模拟电子技术 半导体二极管及其基本电路

1、第二章第二章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路半导体半导体PN结的形成及特性结的形成及特性（重点）（重点）半导体二极管（半导体二极管（Diode）的结构、特性及）的结构、特性及参数参数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（重点）（重点）特殊二极管特殊二极管容易传导电流的称为导体。如金属。容易传导电流的称为导体。如金属。几乎不传导电流的称为绝缘体。几乎不传导电流的称为绝缘体。如橡胶，陶瓷。如橡胶，陶瓷。导电能力介于导体和绝缘体之间，导电能力介于导体和绝缘体之间，并且受到外界光和热的刺激或加并且受到外界光和热的刺激或加入微量的杂质时，导电能力将发入微量的杂质时，导电

2、能力将发生显著变化的物质称为半导体。生显著变化的物质称为半导体。如硅如硅(Si )，锗，锗(Ge )。 完全纯净的，结构完整的半导体完全纯净的，结构完整的半导体晶体称为本征半导体。晶体称为本征半导体。+4+4+4+4+44惯性核价电子Ge32Si14原子核电子轨道价电子(a)(b)(c) 图 半导体的原子结构示意图 （a）硅原子；（b）锗原子；（c）简化模型 +4+4+4+4+4 挣脱共价键的束缚自由活动的电子挣脱共价键的束缚自由活动的电子束缚电子成为自由电子后，在共价键束缚电子成为自由电子后，在共价键中所留的空位。中所留的空位。 空穴移动方向与电子移动方向相反，可用空穴空穴移动方向与电子移动

3、方向相反，可用空穴移动产生的电流移动产生的电流 代表代表 束缚电子移动产生的电流，束缚电子移动产生的电流，空穴迁移就相当于正电荷的移动。空穴迁移就相当于正电荷的移动。可将可将空穴空穴看成是看成是带正电荷的载流子带正电荷的载流子，自由电子和，自由电子和空穴均参与导电是半导体区别于导体的重要特性。空穴均参与导电是半导体区别于导体的重要特性。二、杂质半导体二、杂质半导体杂质半导体杂质半导体电子半导体电子半导体(Negative) 空穴半导体空穴半导体(Positive ) 加加+5价元素磷价元素磷(P)、砷砷(As )、锑、锑(Sb) 加加+3价元素硼价元素硼(B )、铝、铝(Al )、铟、铟(In

4、)、镓、镓(Ga )元素周期表1、电子半导、电子半导(Negative) N型半导体型半导体+5价元素磷价元素磷(P)、砷、砷(As )、锑、锑(Sb)等在硅晶体中给等在硅晶体中给出一个多余电子，故叫施主原子。出一个多余电子，故叫施主原子。 电子数目电子数目 = 空穴数空穴数 + 正离子数正离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（主要来自杂质）（主要来自本征半导体） （全部来自杂质）（全部来自杂质）多数载流子：电子多数载流子：电子少数载流子：空穴少数载流子：空穴4自由电子44454444施主原子2、空穴半导、空穴半导(Positive ) P 型半导体型半导体+3价元素硼价元素硼(B )

5、、铝、铝(Al )、铟、铟(In )、镓、镓(Ga )等在等在硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。硅晶体中接受一个电子，故叫受主原子。 空穴数目空穴数目 = 电子数电子数 + 负离子数负离子数（主要来自杂质）（主要来自本征半导体）（主要来自杂质）（主要来自本征半导体） （全部来自杂质）（全部来自杂质）多数载流子：空穴多数载流子：空穴少数载流子：电子少数载流子：电子2.2 PN结的形成及特性一、一、PN结结1952年第一个年第一个PN结形成。结形成。PNPN内电场PN结1、PN结的形成结的形成PN结的动态平衡结的动态平衡动画3二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性PN结的单向导电性是其基本特性

6、结的单向导电性是其基本特性1、外加正向电压、外加正向电压外加电场方向与内电场方向外加电场方向与内电场方向PN内电场外电场IF2、外加、外加外加电场方向与内电场方向外加电场方向与内电场方向PN内电场外电场IS IS很小，就可以看作很小，就可以看作PN结在外加反向偏置时呈现结在外加反向偏置时呈现出很大的阻值。出很大的阻值。 PNPN结加正向电压时，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

