半导体二极管及其电路分析备

半导体二极管及其电路分析备第一页，共七十五页，2022年，8月28日温故知新内容：回路总电压和为零。方法：1、选择合适回路。2、标出回路中各元件电压方向3、若元件电压方向和回路绕行方向相同则电压为正，反之为负。4、列回路方程解题。5、学会用工程观点解决问题（估算法）第二页，共七十五页，2022年，8月28日第一章半导体二极管及其电路分析半导体器件是构成电路的基本元件，构成半导体器件的材料是经过加工的半导体材料，因此半导体材料的性质在很大程度上决定了半导体器件的性能。新语新知第三页，共七十五页，2022年，8月28日1.1半导体的基础知识1.2半导体二极管及其特性1.3二极管基本应用电路 及其分析方法1.4特殊二极管第四页，共七十五页，2022年，8月28日1.1半导体的基础知识自然界中的物体，根据导电能力(电阻率)可分为：导体、绝缘体、半导体。常见的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge）。价电子价电子惯性核第五页，共七十五页，2022年，8月28日1.1.1本征半导体共价键：半导体的基础知识对电子束缚较强●●●●电子

-空穴＋载流子1、本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少

结论：2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电3、本征半导体导电能力弱，并与光照和温度有关。第六页，共七十五页，2022年，8月28日制造半导体器件的材料不是本征半导体，而是人为的掺入杂质的半导体，目的是为了提高半导体的导电能力1.1.2杂质半导体1、掺入5价元素（磷、砷、锑）2、掺入3价元素（硼、铝、铟）第七页，共七十五页，2022年，8月28日1掺入5价元素（磷）自由电子电子为多数载流子—多子空穴为少数载流子—少子掺杂磷产生的自由电子数>>本征激发产生的电子数自由电子数>>空穴数N型半导体载流子数电子数磷原子：施主原子杂质半导体第八页，共七十五页，2022年，8月28日N型半导体的简化图示多子少子第九页，共七十五页，2022年，8月28日2掺入3价元素（硼）●掺杂硼产生的空穴数>>热激发产生的空穴空穴数>>自由电子空穴为多子电子为少子P型半导体硼原子：受主原子载流子数空穴数第十页，共七十五页，2022年，8月28日P型半导体的简化图示多子少子第十一页，共七十五页，2022年，8月28日3半导体的导电性●●●

空穴●

自由电子I=IP+IN本征半导体电流很弱。N型半导体：I≈INP型半导体：I≈IP第十二页，共七十五页，2022年，8月28日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=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm3

掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3以上两个浓度基本上依次相差106/cm34

杂质对半导体导电性的影响第十三页，共七十五页，2022年，8月28日

N型半导体：电子为多子，空穴为少子

载流子数≈自由电子数

施主原子提供电子，不能移动，带正电。总结：

P型半导体：空穴为多子，电子为少子

载流子数≈空穴数

受主原子提供空穴，不能移动，带负电。第十四页，共七十五页，2022年，8月28日1.1.3PN结及其单向导电性一PN结的形成PN电子空穴由于载流子的浓度差引起多子的扩散运动由于复合使交界面形成空间电荷区（耗尽区）空间电荷区内建电场阻碍多子的扩散运动有利于少子的漂移运动第十五页，共七十五页，2022年，8月28日引起载流子定向移动的类型1、扩散电流：载流子的浓度差引起2、漂移电流：由于电场引起的定向移动在PN结中扩散和漂移最后达到动态平衡即扩散电流＝漂移电流，总电流＝0PN结第十六页，共七十五页，2022年，8月28日PN结二、PN结的单向导电性1正向偏置（P区接电源正极，N区接电源负极）内电场外电场外电场的作用使空间电荷区变窄，扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而形成正向电流。此时PN结呈现低阻态，PN结处于导通状态，理想模型为闭合开关。第十七页，共七十五页，2022年，8月28日PN结2反向偏置（P区接电源负极，N区接电源正极）内电场外电场外电场的作用使空间电荷区变宽，扩散运动变弱，漂移运动加强，从而形成反向电流，也称为漂移电流。此时PN结呈现高阻态，漂移电流很小，此时PN结处于截止状态，模型相当于开关打开。第十八页，共七十五页，2022年，8月28日结论

