第三章半導(dǎo)體二極管及基本電路

1、模 擬 電 子 技 術(shù)二極管及基本電路二極管及基本電路3.1 半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)3.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3.4 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法3.5 特殊二極管特殊二極管3.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性模 擬 電 子 技 術(shù) 一一. 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 根據(jù)物體導(dǎo)電能力根據(jù)物體導(dǎo)電能力( (電阻率電阻率) )的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。的不同，來(lái)劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有典型的半導(dǎo)體有硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe以及以及砷化鎵砷化鎵GaAsGaAs等。等。 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱(chēng)為導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體

2、之間的物質(zhì)稱(chēng)為半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的特點(diǎn)半導(dǎo)體的特點(diǎn): :1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2.半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化。半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時(shí)，其導(dǎo)電能力將會(huì)有顯著變化。 3. 在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇增強(qiáng)。在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會(huì)急劇增強(qiáng)。 3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)半導(dǎo)體的基本知識(shí)模 擬 電 子 技 術(shù)二二. 半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅硅( (鍺鍺) )的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型簡(jiǎn)化模型價(jià)電子價(jià)電子通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可以將半導(dǎo)體制成通過(guò)一定的工藝過(guò)程，可

3、以將半導(dǎo)體制成晶體晶體。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型及晶體結(jié)構(gòu)(c)晶體：晶體： 原子排列規(guī)則、原子排列規(guī)則、 有規(guī)律的物質(zhì)有規(guī)律的物質(zhì)模 擬 電 子 技 術(shù)1.本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體硅硅( (鍺鍺) )的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共共價(jià)鍵共用電子對(duì)用電子對(duì)三三. 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。形成晶體。 共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)為在共價(jià)鍵中

4、，稱(chēng)為束縛電子束縛電子，常溫，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。能力很弱。模 擬 電 子 技 術(shù)+4+4+4+4自由電子自由電子空空 穴穴束縛電子束縛電子2.2.本征激發(fā)本征激發(fā)載流子載流子: 可以自可以自移動(dòng)的帶電粒子移動(dòng)的帶電粒子 在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛 成為成為自由電子自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴空穴)的過(guò)程的過(guò)程。空穴的

5、出現(xiàn)使半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特征。空穴的出現(xiàn)使半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個(gè)重要特征。本征激發(fā)動(dòng)畫(huà)本征激發(fā)動(dòng)畫(huà)本征半導(dǎo)體中存在本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等數(shù)量相等的兩種載流子，即的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。模 擬 電 子 技 術(shù)3.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。可以認(rèn)為空穴是載流子。ABC電子空穴移動(dòng)電子空穴移動(dòng)動(dòng)畫(huà)動(dòng)畫(huà)E本

6、征半導(dǎo)體中存在本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等數(shù)量相等的兩種載流子，即的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)，強(qiáng)，溫度溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。自由電子移動(dòng)產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流空穴移動(dòng)產(chǎn)生的電流。模 擬

7、 電 子 技 術(shù) 結(jié)論結(jié)論：1. 1. 本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少； 2. 2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電； 3. 3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。模 擬 電 子 技 術(shù)四四. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1 1、P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如在硅或鍺晶體中摻入少量的三價(jià)元素，如硼硼，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)，硼原子的最外層有三個(gè)價(jià)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可

8、能吸引產(chǎn)生一個(gè)空穴。這個(gè)空穴可能吸引束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不束縛電子來(lái)填補(bǔ)，使得硼原子成為不能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子能移動(dòng)的帶負(fù)電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱(chēng)為接受電子，所以稱(chēng)為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多子空穴是多子 電子是少子電子是少子P 型半導(dǎo)體形成動(dòng)畫(huà)型半導(dǎo)體形成動(dòng)畫(huà)模 擬 電 子 技 術(shù)2、N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷，與相鄰的半導(dǎo)體原子形在硅或鍺晶體中摻入少量的五價(jià)元素磷，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)成共價(jià)鍵，必定多出一個(gè)電

9、子，這個(gè)電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動(dòng)的帶正電的離子。每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為原子給出一個(gè)電子，稱(chēng)為施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是少子空穴是少子， 電子是多子電子是多子。 型半導(dǎo)體形成動(dòng)畫(huà)型半導(dǎo)體形成動(dòng)畫(huà)模 擬 電 子 技 術(shù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起

