(第3讲)03_02 第三章半导体二极管

1、第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路Zhi-Nian Luo, , Associate Professor3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.1.1 3.1.1 半导体材料半导体材料3.1.2 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构3.1.3 3.1.3 本征半导体本征半导体3.1.4 3.1.4 杂质半导体杂质半导体1、其能力容易受环境因素影响（、其能力容易受环境因素影响（温度温度、光照等）、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力、掺杂可以显著提高导电能力 半导体：半导体：导电特性介于导体和绝缘体之间。导电特性介于导体和绝缘体之间。典型的半导体材料有典型

2、的半导体材料有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 +4 原子结构简化模型原子结构简化模型(4价元素价元素) 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体晶体。 掺杂掺杂 P型型半导体、半导体、 N型型半导体。半导体。3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，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/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.

3、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=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响第第3章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 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 (自学，只要稳压管自学，只要稳压管)3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是什么？其工程描述

4、方法？主要特性是什么？其工程描述方法？问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)的分析方法的分析方法?最常用的是？最常用的是？问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？(重点重点)温度温度光照光照本征本征激发激发电子电子空穴空穴复合复合掺杂掺杂5价价N型型3价价P型型多子电子多子电子多子空穴多子空穴空间电荷空间电荷多子多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移的的动态平衡动态平衡主要特性：单向导电性，工程描述方法：主要特性：单向导电性，工程描述方法：PN结方程、结方程、I-V特性曲线特性曲线其他特性：击穿、结电容、温度其他特性：击穿、结电容、温度第第3讲讲 半导体二极管半导体二极

5、管一、二极管的组成一、二极管的组成二、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四、二极管的等效电路四、二极管的等效电路三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数五、稳压二极管五、稳压二极管一、二极管的组成一、二极管的组成 p68-71p68-71将将PNPN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、二极管的组成一、二极管的组成点接触型：结面积点接触型：结面积小，结电容小，故小，结电容小，故结允许的结允许的电流小电流小，最高工作最高工作频率高频率高。面接触型

6、：结面积面接触型：结面积大，结电容大，故大，结电容大，故结允许的结允许的电流大电流大，最高工作最高工作频率低频率低。平面型：平面型：结面积可结面积可小、可大小、可大，小的工，小的工作频率高，大的结作频率高，大的结允许的电流大。允许的电流大。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点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型3.3.1半导体二极管的结构 0 vD/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA 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（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （

7、b）习惯画法）习惯画法 材料材料门坎电压门坎电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅SiSi0.5V0.5V0.50.8V0.50.8V1 1A A以下以下锗锗GeGe0.1V0.1V0.10.3V0.10.3V几十几十A A)(DDvfi 门坎门坎电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26常温下( ) 1e (TSTVIiVvD温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性伏安特性。 vD/V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/

8、mA VBR Vth 0 vD/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA 图图3.3.2 硅二极管的硅二极管的2CP10的伏安特性的伏安特性 图图3.3.3 锗二极管锗二极管2AP15的伏安特性的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性Vth = 0.5V（硅）（硅） Vth = 0.1V（锗）（锗）注注意意1. 死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压）2. 反向饱和电流反向饱和电流 ( 好好)硅：硅：0.1 A；锗：；锗：10 A3. PN结方程（近似）结方程（近似）)1(/SDD TVveIi二

9、、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 1. 单向导电性单向导电性TeSTVvDIiVu，则若正向电压) 1e (TSVvDIi2. 2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降v 反向饱和电流反向饱和电流IS，V(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的反向特性为横轴的平行线平行线增大增大1倍倍/10STIiVu，则若反向电压从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：1. 最大整流电流最大整流电流IF 2. 最高反向工作电压最高反

10、向工作电压VRM 3. 反向电流反向电流IR :即即Is4. 极间电容极间电容Cd5. 最高工作频率最高工作频率fM 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 0 vD/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA 图图3.3.3 锗二极管锗二极管2AP15的伏安特性的伏安特性IFVRMIR极限极限 直流直流 交流交流 VBR最大平均值最大平均值最大瞬时值最大瞬时值扩散电容（扩散电容（C CD D）与势垒电容（）与势垒电容（C CB B）之和。）之和。表示二极管单向导电能力强弱表示二极管单向导电能力强弱扩散路程中电荷扩散路

11、程中电荷的积累与释放的积累与释放空间电荷区宽窄的变化空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放有电荷的积累与释放第第3 3章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 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 (自学，只要稳压管自学，只要稳压管)3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是什么？其工程描述方法？主要特性是什么？其工程描述方法？问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)的分析方法的分析方法?最常用的是？最常用

12、的是？问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？(重点重点)温度温度光照光照本征本征激发激发电子电子空穴空穴复合复合掺杂掺杂5价价N型型3价价P型型多子电子多子电子多子空穴多子空穴空间电荷空间电荷多子多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移的的动态平衡动态平衡主要特性：单向导电性，工程描述方法：主要特性：单向导电性，工程描述方法：PN结方程、结方程、I-V特性曲线特性曲线其他特性：击穿、结电容、温度其他特性：击穿、结电容、温度安全安全2个极限参数个极限参数3.4 二极管的基本电路及分析方法二极管的基本电路及分析方法 vD/V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40

