二极管及其基本电路和分析方法

1、二极管及其基本电路和分析方法123.1 半导体的基本知识3.3 二极管3.4 二极管的基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管3.2 PN结的形成及特性33 二极管及其基本电路主要内容半导体的基本知识PN 结的形成及特点半导体二极管的结构、V-I 特性、参数、及基本应用电路基本要求了解半导体材料的基本结构及PN 结的形成掌握PN 结的单向导电工作原理掌握二极管（包括稳压管）的V-I 特性及其基本应用43.1 半导体的基本知识 半导体材料 半导体的共价键结构 本征半导体、空穴及其导电作用 杂质半导体5 3.1.1 半导体材料绝缘体根据物体导电能力导体半导体硅Si锗Ge砷化镓GaAs最常用导电率10

2、5Scm-1导电率10-22Scm-1导电率10-9102Scm-1。导电能力介于导体与绝缘体之间6半导体的特性简介通过掺入杂质可明显地改变半导体的电导率2. 温度可明显地改变半导体的电导率3. 光照可明显地改变半导体的电导率，同时还可以产生电动势。 5. 外施电压能发光，能制冷。 外界物理量能影响半导体中的电子变化，外施电压能使半导体产生物理量 4. 半导体对很多物理量都很敏感，能够制成很多种传感器。7 3.1.2 半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构4价元素正离子芯周边有4个电子图示应为立体结构8 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体化学成分纯净的半导体。它在

3、物理结构上呈单晶体形态。空穴共价键中的空位。电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次填充空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对9 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用电子空穴对空穴的移动由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对实际是电子在移动，空穴是相对移动空穴是电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后，共价键中留下的空位-空穴的出现是半导体区别于导体的重要特点。10 3.1.4 杂质半导体 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。 N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半

4、导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。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称为杂质半导体。11 1. N型半导体 3.1.4 杂质半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，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正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。12 2. P型半导体 3.1.4 杂质半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中

5、空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。13 3. 杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体 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: T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度:3以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 4.961022/cm3 14 本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子、空穴 N型半导体、P

6、型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质end153.2 PN结的形成及特性 PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的反向击穿 PN结的电容效应 载流子的漂移与扩散16 3.2.1 载流子的漂移与扩散扩散运动漂移运动由电场作用引起的载流子的运动由载流子浓度差引起的载流子的运动+17 3.2.2 PN结的形成18 3.2.2 PN结的形成19 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: 因浓度差 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平

7、衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 20 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 21 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。 (1) PN结加正向电压时低电阻大的正向扩散电流多子电流缩短耗尽层22(1) PN结加正向电压时23 3.2.3 PN结的单向导电性 当外加电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时 高电阻 很小的反向漂移电流 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故

8、少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 内外电场同向，耗尽层被加宽，阻止多子流动24(2) PN结加反向电压时25结论：PN结具有单向导电性。呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。PN结加正向电压时耗尽层电场与外施电场相反被削弱，PN结加反向电压时耗尽层电场与外施电场相同被加宽结论：外施电压能够调节耗尽层的宽度，-压控电阻。26 3.2.3 PN结的单向导电性 (3) PN结V-I 特性表达式其中PN结的伏安特性IS 反向饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）用伏安特性法分析k为波耳兹曼常数（1

9、023J/K）T为热力学温度，即绝对温度（单位为K，0K=-273C） q为电子电荷（1019C） 27 3.2.3 PN结的单向导电性 (3) PN结V-I 特性表达式Vd为正当Vd比Vt大几倍时远大于1Vd为负当Vd比Vt大几倍时趋近于零因此 id =-IsId与Vd成指数关系28 3.2.4 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆29 3.2.4 PN结的反向击穿热击穿 雪崩击穿 齐纳击穿当反向电流和反向电压的乘积超过PN结容许的耗散功率使结上温升过热而烧毁结上反压增强，使少数载

10、流子获得足够的动能，运动中与晶体原子发生碰撞，导致原来共价键上的粒子获得动能摆脱束缚，形成自由电子-空穴对，新生的自由电子再获得电场动能还会继续碰撞产生更多的自由电子-空穴对，持续效应如同雪崩。 杂质浓度大，空间电荷区窄，加到一定高反压时发生 齐纳二极管-稳压用30 3.2.5 PN结的电容效应(1) 扩散电容CD扩散电容示意图 当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。 若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的

11、附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。31 3.2.5 PN结的电容效应 (2) 势垒电容CBend这种由空间电荷数量随电压变化而产生的电容效应称为PN结的势垒电容。PN结的空间电荷区也称势垒区，是积累空间电荷的区域，当PN结两端电压改变时，会引起空间电荷数量的改变，从而产生PN结的电容效应。32 3.2.5 PN结的电容效应endPN结的电容效应主要影响二极管的高频特性PN结的电容效应是势垒电容CB和扩散电容CD的综合反映 当PN结处于正向偏置时，结电容较大（主要决定于扩散电容CD） 当PN结处于反向偏置时，结电容较小（主要决定于势垒电容CB）。 333.3 二极管 二极管的结