PN结反向偏置时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且和温度有关。

PN结正向偏置时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。PN结第十九页，共七十五页，2022年，8月28日1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？3、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。4、PN结中扩散电流的方向是从（）区指向（）区，漂移电流的方向是（）区指向（）区。温故知新2、Si参杂（）形成N型半导体，掺杂（）形成P型半导体。第二十页，共七十五页，2022年，8月28日5、解释PN结正向偏置。9、PN结单向导电性是指什么？PN结温故知新6、PN结正向偏置后所具有的特点。7、解释PN结反向偏置。8、PN结反向偏置后所具有的特点。第二十一页，共七十五页，2022年，8月28日1.2.1二极管的结构与类型构成：PN结+管壳+引线=二极管(Diode)1.2半导体二极管及其特性第二十二页，共七十五页，2022年，8月28日二极管的符号：正极（阳极）负极（阴极）半导体二极管第二十三页，共七十五页，2022年，8月28日分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型半导体二极管的类型稳压二极管按用途分整流二极管开关二极管检波二极管第二十四页，共七十五页，2022年，8月28日点接触型

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频小电流电路。半导体二极管第二十五页，共七十五页，2022年，8月28日面接触型

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。半导体二极管第二十六页，共七十五页，2022年，8月28日平面型二极管往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。半导体二极管第二十七页，共七十五页，2022年，8月28日tiao第二十八页，共七十五页，2022年，8月28日1.2.2二极管的伏安特性半导体二极管二极管的伏安特性曲线可用下式表示正向特性Uth死区电压反向特性ISOuD/ViD/mA-U(BR)反向击穿U第二十九页，共七十五页，2022年，8月28日一正向特性iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(锗管)UUthiD急剧上升0U

Uth

UD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2VOuD/ViD/mA正向特性Uth反向特性IS-U(BR)反向击穿第三十页，共七十五页，2022年，8月28日-U(BR)

U0iD=IS(硅)<0.1A

(锗)几十AU<-U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)二反向特性OuD/ViD/mA正向特性Uth反向特性IS-U(BR)反向击穿第三十一页，共七十五页，2022年，8月28日硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第三十二页，共七十五页，2022年，8月28日三反向击穿特性：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。

(击穿电压

<6V)雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。—PN结未损坏，断电即恢复。—PN结烧毁。(击穿电压

>6V)第三十三页，共七十五页，2022年，8月28日四温度对二极管特性的影响：604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90C随着温度的升高，正向特性曲线左移，即正向压降减小；反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减小2-2.5mV；温度每升高10℃，反向电流大约增大1倍左右。半导体二极管第三十四页，共七十五页，2022年，8月28日1.2.3二极管的参数1.

IF—

最大整流电流(二极管长期连续工作时允许通过的最大正向平均电流)2.

UBR—

管子反向击穿时的电压半导体二极管3.

URM—

最高反向工作电压，实际上只按照U(BR)的一半来计算第三十五页，共七十五页，2022年，8月28日4.

IR

—

反向电流(管子未被击穿前的反向电流，该值越小单向导电性越好)6.

fM—

最高工作频率(二极管工作的上限频率，超过该频率时，结电容起作用，不能很好的体现单相导电性)。5.UD(on)—导通电压：二极管在正向电压工作时，管两端会产生正向电压降，其压降值越小管越好。硅为0.7V，锗为0.2V。半导体二极管第三十六页，共七十五页，2022年，8月28日一、理想二极管特性曲线uDiD符号及等效模型：S正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0S1.3二极管基本应用电路及其分析方法半导体二极管第三十七页，共七十五页，2022年，8月28日二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)iDuDU(BR)IFURMO半导体二极管第三十八页，共七十五页，2022年，8月28日硅二极管基本电路如图所示，试求电流I1,I2,IO,和UO例半导体二极管第三十九页，共七十五页，2022年，8月28日1、二极管符号温故知新半导体二极管2、二极管的正向恒压特性3、二极管的导通电压4、理想模型二极管的导通、截止条件5、恒压降模型二极管的导通、截止条件6、二极管基本电路的解题步骤第四十页，共七十五页，2022年，8月28日温故知新半导体二极管6、二极管基本电路的解题步骤1)标出二极管正负极2)去掉二极管，判断V+和V-3)利用不同的模型判断二极管状态（导通或截止），在二极管不同的状态下解题第四十一页，共七十五页，2022年，8月28日二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用理想模型求解电路的UD和ID。例1

