显。在高频和反向偏置时明显。 CD在正向在正向偏置时明显。偏置时明显。42极间电容（结电容）为势垒电容和扩散电容之和。极间电容（结电容）为势垒电容和扩散电容之和。433.3.3 二极

30、管的参数二极管的参数5. 微变电阻微变电阻 rDiDvDIDVDQ iD vD rd 是二极管特性曲线上工是二极管特性曲线上工作点作点Q 附近电压的变化与电流附近电压的变化与电流的变化之比：的变化之比：DdDvri 显然，显然，rd是对是对Q附近的微小变化附近的微小变化区域内的电阻。区域内的电阻。44 *6 二极管的温度特性二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的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，如硅二极管温度每指数规律增加，如硅二极管温度每增加增加8，反向电流将约增加一倍；，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加锗二极管

31、温度每增加12，反向电，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每时，二极管的正向压降将减小，每增加增加1，正向压降，正向压降VF(Vd)大约减大约减小小2 mV，即具有负的温度系数。，即具有负的温度系数。3.3.3 二极管的参数二极管的参数45二极管的型号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：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： 2 A P 9 用数字代表同类型器件的不同型号用数字代表同类型器件的不同型号. 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P代表普通管代表普通管. 用字母代表器件的材料，用字母代表器件的材料，

32、A代表代表N型型Ge. B代表代表P型型Ge，C代表代表N型型Si，D代表代表N型型Si 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管代表三极管.463.4 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47DiDvoDi Dv理想二极管理想二极管V-I特性特性理想二极管代表符号理想二极管代表符号正向压降为正向压降为0反向反向电阻电阻为无为无穷大穷大Di 0D v正向偏置电路模型正向偏置电路模型0D i Dv反向偏置电路模型反向偏置电路模型应用条件应用条件

33、:实际的电路中实际的电路中,当当电源电压远大于二极管的管压降时电源电压远大于二极管的管压降时,可可以利用理想模型进行近似分析以利用理想模型进行近似分析. 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.理想模型（理想模型（ideal diode)48DiDvo恒压降模型恒压降模型V-I特性特性正向压降为恒定值正向压降为恒定值反向反向电阻电阻为无为无穷大穷大电路模型电路模型Di DvV7 . 0该模型提供了更合理的近似该模型提供了更合理的近似,应用较广泛应用较广泛.应用条件应用条件:流过二极管电流流过二极管电流iD近似等于或大于近似等于或大于1mA时时.Si0.7V;Ge0

34、.2V2.恒压降模型（恒压降模型（offset model) 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493.折线模型折线模型(piecewise linear diode model)正向压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，正向压降不是恒定的，而是随着二极管电流的增加而增加，用一个电池与一个电阻的串联来近似。用一个电池与一个电阻的串联来近似。 rD近似为近似为 200。Vth0.5V 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DiDvo折线模型折线模型V V- -I I 特性特性反向反向电阻电阻为无为无穷大穷大电路模型电路模型Di

35、 DvthVDr50此时电路中只有直流量此时电路中只有直流量,即电即电路处于直流工作状态路处于直流工作状态,也称也称静静态态,Q点称为点称为静态工作点静态工作点.Di DvDDVR SvmSDDmsin;()vVVVtDi Dv Q mA/DiV/DvoDIDVQQ 此时电路中除了直流量此时电路中除了直流量,还有交流量作用的结果还有交流量作用的结果;工作点沿工作点沿V-I特性曲线特性曲线,在在Q附近小范围内变化附近小范围内变化,可把二极管可把二极管V-I特性曲线近似为特性曲线近似为一条线性直线处理一条线性直线处理. 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4.小信号模

36、型小信号模型(small signal model)514.小信号模型小信号模型(small signal model) 当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可当二极管在其伏安特性的某一小范围内工作，可以把伏安特性看出一条直线。以把伏安特性看出一条直线。 小信号模型的微变等效小信号模型的微变等效电阻电阻rd26（mv）/ID。vDiDvD D iD iDvDrd 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DDdvri52 应用举例应用举例1. 整流电路整流电路二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零二极管当作理想元件处理，即二极管的正向导通电阻为零（忽略二

37、极管正向压降），反向电阻为无穷大（忽略二极管正向压降），反向电阻为无穷大DRvOvs+-vsvO（P78例题）例题）53 应用举例应用举例 2. 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）（1）VDD=10V 时时mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D 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 . 0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0DthDDD rRVVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0DDthD rIVV（2）VDD=1V 时时