10、導(dǎo)電作用的主要是多子關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。相等。模 擬 電 子 技 術(shù) 摻入雜摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大 的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: : T T=300 K=300 K室溫下室溫下, ,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: : n = p =1.41010/cm32比摻雜前載流子增加106，即一百萬(wàn)倍。 3摻雜后摻雜后 N N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: : n=51016/cm3 3. 雜雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

11、本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: : 4.961022/cm3 1模 擬 電 子 技 術(shù)本本 節(jié)節(jié) 小小 結(jié)結(jié) 1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)電能力。 3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。 4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。 5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)。模 擬 電 子 技 術(shù)3.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性一一.PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同

12、一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)型半導(dǎo)體和體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的型半導(dǎo)體，經(jīng)過(guò)載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了交界面處就形成了PN 結(jié)。結(jié)。模 擬 電 子 技 術(shù)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱(chēng)耗盡層。也稱(chēng)耗盡層。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，電荷區(qū)逐漸加寬，結(jié)的形成動(dòng)畫(huà)結(jié)的形成動(dòng)畫(huà)模 擬 電 子 技 術(shù)1. 載流子的載流子的濃度差濃度差引起多子的引起多子

13、的擴(kuò)散擴(kuò)散2. 復(fù)合使交界面復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)特點(diǎn)空間電荷區(qū)特點(diǎn):無(wú)載流子，無(wú)載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3. 擴(kuò)散和漂移達(dá)到擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流擴(kuò)散電流 等于漂移電流等于漂移電流， 總電流總電流 I = 0。模 擬 電 子 技 術(shù)二、二、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)使多子向外電場(chǎng)使多子向 PN 結(jié)移動(dòng)結(jié)移動(dòng),中和部分離子中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流 IF 。IF

14、 = I多子多子 I少子少子 I多子多子1. 外加外加正向正向電壓電壓( (正偏正偏) ) 當(dāng)外加電壓使當(dāng)外加電壓使PNPN結(jié)中結(jié)中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱(chēng)為加區(qū)的電位，稱(chēng)為加正向電壓正向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)正偏正偏；反之稱(chēng)為加；反之稱(chēng)為加反向電壓反向電壓，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)反偏反偏。 PN結(jié)正偏結(jié)正偏,外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng),PN結(jié)變窄結(jié)變窄,多子擴(kuò)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于少子漂移運(yùn)動(dòng)散運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)大于少子漂移運(yùn)動(dòng),形成較大的正向電流形成較大的正向電流,正向電阻很小正向電阻很小,PN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通模 擬 電 子 技 術(shù)2. 外加外加反向反向電壓電壓( (反偏反偏) )P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)

15、內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)變寬。IR漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流 IR，IR = I少子少子 0PN PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大; ;反偏截止，電阻很大，電流近似為零反偏截止，電阻很大，電流近似為零。PN結(jié)反偏結(jié)反偏,外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)加強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng),PN結(jié)變寬結(jié)變寬,多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)削弱多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)削弱,少子漂移運(yùn)動(dòng)少子漂移運(yùn)動(dòng)相對(duì)加強(qiáng)相對(duì)加強(qiáng),由濃度很小少子漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流由濃度很小少子漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流,反向電阻很反向電阻很大大,PN結(jié)截止結(jié)截止 在一定的溫度條件下

16、，在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大本上與所加反向電壓的大小無(wú)關(guān)，小無(wú)關(guān)，這個(gè)電流也稱(chēng)為這個(gè)電流也稱(chēng)為反向飽和電流反向飽和電流。 模 擬 電 子 技 術(shù)三、三、PN 結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性/S(e1)DTvVDiI反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量TkTVq電子電子電量電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)常溫下常溫下 T = 300K( (27 C) )：VT = 26 mVOVD /ViD /mA正向特性正向特性反向特性反向特性加正向電壓時(shí)加

17、正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)DTVVDSiI eDSiI 表達(dá)式表達(dá)式:模 擬 電 子 技 術(shù)四四、PN 結(jié)的反向擊穿特性結(jié)的反向擊穿特性O(shè)VD /ViD /mA反向擊穿反向擊穿VBR反向擊穿類(lèi)型：反向擊穿類(lèi)型：電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿: PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。: PN 結(jié)燒毀。結(jié)燒毀。 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為PNPN結(jié)的結(jié)的反向擊穿。反向擊穿。模 擬 電 子 技 術(shù)反向擊穿原因反向擊穿原因： 齊納擊穿齊納擊穿： 反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵

18、。反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。 (擊穿電壓擊穿電壓 6 V,正正溫度系數(shù)溫度系數(shù)) )反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。使自由電子數(shù)突增。電電擊擊穿穿只有在雜質(zhì)濃度特別大的只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達(dá)到結(jié)中才能達(dá)到模 擬 電 子 技 術(shù)1.勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB (PN結(jié)反偏結(jié)反偏)2.擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CD (PN結(jié)正偏結(jié)正偏)PN結(jié)高頻等效電路：結(jié)高頻等效電路：Cd =CB+CDrCd五五、PN 結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)勢(shì)壘電容示意圖勢(shì)壘電容示意圖 結(jié)論：結(jié)論：1.1.低頻低頻時(shí)時(shí)，因容，因容抗抗很大，對(duì)很大，對(duì) PN PN

19、結(jié)影響很小。結(jié)影響很小。 高頻高頻時(shí)時(shí)，因容抗減小，使，因容抗減小，使結(jié)電容分流結(jié)電容分流，導(dǎo)致導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾顔蜗驅(qū)щ娦宰儾睢?2.2.結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，勢(shì)壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累當(dāng)電壓變化時(shí)，就會(huì)引起積累在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，在勢(shì)壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是這樣所表現(xiàn)出的電容是勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容。為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入為了形成正向電流（擴(kuò)散電流），注入P 區(qū)的電子在區(qū)的電子在P 區(qū)區(qū)有濃度差，越靠近有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電

20、子的積累。區(qū)有電子的積累。同理，在同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容這樣所產(chǎn)生的電容就是擴(kuò)散電容CD。擴(kuò)散電容示意圖擴(kuò)散電容示意圖模 擬 電 子 技 術(shù)3.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一一. 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型PN 結(jié)結(jié) + 引線引線 + 管殼管殼 = 二極管二極管(Diode)符號(hào)：符號(hào)：ak 陰極陰極分類(lèi)：分類(lèi)：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型面接觸型面接觸型陽(yáng)極陽(yáng)極模 擬 電 子 技 術(shù)點(diǎn)接觸型二極管點(diǎn)接觸型二極管面接觸型二

21、極管面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于大電流整流電路。于大電流整流電路。 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。用于檢波和變頻等高頻電路。模 擬 電 子 技 術(shù)模 擬 電 子 技 術(shù)1、PN 結(jié)的伏安特性方程結(jié)的伏安特性方程D/DS(e1)TVViI反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量當(dāng)當(dāng) T = 300( (27 C) )： VT = 26 mV二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性TkTVq電子電量電子電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)模 擬 電 子 技 術(shù)2、二極管的伏安特性、二極管的伏安特性O(shè)vD /ViD /mA正向特性正向特性

22、Vth門(mén)坎門(mén)坎(死區(qū)死區(qū)) 電壓電壓iD = 0Vth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )V VthiD 急劇上升急劇上升0 V Vth VD(on) = (0.6 0.8) V(導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓)硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管鍺管 0.2 V反向特性反向特性ISV (BR)反向擊穿反向擊穿V(BR) V 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) ;幾十幾十 A ( (鍺鍺) )V V(BR)反向電流急劇增大反向電流急劇增大 ( (反向擊穿反向擊穿) )1). 正向特性正向特性2). 反向特性反向特性模 擬 電 子 技 術(shù)硅管的伏安特性硅管

23、的伏安特性鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020模 擬 電 子 技 術(shù)3).反向擊穿特性：反向擊穿特性： 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值(V(VBRBR) )時(shí)，反向時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱(chēng)為PNPN結(jié)的結(jié)的反向擊穿。反向擊穿。熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆模 擬 電 子 技 術(shù)三三. 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)2.