7、单向结具有单向导电性。导电性。3、PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向结的外加反向电压增大到一定的数值时，反向电流会突然增加，这个现象称为电流会突然增加，这个现象称为PN结的反向击穿。结的反向击穿。反向击穿反向击穿热击穿热击穿电击穿电击穿可利用的，可逆的可利用的，可逆的有害的，易烧坏有害的，易烧坏PN结结根据产生击穿的原因，根据产生击穿的原因，电击穿电击穿又可分为：又可分为：雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿外加电场作用产生外加电场作用产生，形成倍增效应。形成倍增效应。在杂质浓度特别大的在杂质浓度特别大的PN结中，结中，外加电场直接破坏共价键，产外加电场直接

8、破坏共价键，产生电子空穴对。生电子空穴对。4、PN结的结的VI特性特性PN结的结的VI特性如图所示特性如图所示vDiDISVBR/(1)DTvvDSiIe注注:VD为为PN结的外加电压结的外加电压, VT为温度的电压当量为温度的电压当量,约为约为0.026V, IS为反向饱和电流为反向饱和电流。e=2.71828 2.3半导体二极管（半导体二极管（diode）半导体二极管就是一个半导体二极管就是一个PN结。结。一、一、半导体二极管的结构半导体二极管的结构结构不同结构不同点接触型点接触型面接触型面接触型：适用于高频检波和：适用于高频检波和 数字电路开关。数字电路开关。：适用于整流：适用于整流掺杂

9、质浓度掺杂质浓度不同不同对称对称PN型型P+N型型PN+型型有硅有硅二极管、锗二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。二极管和砷化镓二极管等。有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、有整流、稳压、开关、发光、光电、变容、阻尼等二极管。阻尼等二极管。有塑封及金属封等二极管。有塑封及金属封等二极管。有大功率、中功率及小功率等二极管有大功率、中功率及小功率等二极管常见二极管外形 图图 半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号（a）点接触型结构）点接触型结构;（b）面接触型结构）面接触型结构; 金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)阴极引线阳

10、极引线PP型支持衬底(c)阴极阳极(d)Nak 图图 半导体二极管的结构及符号半导体二极管的结构及符号（c）集成电路中的平面型结构）集成电路中的平面型结构; （d）图形符号）图形符号2AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c)二极管外形二极管外形二、二极管的二、二极管的VI特性特性0.20.40.60.8O5101530 U(BR)CCDDIRAABB硅锗iV / mAuV / V(A)5 图图 二极管伏安特性曲线二极管伏安特性曲线二极管两端加二极管两端加时时,就产生正向就产生正向电流电流,当正向电压较小时当正向电压较小时,正向电流极小正向电流极小（几乎为零）（几乎为零）,这一部分称为死区

11、这一部分称为死区,相应相应的的A(A)点的电压称为死区电压或门槛点的电压称为死区电压或门槛电压电压(也称阈值电压也称阈值电压),硅管约为硅管约为0.5V,锗锗管约为管约为0.1V,如图中如图中OA(OA)段。段。()当正向电压超过当正向电压超过门槛电压门槛电压时时,正向电流正向电流就会急剧地增大就会急剧地增大,二极管呈现很小电阻二极管呈现很小电阻而处于导通状态。这时硅管的正向导而处于导通状态。这时硅管的正向导通压降约为通压降约为0.60.7V,锗管约为锗管约为0.20.3V,如图中如图中AB(AB)段。段。二极管两端加上二极管两端加上时时,在开始很在开始很大范围内大范围内,二极管相当于非常大的

12、电阻二极管相当于非常大的电阻,反向电流很小反向电流很小,且不随反向电压而变化。且不随反向电压而变化。此时的电流称之为反向饱和电流此时的电流称之为反向饱和电流IR,见见图中图中OC（OC）段。）段。二极管反向电压加到一定数值时二极管反向电压加到一定数值时,反反向电流急剧增大向电流急剧增大,这种现象称为这种现象称为。此时对应的电压称为反向击。此时对应的电压称为反向击穿电压穿电压,用用UBR表示表示,如图中如图中CD(CD)段。段。UI导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。UIE

13、+- 反向饱和电流反向饱和电流（很小，（很小， A级）级）三、二极管的参数三、二极管的参数1、最大整流电流最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许：指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。通过的最大正向平均电流。2、最高反向工作电压最高反向工作电压：VBD= VBR （VBR为反向击穿电压。）为反向击穿电压。）3、极间电容极间电容：在高频时要考虑极间电容。：在高频时要考虑极间电容。P67-68 势垒电容势垒电容CB在反向偏置时作用较大在反向偏置时作用较大 扩散电容扩散电容CD在正向偏置时作用较大在正向偏置时作用较大4、最高工作频率最高工作频率：指二极管能保持单向导电性：指二极管能保持单向