38、（自看）（自看）+ DiDVDD+ DiDVDDVD+ DiDVDDrDVth+ iDVDDvDR求求ID，VD54 3. 限幅电路限幅电路 O + D VREF I + R 应用举例应用举例 vO + VREF vI + R D VD vO + VREF vI + R D 有一限幅电路如图所示，有一限幅电路如图所示， R=1k ， VREF=3V,二极管为二极管为硅二极管。分别用理想模型和硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解以下两问：恒压降模型求解以下两问：（）（）vI=0V、4V、6V时，求时，求相应的输出电压相应的输出电压vO的值；的值；（）当（）当vI=sinwt(V)时，绘时，绘

39、出相应的输出电压波形出相应的输出电压波形55* * 4 4 钳位电路钳位电路图示钳位电路中，已知其输入信号图示钳位电路中，已知其输入信号 试画出试画出输出电压输出电压vo的波形，并说明的波形，并说明vo钳位在何值。设二极管是理想钳位在何值。设二极管是理想二极管。二极管。tVvmisin56解：解： 设设t=0时，电容两端电压为时，电容两端电压为0。在。在0 期间，期间，vi为负值。为负值。 ，二极管，二极管D正偏导通，正偏导通， ，电容，电容C通通过过D充电，充电，vc随随vi的负向增加而上升至的负向增加而上升至Vm，极性如图所示。从，极性如图所示。从 开始，开始， ，二极管一直反偏截止，电容

40、无，二极管一直反偏截止，电容无放电回路，放电回路，vc基本保持不变，则基本保持不变，则4T4Tt 0ciDvvvtVVtVVvvvmmmmicosin-)sin- (=+=+=Vvo00ciDvvv57故故 时，时，vo=0 时，时，vo=Vm 时，时，vo=2Vm t=T 时，时，vo=Vmvo的波形是的波形是vi的波形向上平移的波形向上平移Vm,vo的负向最大值被钳制在零伏。的负向最大值被钳制在零伏。如果把二极管如果把二极管D反接，则反接，则vo的正向最大值被钳制在零伏。的正向最大值被钳制在零伏。4Tt 2Tt Tt43585 5 开关电路开关电路在开关电路中，判断二极管是导通的还是截止的

41、方法如下：在开关电路中，判断二极管是导通的还是截止的方法如下：l l 对于单只二极管而言，首先将二极管断开，计算对于单只二极管而言，首先将二极管断开，计算VP、VN的电压值，若的电压值，若VPVN，则二极管是导通的；若，则二极管是导通的；若VPVN，则二极管是截止的。则二极管是截止的。l l 对于并联二极管而言，首先将二极管断开，分别进行对于并联二极管而言，首先将二极管断开，分别进行计算计算VPi、VNi的电压值，的电压值，max(VPi、VNi)并且大于并且大于0，则正向电则正向电压值大的二极管先导通，余下的被钳位。压值大的二极管先导通，余下的被钳位。 导通管的压降看做常值（硅导通管的压降看

42、做常值（硅0.7V，锗，锗0.2V）或）或0V（理（理想二极管）；截止管所在支路看做断开，电路中所有二想二极管）；截止管所在支路看做断开，电路中所有二极管判明后，进一步计算所要求的各物理量。极管判明后，进一步计算所要求的各物理量。59理想二极管，求理想二极管，求VAO解（解（a)： 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，接阴极的电位为接阴极的电位为- -12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D

43、阳极阳极的电位。的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为- -6V。例例1（习题（习题3.4.5）60解：解：(c) VPN1=12V, VPN2=3V,则则D1 导通，导通，D2截止。截止。VAO=0V。 (d) VPN1=12V, VPN2=18V,则则D2先导通，先导通，D2导通以后，导通以后，VAO=6V，此时，此时D1处于截止处于截止状态。状态。61导通断开DVVVVVVVVVVVVDBACBCBCBCA,5 . 02-5 . 2-22018225 . 21552551151014010=+=+=+=例例2(习题习题3.4.6） 判断判断D导通还是截止？导通还是截止？解解：62例

44、例3： 理想模型理想模型输入电压为输入电压为0V或或5V求输入值的不同组合下，输出电压值。求输入值的不同组合下，输出电压值。636. 小信号工作情况分析小信号工作情况分析 应用举例应用举例求求 vD、 iD R=5k VDDD + 5V ID + VD iD vD + D + VDD DSD R=5k vi vi = 0.1sin t VVDD = 5V，VD0.7VID =(5-0.7)/5k=0.86mA静态分析静态分析vi = 0动态分析动态分析VDD = 0叠加原理叠加原理 iD + rd + vI R vD 30)mA(86. 0)mV(26)mA()mV(26DDdIIVrTtmVsin6 . 0t1sin. 0k03. 0k5k03. 0vrRrrividddDD 64例例2：图示电路中，：图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；的交流量和总量； （2）绘出）绘出vO的波形