第1篇-1二极管(FX)

1、第一篇第一篇 电子器件基础电子器件基础第一章第一章 电子器件的特性与模型电子器件的特性与模型 第二章第二章 半导体器件的工作机理半导体器件的工作机理 1.2 1.2 半导体材料与半导体材料与PNPN结机里结机里1.1 1.1 半导体二极管特性与计算半导体二极管特性与计算1.3 1.3 晶体三极管特性与基本原理晶体三极管特性与基本原理1.3 1.3 场效应管特性与基本原理场效应管特性与基本原理学习要点：学习要点： 二极管，三极管，场效应管的基本特性；二极管，三极管，场效应管的基本特性； 电子器件的外特性（端电压与电流关系）；电子器件的外特性（端电压与电流关系）； 重点：利用外特性的电路计算，三极

2、管的三个工作区间重点：利用外特性的电路计算，三极管的三个工作区间 场效应管与外特性关联（判别）场效应管与外特性关联（判别） 了解了解半导体器件的基本工作机理；半导体器件的基本工作机理； PN结单向导电性结单向导电性，三极管电流放大机理，三极管电流放大机理， 场效应管（绝缘栅型和结型）的基本机理场效应管（绝缘栅型和结型）的基本机理了解了解半导体器件的半导体器件的结构、特性、参数和制造工艺等结构、特性、参数和制造工艺等1 1 半导体二极管半导体二极管一、二极管的结构与类型一、二极管的结构与类型二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路与计算三、二极管的等效电路

3、与计算四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压二极管五、稳压二极管 二极管的封装二极管的封装将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管一、二极管的结构与类型一、二极管的结构与类型 二极管的结构二极管的结构点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平

4、面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。按材料分类有：硅二极管和锗二极管按材料分类有：硅二极管和锗二极管半导体器件与特性半导体器件与特性（二极管）实例（二极管）实例实物实物符号符号特性特性实际电路实际电路二、二极管的伏安特性曲线及电流方程式二、二极管的伏安特性曲线及电流方程式 二极管的主要特性就是二极管的主要特性就是PNPN结的单向导电特性，可结的单向导电特性，可以用电流方程式和伏安特性曲线来描述。以用电流方程式和伏安特性曲线来描述。 （一）二极管的电流方程式（一）二极管的电流方程式 mV)26( ) 1e (T

5、STUIiUu常温下 表示二极管的反向饱和电流，即反偏时少子作表示二极管的反向饱和电流，即反偏时少子作漂移运动所形成的漂移电流；漂移运动所形成的漂移电流； SI表示二极管的外加电压；表示二极管的外加电压； u是温度电压当量，常温下是温度电压当量，常温下 TU26TUmVSI( (二二) )伏安特性曲线伏安特性曲线 1 1、正向特性、正向特性 2 2、反向特性、反向特性 材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A二极管伏安特性：二极管伏安特性： 1. 单向导电性单向导电性TeSTUuIiUu，则若正向

6、电压) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）增加）增加 在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u下降下降 反向饱和电流反向饱和电流IS增加，增加，U(BR)下降下降BRSuUiI 若反向电压，则三、三、 二极管基本应用电路分析计算二极管基本应用电路分析计算二极管电路计算模型二极管电路计算模型 大信号模型大信号模型 ( (图解法）图解法） 线性化模型线性化模型（非线性器件进行线性化处理）（非线性器件进行线性化处理） （a a）理想化模型）理想化模型 （b b）恒压降模型恒压降模型 小信号动态模型小信号动态模型1图解法图解法（两部分伏安特性交点）（两部分伏安特

7、性交点）RUsUIUIUsSUR( )Uf IIoUo作作非线性电阻伏安特性非线性电阻伏安特性曲线曲线;3) 交点解得非线性电阻的电压电流值交点解得非线性电阻的电压电流值.开路电压开路电压:SUSdUIR短路电流短路电流:连直线连直线2) 作线性电路部分的作线性电路部分的伏安特性伏安特性曲线曲线;1. 作图法原理作图法原理SUIRU ( )Uf I非线性元件伏安特性非线性元件伏安特性:线性部分电路方程线性部分电路方程:(静态工作点计算静态工作点计算)大信号模型大信号模型图解法常用于确定二极管在直流工作状态下的电压和电流。图解法常用于确定二极管在直流工作状态下的电压和电流。TS()(e1)DUD

8、UDIUIfSDDURIRU2等效模型法等效模型法（等效为固定电压源）（等效为固定电压源）硅材料三级管硅材料三级管锗材料三级管锗材料三级管US足够大；足够大；正向电流。正向电流。恒压降模型恒压降模型例例1：12126 ,2,3SSUUV RKRK二极管正向压降二极管正向压降0.7DVV求：求：,?DDUI若若13RK，重求，重求,?DDUI解：解： 二极管左边等效简化，电路为二极管左边等效简化，电路为120121.2RRRKRR12022121.2SSSUUURUVRR正向压降正向压降00512DDUVImAR0.7DDUVV理想二极管理想二极管12126 ,2,3SSUUV RKRK二极管正

9、向压降二极管正向压降0.7DVV求：求：,?DDUI若若13RK，重求，重求,?DDUI理想二极管理想二极管解：解： 若若 ，电路为，电路为120121.5RRRKRR12022120SSSUUURUVRR正向压降正向压降0DImA0DUV13RK注意！注意！例例2：二极管正向压降二极管正向压降0.7DVV1)3 ,ABVVV03.7 ;UV2)3 ,0 ,ABVV VV00.7 ;UV3)4)0 ,ABVVV0 ,3 ,ABVV VV00.7 ;UV00.7 ;UV二极管逻辑门电路二极管逻辑门电路（与门电路）（与门电路） 例例3：二极管正向压降二极管正向压降0.7DVVAVBVOV00000

