CH3二极管及其基本电路

CH3二极管及其基本电路第1页/共55页3.1.1半导体材料

根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。第2页/共55页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第3页/共55页3.1.3

本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子

绝对零度时，本征半导体的价电子被共价键束缚，无载流子，不导电，相当于绝缘体。第4页/共55页

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理空穴温度愈高，产生的电子-空穴愈多。自由电子本征激发----由于温度升高，产生电子-空穴对的现象复合---自由电子会被空穴吸引，填补回去而成对消失。温度一定时，电子空穴的数量是常数第5页/共55页

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子逆着电场运动电子电流

(2)价电子递补空穴，空穴沿着电场移动空穴电流

(3)电子和空穴都可以产生电流：通称为载流子注意：温度愈高，载流子的数目愈多,导电性能也就愈好。所以，温度对本征半导体器件性能影响很大。第6页/共55页3.1.4杂质半导体掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子

在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。1.N型半导体N型半导体表示为：第7页/共55页掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。2.P型半导体P型半导体表示为：第8页/共55页1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba第9页/共55页

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型半导体

多数载流子、少数载流子.本征激发、复合第10页/共55页3.2PN结的形成及特性

3.2.2PN结的形成

3.2.3PN结的单向导电性

3.2.4PN结的反向击穿

3.2.5PN结的电容效应

3.2.1载流子的漂移与扩散第11页/共55页3.2.1载流子的漂移与扩散漂移：在电场作用引起载流子的定向运动称为漂移运动。产生的电流称为漂移电流。

电流方向为正电荷移动的方向，大小与电场成正比。扩散：由载流子浓度差引起载流子的定向运动称为扩散运动。产生的电流称为扩散电流。电流的方向为由浓度梯度高指向浓度梯度低，大小与浓度梯度成正比。第12页/共55页3.2.2PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区第13页/共55页

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，或阻挡层（阻止扩散运动）等。第14页/共55页3.2.3PN结的单向导电性1.PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄P接正、N接负外电场IF

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–第15页/共55页2.PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+第16页/共55页PN结变宽外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第17页/共55页PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；简称正偏。

PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流；简称反偏。

由此可以得出结论：

PN结具有单向导电性。第18页/共55页3.2.4PN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——可逆第19页/共55页3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD

(2)势垒电容CB第20页/共55页3.3二极管

3.3.1

二极管的结构

3.3.2

二极管的伏安特性

3.3.3

二极管的主要参数第21页/共55页3.3.1半导体二极管的结构

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。第22页/共55页（a）面接触型（b）集成电路中的平面型(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)面接触型电路符号第23页/共55页3.3.2二极管的伏安特性1.二极管的伏安特性公式表示硅二极管的V-I特性VT---与温度有关的常数。Is---反向饱和电流vD>0时，正偏时成指数函数vD<0时，反偏时为饱和电流在常温下（T=300K）第24页/共55页硅管0.5V锗管0.1V3.反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压（门坎）二极管才能导通。

外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。1.正向特性2.反向特性2.V-I特性曲线硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+

反向电流在一定电压范围内保持常数。第25页/共55页3.3.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM(3)反向电流IR(4)正向压降VF第26页/共55页二极管应用问题种类、型号选择－－查器件手册。表3.3.1正负极判断（P723.3.2）第27页/共55页3.4

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

3.4.2

二极管电路的简化模型分析方法第28页/共55页3.4.1简单二极管电路的图解分析方法

二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。第29页/共55页例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KVL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第30页/共55页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（1）理想模型---理想二极管V-I特性代表符号正向偏置时的电路模型:短路反向偏置时的电路模型：开路第31页/共55页（2）恒压降模型（iD≥1mA时）0.7V硅管0.2V锗管正偏时：反偏时:放大电路多用此模型第32页/共55页（3）折线模型（硅二极管）折线段：正偏时：反偏时:第33页/共55页二级管电路的计算方法：1)将二极管断开，求正向开路电压VDO;2)如果VDO>Vth,则D导通，可用理想模型、恒压模型或折线模型代替二极管；3)如果VDO<Vth,D截止,iD=02．模型分析法应用举例第34页/共55页例1二极管整流电路（1）vs和vo的波形整流---将交流信号变换为直流信号半波整流---脉动直流vs>0,导通，vD=0,vs<0,D截止，iD=0第35页/共55页（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（a）简单二极管电路（b）习惯画法第36页/共55页电路中为理想二极管，求：VABV阳

=－6VV阴=－12VV阳-V阴

>0，二极管导通采用理想模型，二极管可看作短路，VAB=－6V例2：

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAVAB+–第37页/共55页两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VVD1=6V，VD2=12V

∵

VD2>VD1

∴D2优先导通，D1截止。使用理想模型，二极管可看作短路，VAB

=0V例2:D1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为BD16V12V3kAD2VAB+–电路中为理想二极管，求：VAB第38页/共55页如何判断二极管在电路中是导通的还是截止的先假设二极管两端断开，确定二极管两端的电位差；若电路出现两个或两个以上二极管，应先判断承受正向电压较大的管子优先导通，再按照上述方法判断其余的管子是否导通。根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通，若为正电压且大于阈值电压，则管子导通，否则截止；第39页/共55页ui-8V>0，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui-8V<0，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：限幅电路ui18V二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––第40页/共55页3.5

特殊二极管1.符号VZIZIZMVZIZ2.伏安特性稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。使用时要加限流电阻

稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+VIO

3.5.1

齐纳二极管(稳压二极管)第41页/共55页3.主要参数(1)

稳定电压VZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)

动态电阻(3)

稳定电流IZ、最大稳定电流IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。第42页/共55页4.稳压电路正常稳压时VO=VZ限流电阻R的计算：IR=IZ+ILIR=(VI-VZ)/RIo=Vz/RLIzmin<Iz<Izmax(VI-Vz)/(Izmax+IL)<Rmin(VI-Vz)/(Izmin+IL)>Rmax第43页/共55页ui>8V，稳压管反向击穿，稳压uo=Vz=8V0<ui<8V，稳压管反向截止，可看作开路uo=ui已知：试画出uo

波形。8V例：稳压管应用电路ui12VVz8VRuoui++––ui<0V，稳压管正向导通，uo=-0.7V第44页/共55页3.5.2变容二极管（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）特点：工作在反偏状态，电容与反向电压成正比。第45页/共55页3.5.3肖特基二极管（a）符号（b）正向V-I特性特点：电容小、工作速度快、门槛电压低，常用作开关管第46页/共55页3.5.4光电子器件