13、 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA VBR Vth 硅二极硅二极管的伏管的伏安特性安特性对于非线性器件，分析方法有：对于非线性器件，分析方法有：非线性分析方法非线性分析方法 （PN结方程，比较复杂）结方程，比较复杂） 根据不同的工作条件和要求，在分根据不同的工作条件和要求，在分析精度允许的条件下，采用不同的模型析精度允许的条件下，采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性。来描述非线性元器件的电特性。 大信号模型、小信号模型大信号模型、小信号模型 图解分析方法（麻烦、直观）图解分析方法（麻烦、直观）等效电路分析方法（简化模型等效电路分析方法（简化模型分析法）分析

14、法） O vD iD 理想 实际 理想模型理想模型 O vD iD O vD iD A B C iD vD 恒压降模型恒压降模型折线模型折线模型 O vD iD vD iD Q D VD 小信号模型小信号模型（转换为线性）（转换为线性）问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)的分析方法的分析方法?最常用的是？最常用的是？讲讲课课思思路路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1. 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模2. 模

15、型分析法应用举例模型分析法应用举例（1）整流整流电路电路（2）静态工作情况分析）静态工作情况分析（3）限幅限幅电路电路（4）开关开关电路电路（6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析（5）低电压）低电压稳压稳压电路电路（2）恒压降模型）恒压降模型（1）理想模型）理想模型（3）折线模型）折线模型（4）小信号模型）小信号模型图解分析图解分析2例例 导出小信号模型导出小信号模型二极管状态判断方法小结二极管状态判断方法小结（4）小信号模型）小信号模型（6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析（2）静态工作情况分析）静态工作情况分析3.4.1 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

16、图解分析方法例例1:已知伏安特性已知伏安特性,求求VD、ID。 R=10k VI + 10V iD + vD + iD vD R=10k VI + 10V iD + vD 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 线性线性线性线性: vD = VI - iD R)1(/SDD TVveIi非线性非线性:非线性非线性联立求解，联立求解，可得可得VD、ID图解法图解法直线与伏安特性的直线与伏安特性的交点交点图解法关键图解法关键画直线画直线RVvRiIDD 1又称为又称为负载线负载线vD = 0iD = VI /R=1mAvD = 1ViD =(

17、VI -vD)/R=0.9mA静态工作点静态工作点QVD 0.7VID 0.95mA解解问题：问题：若若VI = 10V，则交点位于什么位置？，则交点位于什么位置？Quiescent point3.4.1 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例例2:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。例例1:已知伏安特性已知伏安特性,求求VD、ID。 + iD vD R=10k VI + 10V iD + vD 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 iD D + D + VI R=10k vi VI = 10V,vi = 1V

18、sin tRVvRiIDD 1先静态分析先静态分析直流直流负载线负载线:再动态分析再动态分析交流交流负载线负载线:RvVvRiiIDD 1vD = VI + vi - iD RVD 0.7VID 0.95mAiD=ID+ iD = 0.95mA+0.1mAsin tvD=VD+ vD 0.7V 问题问题1：在在D正向导通，则正向导通，则vD VD = 0.7V？问题问题2：可否用叠加原理求可否用叠加原理求 iD和和 vD? R=10k VI + 10V ID + VD iD D + D + VI R=10k vi iD=ID+ iDvD=VD+ vD VI = 10V， vi = 1Vsin

19、t iD D + rd + I R VD 0.7VID 0.95mA静态分析静态分析vi 0 0动态分析动态分析VI = 0叠加原理叠加原理例例2:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。DDdivr 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问题问题2：可否用叠加原理求可否用叠加原理求 iD和和 vD?（4）小信号模型）小信号模型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. 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 二极管工作二极管工作在正向特性的某一小范围内时在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为其正向特性可以等效为:DDd

20、ivr 微变电阻微变电阻根据根据 得得Q点处的微变电导点处的微变电导) 1(/SDD TVveIiQVvTQTeVIdvdir/SDDdD1 常温下（常温下（T = 300K） 特别注意：特别注意： 小信号模型中的小信号模型中的微变电阻微变电阻rd与静态工作点与静态工作点Q有关。有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT 。 TQTVIViDD 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VI = 10V， vi = 1Vsin t例例2:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。 iD D + D + VI R=10k

21、 vi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 iD=ID+ iD = 0.95mA+0.1mAsin tvD=VD+ vD 0.7V R=10k VI + 10V ID + VD 静态分析静态分析 vi=0 iD D + rd + i R iD D + rd + i R 动态分析动态分析 VI=0小信号模型小信号模型(小信号等效电路小信号等效电路)例例3:(小信号分析小信号分析) 例例2中求中求 vD、 iD。VI = 10V， vi = 1Vsin t iD D + D + VI R=10k vi 解题步骤解题步骤:(1) 静态分析静