ID=（VDD-UD）／R=（10-0）V／10KΩ=1mAUD=0V解：半导体二极管第四十二页，共七十五页，2022年，8月28日1、限幅电路：它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。例：一限幅电路如图所示，R=1KΩ，VREF=3V。当Ui=6sinωt(V)时，利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。②Ui>3.7V时D导通，UO=0.7+3=3.7V①Ui<3.7V时D截止，UO=Ui;半导体二极管第四十三页，共七十五页，2022年，8月28日半导体二极管第四十四页，共七十五页，2022年，8月28日例：分析如图所示的硅二极管电路(1)画出电压传输特性曲线;(2)已知Ui=10sinωt(V)时，利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。第四十五页，共七十五页，2022年，8月28日例：分析如图所示的硅二极管电路(1)画出电压传输特性曲线;(2)已知Ui=6sinωt(V)时，利用理想模型绘出相应的输出电压UO的波形。第四十六页，共七十五页，2022年，8月28日2、开关电路：利用二极管的单向导电性以接通或断开电路，这在数字电路中广泛应用。例:二极管开关电路如图所示，当UA和UB为0V或5V时，求UA和UB的值不同组合情况下，输出电压Uo的值。设二极管是理想的。Ui1Ui2(单位V)二极管工作状态UO(单位V)D1D200055055半导体二极管第四十七页，共七十五页，2022年，8月28日开关电路：或门例:二极管开关电路如图所示，当UA和UB为0V或5V时，求UA和UB的值不同组合情况下，输出电压Uo的值。设二极管是理想的。Ui1Ui2(单位V)二极管工作状态UO(单位V)D1D200055055截止截止截止截止导通导通导通导通0555半导体二极管第四十八页，共七十五页，2022年，8月28日3、整流电路：将交流电压转换成脉动的直流电压。例3：单相桥式整流电路如图所示，电源US为正弦波电压，试绘出负载RL两端的电压波形，设二极管为理想的。Ui>0V时D2、D3导通，UO=UiUi≤0V时D4、D1导通，UO=-Ui半导体二极管第四十九页，共七十五页，2022年，8月28日半导体二极管第五十页，共七十五页，2022年，8月28日

二极管的单向导电性应用很广，可用于：限幅、整流、开关、检波、元件保护等。应用半导体二极管第五十一页，共七十五页，2022年，8月28日三、二极管的折线近似模型uDiDUONUI斜率1/rDrDUONiDuDU(BR)IFURMO半导体二极管第五十二页，共七十五页，2022年，8月28日三小信号模型如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是动态电阻rd半导体二极管第五十三页，共七十五页，2022年，8月28日例:如图所示,输入电压UI为10V,分析当UI变化±1V时,输出电压UO的相应变化量和输出电压量.第五十四页，共七十五页，2022年，8月28日1.4特殊二极管◆1.4.1稳压管稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。第五十五页，共七十五页，2022年，8月28日当反向电压加到某一定值时UZ

，产生反向击穿，反向电流急剧增加，只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会损坏。1、稳压管的伏安特性工作在反向击穿特性区_第五十六页，共七十五页，2022年，8月28日2、稳压管的主要参数①稳定电压UZ指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V，高的可达300V，它的正向电压约为0.6V。②稳定电流IZ（Izmin-Izmax

）指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。_第五十七页，共七十五页，2022年，8月28日③额定功耗PZM指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。④温度系数α指温度每变化1℃时稳压值的变化量。VZ小于4V的管子具有负温度系数，VZ大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。⑤动态电阻rz指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。第五十八页，共七十五页，2022年，8月28日稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻

电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。注意第五十九页，共七十五页，2022年，8月28日接法：反接电阻R的作用：限流RL代表：负载工作区：反向击穿3、稳压管的基本电路第六十页，共七十五页，2022年，8月28日三、应用

例1：电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是否合适？解：故，R是合适的。第六十一页，共七十五页，2022年，8月28日例2：电路如图，IZmax=50mA，R=0.15KΩ,UI=24V,IZ=5mA,UZ=12V，问当RL=0.2KΩ时，电路能否稳定，为什么？当RL

=0.8KΩ时，电路能否稳定，为什么？解：第六十二页，共七十五页，2022年，8月28日例3、电路如图，UI=12V，UZ=6V，R=0.15KΩ，IZ=5mA，IZMAX=30mA,问保证电路正常工作时RL

的取值范围解：第六十三页，共七十五页，2022年，8月28日例4：已知u=10sin(t)V,UZ=6V,IZ=10mA，

Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。第六十四页，共七十五页，2022年，8月28日例5：已知u=10sin(t)V,UZ=+6V,IZ=10mA，

Izmax=3