24、 VBR 反向擊穿電壓反向擊穿電壓4. IR 反向電流反向電流( (越小單向?qū)щ娦栽胶迷叫蜗驅(qū)щ娦栽胶? )iDVDV (BR)I FO1. IF 最大整流電流最大整流電流( (最大正向平均電流最大正向平均電流) )5. 極間電容極間電容: 勢(shì)壘電容勢(shì)壘電容CB 擴(kuò)散電容擴(kuò)散電容CDCd =CB+CD6. fM 最高工作頻率最高工作頻率( (超過(guò)時(shí)單向?qū)щ娦宰儾畛^(guò)時(shí)單向?qū)щ娦宰儾? )3. VRM 最高反向工作電壓最高反向工作電壓，為為 V(BR) / 2 模 擬 電 子 技 術(shù)3.4 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法 3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法簡(jiǎn)單二極管

25、電路的圖解分析方法 3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法模 擬 電 子 技 術(shù)3.4.1 簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析方法 二極管是一種非線性器件，因而其電路一般二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)要采用非線性電路的分析方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知雜，而圖解分析法則較簡(jiǎn)單，但前提條件是已知二極管的二極管的V V - -I I 特性曲線。特性曲線。模 擬 電 子 技 術(shù)例例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源特性曲線

26、、電源VDD和電阻和電阻R，求二極管兩端電壓，求二極管兩端電壓vD和流過(guò)二極管的電流和流過(guò)二極管的電流iD 。 解：由電路的解：由電路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一條斜率為是一條斜率為-1/R的直線，稱(chēng)為的直線，稱(chēng)為負(fù)載線負(fù)載線 Q的坐標(biāo)值（的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。）即為所求。Q點(diǎn)稱(chēng)為電路的點(diǎn)稱(chēng)為電路的工作點(diǎn)工作點(diǎn)模 擬 電 子 技 術(shù)3.4.2 3.4.2 二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析方法一、二極管伏安特性建模一、二極管伏安特性建模1、理想模型、理想模型vDiD代表符號(hào)代表符號(hào):+DvDi-正偏導(dǎo)通，正

27、偏導(dǎo)通，vD = 0；反偏截止，反偏截止， iD = 0 R = 由圖可見(jiàn)，在正向偏置時(shí)，由圖可見(jiàn)，在正向偏置時(shí)，其管壓降為其管壓降為0V，而當(dāng)二極管，而當(dāng)二極管處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的處于反向偏置時(shí)，認(rèn)為它的電阻為無(wú)窮大，電流為零。電阻為無(wú)窮大，電流為零。 在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極在實(shí)際的電路中，當(dāng)電源電壓遠(yuǎn)比二極管的管壓降大時(shí)，利用此法來(lái)近似分析管的管壓降大時(shí)，利用此法來(lái)近似分析是可行的是可行的.模 擬 電 子 技 術(shù)2、恒壓降模型、恒壓降模型vDiD代表符號(hào)代表符號(hào):vD 0.7 V (Si)0.2 V (Ge)+-DvDi當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認(rèn)為是恒

28、定的，且不隨降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而變，電流而變，只有當(dāng)二極管的電流只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或近似等于或大于大于1mA時(shí)與結(jié)果接近。時(shí)與結(jié)果接近。模 擬 電 子 技 術(shù)+-DvDiVthrD3、折線模型、折線模型D0.70.52001VVrmAvDiD代表符號(hào)代表符號(hào):門(mén)坎電壓門(mén)坎電壓Vth 0.5 V (Si)0.1 V (Ge)為了較真實(shí)地描述二極管為了較真實(shí)地描述二極管V-I特性，特性，認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，認(rèn)為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過(guò)二極管電流的增加而而是隨著通過(guò)二極管電流的增加而增加，所以在模型中增加，所以在模型中用一個(gè)電池和用一個(gè)電池和一個(gè)電阻一個(gè)電

29、阻rD來(lái)作進(jìn)一步的近來(lái)作進(jìn)一步的近似似。電池的電壓選定為二極管的電池的電壓選定為二極管的門(mén)坎電壓門(mén)坎電壓Vth:rD的值，當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為的值，當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時(shí)，時(shí)，管壓降為管壓降為0.7V，于是，于是rD的值可計(jì)算如下：的值可計(jì)算如下：模 擬 電 子 技 術(shù)vs =0 時(shí)時(shí), Q點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn)點(diǎn)稱(chēng)為靜態(tài)工作點(diǎn) ，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。，反映直流時(shí)的工作狀態(tài)。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 時(shí)（時(shí)（VmVDD）, 將將Q點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的點(diǎn)附近小范圍內(nèi)的V-I 特性線性化，得到特性線性化，得到小信號(hào)模型，即以小信號(hào)模型，即以Q點(diǎn)為切點(diǎn)的一條直線。點(diǎn)為切點(diǎn)