12、构 二极管的伏安特性 二极管的主要参数343.3.1 二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1) 点接触型二极管(a)点接触型 二极管的结构示意图 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。35（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型36 3.3.2 二极管的V-I 特性二极管的V-I 特性曲线可用下式表示锗二极管2AP15的V-I 特性硅二极管2CP10的V-I 特性37 3.3.3 二极管的主要参数(1) 最大整流电流IF(2

13、) 反向击穿电压VBR(3) 反向电流IR(4) 极间电容Cd（CB、 CD ）(5) 反向恢复时间TRRend38(1) 最大整流电流IF是指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。因为电流通过PN结要引起管子发热，电流太大，发热量超过限度，就会使PN结烧坏。例如2AP1最大整流电流为16mA。 39(2) 反向击穿电压VBR指管子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，甚至因过热而烧坏。一般手册上给出的最高反向工作电压约为击穿电压的一半，以确保管子安全运行。例如2AP1最高反向工作电压规定为20V，而反向击穿电压实际上大于40V。 40(3) 反向电流IR指

14、管子未击穿时的反向电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于温度增加，反向电流会明显增加，所以在使用二极管时要注意温度的影响。 41(4) 极间电容Cd（CB、 CD ）PN结存在扩散电容CD和势垒电容CB在高频运用时，可以用下图所示的PN结高频等效电路，共中r表示结电阻，C表示结电容，包括势垒电容和扩散电容的总效果。PN结正向偏置，r为正向电阻，数值很小，结电容较大。PN结反向偏置，r为反向电阻，数值较大，结电容较小。42(5) 反向恢复时间TRR由于二极管中PN结电容效应的存在，当二极管外加电压极性翻转时，其正、反向电流不能在瞬间完全按照单向导电性变化。特别时外加电压从正向偏置变成反向偏

15、置时，二极管中电流由正向变成反向，但其翻转后瞬间有较大的反向电流，经过一定时间后反向电流才会变得很小。二极管由正向导通到反向截止时电流的变化图所示。其中IF为正向电流，IRM为最大反向恢复电流，TRR为反向恢复时间。 43(5) 反向恢复时间TRR存在反向恢复时间的主要原因是扩散电容的CD影响。扩散电容越小，反向恢复时间越短，工作频率越高。二极管由反向截止到正向导通则不存在积累载流子的消散过程。44美国半导体器件的型号命名方法第一部分第二部分第三部分第四部分类别美国电子工业协会（EIA）注册标志美国电子工业协会（EIA）登记号器件规格号数字意义字母意义用多位数字表示该器件在美国电子工业协会（E

16、IA）的登记号用字母A、B、C、D表示同一型号器件的不同档次1二极管N该器件已在美国电子工业协会（EIA）注册登记2晶体管3三个PN结器件（如双栅场效应管晶体管）nn个PN结器件45 二极管的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 二极管电路的简化模型分析方法46二极管采用非线性电路分析方法二极管电路分析方法一种非线性器件采用图解分析法则较简单但要已知二极管的V -I 特性曲线。比较复杂！3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法47例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的KV

17、L方程，可得 即 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点48 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型 （a）V-I特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型正向偏置时，管压降为0V 于反向偏置时，它的电阻为无穷大，电流为零 在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此模型来近似分析是可行的。 49 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（2）恒压降模型（a）V-I特性

18、（b）电路模型 管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为（硅管） （锗管） 当二极管的电流I D近似等于或大于1mA时才是正确的 应用较广50 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（3）折线模型（a）V-I特性 （b）电路模型 为了较真实地描述二极管V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正 .这个电池的电压选定为二极管的门坎电压Vth，约为（硅管）。当二极管的导通电流为1mA时，管压降为，rD的值可计算如下：用一个电池和一个电阻rD来作进一步的近似51 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（4）小信号模型vs =0 时,

19、 Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。vs =Vmsint 时（VmVT =26mV， 53 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I 特性的建模（4）小信号模型 特别注意： 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vDVT 。 （a）V-I特性 （b）电路模型54 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图 （b）vs和vO的波形552模型分析法应用举例（2）静态工作情况分析理想模型（R=10k） 当VDD=10V 时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设当VD