10、1010111数字逻辑数字逻辑3等效模型法等效模型法（理想二极管）（理想二极管）伏安特性伏安特性AVBVOV000001010111数字逻辑数字逻辑理想化模型理想化模型例例4: 求各二端网络的伏安特性求各二端网络的伏安特性. (VD为理想二极管为理想二极管)UIRVDUIUIRVDISUIRISSRI与UI( )Uf I全波整流电路全波整流电路LAVORVI2)(9 . 0每个二极管平均电流：每个二极管平均电流：)(21AVoDII20)(9 . 01VdtvTVTOAVO02( )2sin()v tVt例例5：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V

11、， (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUu （2）采用理想二极管串联电压源模型分析。）采用理想二极管串联电压源模型分析。mA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的三角波，波形如图所示，采用理想的三角波，波形如图所示，采用理想二极管模型分析电路并画

12、出相应的输出电压波形。二极管模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot4 4微变等效电路微变等效电路 当二极管两端的电压在某一固定值附近作微小变化，而且只当二极管两端的电压在某一固定值附近作微小变化，而且只研究电压微变量与电流微变量之间的关系时，可以用二极管在该研究电压微变量与电流微变量之间的关系时，可以用二极管在该点的动态电阻来等效地代替二极管。点的动态电阻来等效地代替二极管。 rr小信号动态模型小信号动态模型00u Ui Idurdi动态电阻动态电阻四四

13、. 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF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。(2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR 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UBR。 (3) 反向电流反向电流I IRR 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安( A)级。级。五、稳压

14、二极管五、稳压二极管 （利用反向击穿现象具有稳压效应而特制的二极管称稳（利用反向击穿现象具有稳压效应而特制的二极管称稳压二极管，简称稳压管）压二极管，简称稳压管） (a)(a)伏安特性伏安特性 (b)(b)符号符号 主要参数主要参数1. 稳定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2. 稳定电流稳定电流 IZ 稳压时最小电流，稳压时最小电流， 小于小于 Imin 时不稳压时不稳压。3. 最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳

15、压效果越好。越小稳压效果越好。iu udU欲保持输出电压为欲保持输出电压为OdUU不变不变, 求负载电阻的变化范围求负载电阻的变化范围.稳压二极管实际工作线路分析实例稳压二极管实际工作线路分析实例ZdII条件条件:电流电流SdUUIRZLZSdUUIIIRIdLZUIRdZSdZURRUURI稳压管计算：已知外加电压稳压管计算：已知外加电压20iVu，稳压管稳定电压，稳压管稳定电压9ZVu稳压管动态电阻稳压管动态电阻20Zr负载电阻负载电阻1LKR1）求各电流；）求各电流；2）外加电压）外加电压下降下降4V时，输出电压变化量。时，输出电压变化量。1）求各电流）求各电流991000ZLLuImA

16、R20921.6510iZuuImAR12.6ZLIIImA稳压管的应用电路稳压管的应用电路稳压管计算：已知外加电压稳压管计算：已知外加电压20iVu，稳压管稳定电压，稳压管稳定电压9ZVu稳压管动态电阻稳压管动态电阻20Zr负载电阻负载电阻1LKR2）外加电压下降）外加电压下降4V时，输时，输出电压变化量。出电压变化量。991000ZLLuImAR16913.7510iZuuImAR4.7ZLIIImA设稳压管稳定电压基本不变设稳压管稳定电压基本不变（工程计算方法）（工程计算方法）0158ZZuIrmV 7.9ZZZIIImA2 2 半导体材料半导体材料、PNPN结与二极管机理分析结与二极管

17、机理分析一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，所时，所有的价电子都被共价键紧紧束有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为缚在共价键中，不会成为自由自由电子电子，因此本征半导体的导电因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。能力很弱，接近绝缘体。一. 本征半导体（单晶硅）本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。

18、根据材料的导电能力，可以划分为导体、绝缘体和半导体。根据材料的导电能力，可以划分为导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素价元素。 当温度升高或受到光的照射时，部分电子挣脱原子核的束缚，当温度升高或受到光的照射时，部分电子挣脱原子核的束缚，而成为而成为自由电子自由电子。同时在原来位置出现了一个空位，称为。同时在原来位置出现了一个空位，称为空穴空穴。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴本征激发：本征激发：电子空穴对电子空穴对外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越

19、多。与本征激发相反的现象与本征激发相反的现象复合复合在一定温度下，本征激发和复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。空穴对的浓度一定。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，导体的导电能力越强，温度是影响半导体性温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。半导体中的载流子可分为：半导体中的载流子可分为：自由电子自由电子和和空穴空穴（带正电（带正电性，沿着共价键做依次递性，沿着共价键做依次递补的运动）。补的运动

20、）。半导体中电流由两部分组成：半导体中电流由两部分组成：1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。E+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴移动示意图空穴移动示意图二二. . 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为称为杂质半导体杂质半导体。N型半导体型半导体 在本征半导在本征半导体中掺体中掺 入五价杂质入五价杂质元素，例如磷，砷元素，例如磷，砷等，称为等，称为N型半导型半导体体。多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4

21、+4+5多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空空穴穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子2.2. P P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关杂质半导体主要靠多数载流子导电杂质半导体主要靠多数载流子导电内电场E因多子浓度

22、差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流 (2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