22、态分析 (令令vi=0） R=10k VI + 10V ID + VD 由由恒压降模型恒压降模型得得VD 0.7V; ID 0.93mA(2) 动态分析动态分析 (令令VI=0）由小信号模型得由小信号模型得 iD D + rd + i R 28)mA(93. 0)mV(26)mA()mV(26DDdIIVrTmAkrRvii1 . 028101VdD 2.8mVdDD riv3.4.2 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（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析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2. 模型分析法应用举例模型分析法应用

23、举例 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。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。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大信号模型：大信号模型：将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。)(1eDSD TVIiv1. 二极管

24、二极管V-I 特性的建模特性的建模 (1) 理想模型理想模型(3) 折线模型折线模型(2) 恒压降模型恒压降模型VD = 0.7V（硅）（硅） VD = 0.2V（锗）（锗）问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)的分析方法的分析方法?最常用的是？最常用的是？问题：问题： 二极管状态判断方法？二极管状态判断方法？（2）静态工作情况分析）静态工作情况分析2. 模型分析法应用举例模型分析法应用举例（R=10k ）（a）VDD=10V 时时（b）VDD=1V 时时+ DiDVDD+ DiDVDDVD+ DiDVDDrDVthmA 1/DDD RVIV 0D V理想模型理想模型mA 93. 0

25、/ )(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7 . 0D V折线模型折线模型V 5 . 0th V k 2 . 0DrmA 931. 0DthDDD rRVVIV 69. 0DDthD rIVVV 0D V理想模型理想模型恒压模型恒压模型V 7 . 0D VmA 1 . 0/DDD RVImA 03. 0/ )(DDDD RVVImA 049. 0DthDDD rRVVIV 51. 0DDthD rIVV折线模型折线模型V 5 . 0th V k 2 . 0Dr二极管状态判断方法小结二极管状态判断方法小结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. 二极管二极管V

26、-I 特性的建模特性的建模假设假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路电压两端开路电压VD 0.7VD正向导通正向导通- VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID = 0 (开路开路)VD - VBRD反向击穿反向击穿VD = - VBR (恒压恒压)VD = 0.7V (恒压降恒压降)状态状态等效电路等效电路条件条件将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的关系关系画出电压波形和电画出电压波形和电压传输特性压传输特性特殊情况：求特殊情况：求 vD（波动）（波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理以采用以采用恒压

27、降模型恒压降模型为例说明为例说明习题习题3.4.6 试判断图题试判断图题3.4.6中中二极管导通还是截止，二极管导通还是截止，为什么为什么? 习题习题3.4.5 电路如下图所示，电路如下图所示，判断判断D的状态的状态 D 3k (a) V V A O 1V2.5V+1V_二极管状态判断方法小结二极管状态判断方法小结1. 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 D1 3k (b) V V A O D2 2.2.模型分析法应用举例模型分析法应用举例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）整流整流电路电路（2）静态工作情况分析）静态工作情况分析（3）限幅限幅电路电

28、路（4）开关开关电路电路（5）低电压）低电压稳压稳压电路电路问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？分析任务：求分析任务：求vD、iD目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 + vO - R + vI - D + iD vO R vI + vO + D VB vI + R iD D + D + VI R=10k vi D1 3k V V A O D2 （1 1）整流整流电路电路2. 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 + vO - R + vI - D O

29、 t vI 2 3 4 （a）电路图）电路图 （b）vI和和vO的波形的波形 O t vO 2 3 4 D1 RL Tr v1 v2 vO iD1 vD1 v2 D2 iD2 vD2 半半波波整整流流全全波波整整流流桥式整流电路桥式整流电路（3 3）限幅限幅电路电路2. 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 vO + D VB vI + R vO + VB vI + R vO + VB vI + R 0 t 2 3 vI/V VB 0 t 2 3 vO/V VB viVB时等效电路时等效电路viVB时等效电路时等效电路（4 4）开关开关电路电路2. 模型分析法应用举例模型分析法应用举例 D1

30、3k (b) V V A O D2 （5 5）低电压）低电压稳压稳压电路电路2. 模型分析法应用举例模型分析法应用举例例例2:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。例例1:已知伏安特性已知伏安特性,求求VD、ID。 + iD vD R=10k VI + 10V iD + vD iD D + D + VI R=10k vi 解题步骤解题步骤:(1) 静态分析静态分析 (令令vi=0）由由恒压降模型恒压降模型得得VD 0.7V; ID 0.93mA(2) 动态分析动态分析 (令令VI=0）由小信号模型得由小信号模型得 28)mA(93. 0)mV(26)mA()mV(26DDdIIVrTmAk

31、rRvii1 . 028101VdD 2.8mVdDD riv iD D + rd + i R 二极管状态判断方法小结二极管状态判断方法小结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. 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模假设假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路电压两端开路电压VD 0.7VD正向导通正向导通- VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID = 0 (开路开路)VD - VBRD反向击穿反向击穿VD = - VBR (恒压恒压)VD = 0.7V (恒压降恒压降)状态状态等效电路等效电路条件条件将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的关系关系画出电压波形和电画出电压波形和电压传输特性压传输特性特殊情况：求特殊情况：求 vD（波动）（波动）小信号模型和叠加原理小信号