14、导电性的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单的最大频率。超过了这个频率二极管就失去了单向导电性。向导电性。 用万用表判别二极管的极性及性能用万用表判别二极管的极性及性能1. 1. 二极管的极性判别二极管的极性判别 数字型万用表和模拟型万用表都可用于数字型万用表和模拟型万用表都可用于鉴别正负极性。选用欧姆档的鉴别正负极性。选用欧姆档的R100或或R1k()档。档。 鉴别时主要的鉴别时主要的区别区别在于数字型万用表的在于数字型万用表的接的是表内电池的接的是表内电池的，黑表笔黑表笔接的是表内电池的接的是表内电池的负极负极；而模拟型万用；而模拟型万用表则正好表则正好相反相反。数字型数字型万用表万用

15、表模拟型模拟型万用表万用表小知识小知识:二极管的简易测试二极管的简易测试 将万用表置于将万用表置于R100或或R1k()挡（挡（R1挡电流太大挡电流太大,用用R10k()挡电压太高挡电压太高,都易损坏管子）。如图所示都易损坏管子）。如图所示表头(a)(b)黑表棒红表棒黑表棒红表棒电池 图图 万用表简易测试二极管示意图万用表简易测试二极管示意图 (a)电阻小；电阻小；(b)电阻大电阻大例例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iD 。 解：由

16、电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi 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作点2.4 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2.4 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一、四种建模一、四种建模1、理想模型、理想模型正向偏置时，管压降为正向偏置时，管压降为0V， 反向偏置时，电阻为无穷大。反向偏置时，电阻为无穷大。iDvDiD+ vD 2、恒压降模型、恒压降模型正向偏置时，管压降

17、为恒定正向偏置时，管压降为恒定,一般为一般为0.7V， 反向偏置时，电阻为无穷大。反向偏置时，电阻为无穷大。iD+ vD iDvD3、折线模型、折线模型 认为二极管的压降随着认为二极管的压降随着电流的增加而增加。可用电流的增加而增加。可用一个电池和一个电阻近似。一个电池和一个电阻近似。电池压降为二极管的门坎电池压降为二极管的门坎电压。电压。DthDDiVvriDvDiD+ vD VthrD4、 小信号模型小信号模型vs =0 时时, Q点称为静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。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 时（时（VmVDD）,

18、 将将Q点附近小范围内的点附近小范围内的V-I 特性线特性线性化，得到小信号模型，即以性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。点为切点的一条直线。4、小信号模型、小信号模型 在静态工作点在静态工作点Q附近工附近工作时，可以将二极管作时，可以将二极管V-I特性看作一条直线，其斜特性看作一条直线，其斜率的倒数就是二极管小信率的倒数就是二极管小信号模型的号模型的微变电阻微变电阻。vDiDiDvDDDDdSDDDdImVdidvreIiivrTVDv26)1(/+vD_iDrdIDQ二、分析方法应用二、分析方法应用例1电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模电路如图所示，分别用理想模型，恒压降模

19、型和折线模型来求电路的型和折线模型来求电路的ID和和VD。VDD +10V10KR解首先标出参考方向+vD_ID1)理想模型VD=0V, ID=VDD/R=1mA2)恒压降模型VD=0.7V, ID=(VDD-VD)/R=0.93mA3）折线模型VKmArIVVmAKVrRVVIKmAVViVVrDDthDDthDDDDthDD69.02.0931.05.0931.0)2.010()5.010(2.015.07.0例2 设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况，并求或截止情况，并求AO两端的电压两端的电压UAO。+ VD -D15VR=3K12

20、VA +O -解 分析方法：先将要分析分析方法：先将要分析的二极管断开，求的二极管断开，求VDVD=(-15V)-(-12V)=-3VVD2 管压降大的管子优先导通管压降大的管子优先导通,二极管D1先导通从而导致二极管D2截止VAO=0VVD1=5V0 所以二极管D1导通VD2=5V-3V=2V0 所以二极管D2导通例设二极管是理想的，分析图中各二极管的导设二极管是理想的，分析图中各二极管的导通或截止情况。通或截止情况。解 分析方法：先将要分析的二极管断开，求VD_+15V10V18KO25K140K10K2K5KVVKKVA115)10140(10 VVKKVKKVVVOBOB5 . 315