20、D=1V 时，（自看）（a）简单二极管电路 （b）习惯画法 56 使用理想模型得 使用恒压降模型得ID = 0.049mA ，VD（2）VDD = 1V 使用折线模型得上例表明，在电源电压远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型能得出较合理的结果，但当电源电压较低时，折线模型能提供较合理的结果。在实际工作中需要正确选择器件的模型。 572模型分析法应用举例（3）限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。 582模型分析法应用举例（4）开关电路电路如图所示，求AO的电压值解：

21、先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。59例2.4.5 一二极管开关电路如图所示。利用二极管理想模型求解：当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合情况下，输出电压vO的值。60vI1vI2二极管工作状态vOD1D20V0V5V5V0V5V0V5V导通导通截止截止导通截止导通截止0V0V0V5V由上表可见，在输入电压vI1和vI2中，只要有一个为0V，则输出为0V；只有当两输入电压均为5V时，输出才为

22、5V，这种关系在数字电路中称为与逻辑。61end2模型分析法应用举例（6）小信号工作情况分析图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD，vs wt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。 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。62 根据叠加原理，可以将两个电压源VDD和v s的作用分开考虑: 右图中只有直流分量，称为直流通路，它反映了电路的静态工作情况 .二极管是导通的，所以电路的静态工作点为:VD = 0.7V ,ID= (VDD- VD) / R = (5V 0.7V) / 5k输出电压的直流分量为VO= IDR = 0

23、.86mA5k（或VO = VDD -VD）求得微变电阻:63得输出电压的交流分量为: 64根据上述结果，绘出输出电压v O的波形如图所示，输出的交流量叠加在直流量上。本例中提到的直流通路和交流通路的概念，以及将问题分解为静态和动态两种情况来求解的方法都非常重要，在的放大电路的分析中都要用到，应引起足够重视。653.5 特殊二极管 齐纳二极管(稳压二极管) 变容二极管 肖特基二极管 光电子器件663.5.1 齐纳二极管一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管 又称稳压管 这种管子的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，因而该区域很窄，容易形成强电场。 当反向电压加到某一定值时，反向电流急

24、增，产生反向击穿 反向击穿电压，即稳压管的稳定电压，它是在特定的测试电流IZT下得到的电压值。 稳压管的稳压作用在于，电流增量IZ很大，只引起很小的电压变化VZ。 673.5.1 齐纳二极管1. 符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。683.5.1 齐纳二极管曲线愈陡，动态电阻rZ = VZ/IZ愈小，稳压管的稳压性能愈好。 I Z(min)和I Z(max)为稳压管工作在正常稳压状态的最小和最大工作电流。 反向电流小于I Z(min)时，稳压管进入反向截止状态，稳压特性消失； 反向电流大于I Z(max)时，稳压管可能被烧毁。 由于稳压管正常工

25、作时，都处于反向击穿状态，所以稳压管的电压、电流参考方向与普通二极管标法不同，VZ的假定正向位于阴极。 69(1) 稳定电压VZ(2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数VZ2. 稳压二极管主要参数3.5.1 齐纳二极管703. 稳压电路正常稳压时 VO =VZ3.5.1 齐纳二极管71表3.5.1 几种典型的稳压管的主要参数型 号稳定电压VZ/V稳定电流IZ/mA最大稳定电流IZM/mA耗散功率PM/W动态电阻rZ/温度系数

26、CTV（10-4/）2CW522CW1072DW2323.24.58.59.56.06.51051055100300.2510.207010 88 0.05* 2DW232为具有温度补偿的稳压管。72例2.5.1 稳压电路如图所示。设R=500,VI =10V，RL=1k，稳压管的VZ，IZT = 5mA，r Z = 20，IZ。试分析当VI出现1V的变化时，VO的变化是多少？ 73两个回路一个节点，列方程，解出Iz74由此可算出，当VI =10V - 1V= 9V时，IZ = 1.19mA I Z(min) （=0.2mA) ，能正常工作； VO = VZ = r ZIZ = 0.02k .

27、当VI =10V + 1V= 11V时，IZ = 5mA。稳压管的电流变化为：IZ输出电压变化为：输入电压VI变化2V（911V）时，输出电压VO只变化了，稳压特性明显。 75 例2.5.2 设计一稳压管稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直流电源为9V，音量最大时需供给的功率为。汽车上的供电电源在之间波动。要求选用合适的稳压管（I Z(min) 、I Z(max) 、VZ、PZM），以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）。 76VL = VZ 由于负载所消耗的功率PL = VLIL所以负载电流的最大值考虑最坏情况，即当输入电压最小VI = V I(min) ，负载电流最大I L(max) ，R的最大值必须保证稳压管中的电流大于I Z(min) 一般稳压管的I Z(min) 为几毫安到十几毫安，比IZT略小。这里若取I Z(min) = 5mA，则R的最大值为77R的取值将直接影响稳压管的最大电流I Z(max) 。取电阻标