30、的一條直線。4、小信號(hào)模型、小信號(hào)模型模 擬 電 子 技 術(shù)vDiDQ代表符號(hào)代表符號(hào):DiDv+-DrDvDi求微變電阻求微變電阻rD:DDDvri1ddgrTDDVrI 二極管工作在正向特二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。微變電阻。常溫下（常溫下（T=300K）:)mA()mV(26DDdIIVrT DDQdidv/(1)DTvvSDQd Iedv/DTvvSTQIeVDTIV)1(/SDD TVveIi據(jù)據(jù)得得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)點(diǎn)處的微變電導(dǎo)模 擬 電 子 技 術(shù)1.1.整流電路整流電路（a）電路圖）電路圖

31、（b）vs和和vo的波形的波形二、模型分析法應(yīng)用舉例二、模型分析法應(yīng)用舉例模 擬 電 子 技 術(shù)2、二極管電路靜態(tài)工作分析、二極管電路靜態(tài)工作分析例例: 硅二極管，硅二極管，R = 10 k ，分別用二極管理想模，分別用二極管理想模型、恒壓降模型和折線模型求出型、恒壓降模型和折線模型求出 （1）VDD = 10 V 、（2） VDD = 10 V 時(shí)時(shí) ID 和和 VD 的值。的值。DiDVDDvD+-RRVDDDiD+-vD模 擬 電 子 技 術(shù)0DV 10110DDDDVVVImARk理想模型理想模型:恒壓模型恒壓模型:0.7DV (100.7)0.9310DDDDVVVImARk100.

32、50.931100.2DDthDDVVVVImARrkk折線模型折線模型:(1) VDD=10V(2) VDD=1V0.50.9310.20.69DthD DVVI rVmAkV理想模型理想模型:0DV 10.110DDDDVVVImARk恒壓模型恒壓模型:0.7DV (1 0.7)0.0310DDDDVVVImARk折線模型折線模型:10.50.049100.2DDthDDVVVVImARrkk0.50.030.20.51DthD DVVI rVmAkVVDD 大，大， 采用理想或恒壓降采用理想或恒壓降 模型模型VDD 小，小， 采用采用折線折線模型模型DiDVDDvD+-R模 擬 電 子

33、技 術(shù)3.3.限幅電路限幅電路 電路如圖，電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)解，當(dāng)vI = 6sin t V時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓時(shí)，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。的波形。 模 擬 電 子 技 術(shù)例例 一二極管開(kāi)關(guān)電路如下圖所示。用理想模型分析當(dāng)一二極管開(kāi)關(guān)電路如下圖所示。用理想模型分析當(dāng)vI1和和vI2為為0V或或5V時(shí)，求時(shí)，求vI1和和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。的值。5 V4. 開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)電路D1D24.7KVcc5VvI1vI2+

34、-+-vI1vI24.7KD1D2Vcc5VvI1vI2二極管工作情況二極管工作情況vOD1D20 V 0 V0 V 5 V5 V 0 V5 V 5 V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止截止截止截止截止0 V 0 V 0 V 5 V 模 擬 電 子 技 術(shù)例：例：電路如圖所示，求電路如圖所示，求AO的電壓值的電壓值解：解： 先斷開(kāi)先斷開(kāi)D，以，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，為基準(zhǔn)電位， 即即O點(diǎn)為點(diǎn)為0V。 則接則接D陽(yáng)極的電位為陽(yáng)極的電位為-6V，接，接 陰極的電位為陰極的電位為-12V。 陽(yáng)極電位高于陰極電位，陽(yáng)極電位高于陰極電位，D接入時(shí)正向?qū)?。接入時(shí)正向?qū)ā?dǎo)通后，導(dǎo)通后，D的壓降

35、等于零，即的壓降等于零，即A點(diǎn)的電位就是點(diǎn)的電位就是D陽(yáng)極的電位。陽(yáng)極的電位。所以，所以，AO的電壓值為的電壓值為-6V。模 擬 電 子 技 術(shù)5. 低電壓穩(wěn)壓電源低電壓穩(wěn)壓電源DiDVIvD+-RiDvD+-RVI+-VIiD=ID+iDvD=VD+vDiDR+-vOrd+-vI例例: :在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓V VI I的正常值為的正常值為10V10V，R=10K,R=10K,若若V VI I 變化變化1V1V時(shí)，問(wèn)相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？時(shí)，問(wèn)相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？解解：當(dāng)當(dāng) V VI I的正