21、)525(510)218(2 因为VBVA所以D截止.图图 二极管半波整流电路二极管半波整流电路 (a)电路；电路；(b)输出波形输出波形 Uim sintRuiuoVDuot023(a)(b)三、晶体二极管应用电路举例三、晶体二极管应用电路举例 1. 整流电路整流电路2. 门电路门电路(开关开关) 图图 二极管门电路二极管门电路 （与门与门） a1a2VD1VD2b2b15 V5.1 kuo(a)1V0a1a2Ua1b1 4 Vb2b15 V5.1 kuo(b)Ua2b2 5 V1V03. 二极管限幅电路二极管限幅电路图图 二极管限幅电路二极管限幅电路 (a)电路电路; (b)波形波形 10

22、 sin t (V)VDuo(a)10 k5 V0510510uiuoui t(b)uo / V2.5特殊二极管一、稳压二极管一、稳压二极管二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、二极管可分为：普通二极、稳压管、变容管、 光光电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。电管、发光管、隧道管、微波管、恒流管等。稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，稳压管又称为齐纳二极管，它的杂质浓度较大，空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向空间电荷区很窄，容易形成强电场。产生反向击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，击穿时反向电流急增。稳压管的稳压作用在于，电流增量很大，只引起很小的电压变化。电流增量很

23、大，只引起很小的电压变化。 图中的图中的VZ表示反向击穿表示反向击穿电压，即稳压管的稳定电压，即稳压管的稳定电压。稳压管的稳压作电压。稳压管的稳压作用在于，电流增量用在于，电流增量IZ很很大，只引起很小的电压大，只引起很小的电压变化变化VZ。曲线愈陡，。曲线愈陡，动态电阻动态电阻rz=VZ/IZ愈愈小，稳压管的稳压性能小，稳压管的稳压性能愈好。愈好。一般地说，一般地说，VZ为为8V左右的稳压管的动态电阻较小，左右的稳压管的动态电阻较小，低于这个电压的，低于这个电压的，rZ随齐纳电压的下降迅速增加，随齐纳电压的下降迅速增加，因而低压稳压管的稳压性能较差。稳压管的稳定电因而低压稳压管的稳压性能较差

24、。稳压管的稳定电压压VZ，低的为，低的为3V，高的可达，高的可达300V，它的正向压降，它的正向压降约为约为0.6V。 (1) 稳定电压稳定电压VZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反在规定的稳压管反向工作电流向工作电流IZ下，所对下，所对应的反向工作电压。应的反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM= VZ IZmax(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 Izmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin 稳压条件：稳压条件： IZmin IZ IZmax(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数

25、稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO =VZ使用稳压管稳压时，需注意几点：使用稳压管稳压时，需注意几点：（1）稳压管反向偏置（管子工作在反相击穿区）稳压管反向偏置（管子工作在反相击穿区）（2）稳压管应与负载电阻）稳压管应与负载电阻RL并联并联（3）必须限制流过稳压管的电流）必须限制流过稳压管的电流IZ(串联限流电阻串联限流电阻)，不能超过规定值，以免因过热烧毁管子不能超过规定值，以免因过热烧毁管子 稳压管应用稳压管应用在在如图如图所示电路中，所示电路中，R=400 ，已知稳压管，已知稳压管DZ的稳定电压的稳定电压UZ =10V,最小电流最小电流IZmin=5mA，最大管耗为，最大管耗为P

26、ZM=150mW。(1)当当Ui =20V时，求时，求RL的最小值；的最小值；(2)当当Ui =26V时，求时，求RL的的最大值；若最大值；若RL =时，则将会产生什么现象时，则将会产生什么现象?例4解：（1）当RL最小时，通过RL的电流最大，此时通过稳压管的电流为其最小稳定工最小稳定工作电流作电流IZmin5mA20 1025400iZRUUImARmaxmin25520LRZIIImAminmax1050020ZLLURI例4（2）稳压管可以通过的最大电流为： max1501510ZMZZPImAU26 1040400iZRUUImARminmax40 1525LZIIImAmaxmin1

27、040025ZLLURI 此时 若 RL =时，RL断开，通过RL的电流为0，流过稳压管的电流将超过其最大稳定工作电流，此时将会烧毁稳压管。 稳压管应用稳压管应用在在如图如图所示电路中，所示电路中，R=400 ，已知稳压管，已知稳压管DZ的稳定电压的稳定电压UZ =10V,最小电流最小电流IZmin=5mA，最大管耗为，最大管耗为PZM=150mW。(1)当当Ui =20V时，求时，求RL的最小值；的最小值；(2)当当Ui =26V时，求时，求RL的最大值；若的最大值；若RL =时，则将会产生什么现象时，则将会产生什么现象?二、变容二极管二、变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺二极管结电容的大小除了与本身结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容的增加而减小，这种效应显著的二极管称为变容二极管。二极管。 图图a为变容二极管的代