36、常值為的正常值為10V10V，利，利用恒壓降模型，用恒壓降模型，V VD D0.7V 0.7V ?？??？傻玫肣 Q點(diǎn)上的電流為點(diǎn)上的電流為: :100.70.9310DVVImAK26280.93TdDVm VrIm A在此在此Q Q點(diǎn)上，二極管的微變電阻為點(diǎn)上，二極管的微變電阻為VIVI有有1V1V的波動(dòng)，可視為一峰的波動(dòng)，可視為一峰- -峰峰值為值為2V2V的交流信號(hào)作用于由的交流信號(hào)作用于由R R和和r rD D組組成的分壓器上成的分壓器上d(-d3r2 VR + r2 82 V5.5 8 m V1 01 02 8dv峰峰 值 ）二極管電壓二極管電壓vdvd的變化范圍為的變化范圍為2.9

37、mV2.9mV。小信號(hào)小信號(hào)等效電路等效電路VI 波動(dòng)后波動(dòng)后的電路的電路模 擬 電 子 技 術(shù)6.6.小信號(hào)工作情況分析小信號(hào)工作情況分析圖示電路中，圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒壓降模型的，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（1）求輸出電壓）求輸出電壓vO的交流量和總量；（的交流量和總量；（2）繪出）繪出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等直流通路、交流通路、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。概念，在放大電路的分析中非常重要。模 擬 電 子 技 術(shù)3.5特殊二極管一、齊納二極管一、齊納二極管(穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管)符號(hào)符號(hào)+

38、 -工作條件：工作條件：反向擊穿反向擊穿Vz 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 (穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓)穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓作用: 電流增量電流增量 IZ很很大只引起很小大只引起很小的電壓的電壓 VZ變化變化模 擬 電 子 技 術(shù)主要參數(shù)主要參數(shù)3) 最大工作電流最大工作電流 IZM (Imax) 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾 幾十幾十 1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 VZ 流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。兩端的反向電壓值。2) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 小

39、于小于 Imin 時(shí)不穩(wěn)壓時(shí)不穩(wěn)壓, 大于大于Imax時(shí)燒毀。時(shí)燒毀。模 擬 電 子 技 術(shù)5.) 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CTZZTVV100%CT 一般，一般，VZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 ( (為雪崩擊穿為雪崩擊穿) )具有正溫度系數(shù)；具有正溫度系數(shù)；4 V VZ 7 V，CTV 很小。很小。模 擬 電 子 技 術(shù)并聯(lián)式穩(wěn)壓電路并聯(lián)式穩(wěn)壓電路oIoVRIRIZIVIVORRLILIRIZ(Io)LRoVRIzIiVoVoV穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理:RV模 擬 電 子 技 術(shù)穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例Zmin10V, P1 ,2mA ,R=100ZzVW I25

40、0LR (max)110010ZzZPWImAVV例例:穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù)穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):VoiZDZRViRL(1)若若 ,試求試求Vi允許的變化范圍允許的變化范圍(2)若若 Vi=22V ,試求試求RL允許的變化范圍允許的變化范圍解：解：(1) DZ管允許的最大電流為管允許的最大電流為(max)24iVV(max)(max)izZZLVVVIRRVi(max)應(yīng)滿足應(yīng)滿足:(min)14.2iVV(min)minizZZLVVVIRRVi(min)應(yīng)滿足應(yīng)滿足:(max)(max)izZZLVVVIRR(min)(min)izZZLVVVIRR RLmax 、RLnin 應(yīng)分別滿足應(yīng)分別滿足:14.2Vi 24V5085LR (2)模 擬 電 子 技 術(shù)VIVORRLILIRIZ例例 : :一穩(wěn)壓電路如圖一穩(wěn)壓電路如圖所示，其中的直流輸所示，其中的直流輸入電壓入電壓V VI I系由汽車(chē)上系由汽車(chē)上鉛酸電池供電，電壓鉛酸電池供電，電壓在在121213.6V13.6V之間波之間波動(dòng)。負(fù)載為一移動(dòng)式動(dòng)。負(fù)載為一移動(dòng)式9V9V半導(dǎo)體收音機(jī)，當(dāng)半導(dǎo)體收音機(jī)，當(dāng)它的