第1章二極管及其應(yīng)用電路

1第1章二極管及其應(yīng)用電路1.1半導(dǎo)體的基本知識1.2PN結(jié)1.3二極管1.4二極管的應(yīng)用電路1教學(xué)目標(biāo)與要求

熟悉半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

掌握PN結(jié)的特性。

了解二極管的結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理、特性曲線及其主要參數(shù)。

掌握穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性，了解其主要參數(shù)；了解發(fā)光二極管、光電二極管等半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用場合。21.1半導(dǎo)體的基本知識物質(zhì)的分類（按導(dǎo)電性能分）①導(dǎo)體：低價元素（如Cu、AI等）導(dǎo)電性能好②絕緣體：高價元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠）導(dǎo)電性能極差③半導(dǎo)體：四價元素（如Si、Ge等）導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間（1）熱敏特性半導(dǎo)體的多變特性（2）光敏特性溫度升高導(dǎo)電能力顯著變化。如熱敏電阻光線照射導(dǎo)電能力顯著變化。如光電二極管載流子3（3）摻雜特性在本征半導(dǎo)體中摻入少量的有用的雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。如二極管、晶體管等。1.1.1本征半導(dǎo)體定義SiSiSiSiSiSiSiSiSi共價鍵價電子晶體原子的結(jié)合方式共價鍵純凈的具有單晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。如圖所示4SiSiSiSiSiSiSiSiSi

2.本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)（1）有兩種載流子，即自由電子和空穴，且數(shù)目相等，即成對出現(xiàn)。（2）可形成兩種電流，即電子電流和空穴電流?？昭ㄗ杂呻娮幼⒁猓?）金屬導(dǎo)體只有一種載流子即自由電子。本征激發(fā)復(fù)合

（2）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴的濃度相等。5（3）本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與環(huán)境溫度有關(guān)；溫度T載流子的濃度導(dǎo)電能力增強(qiáng)

（4）導(dǎo)電能力仍不如導(dǎo)體。

（5）絕對零度（T=0K）時，本征半導(dǎo)體成為絕緣體。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體①N型半導(dǎo)體②P型半導(dǎo)體多余電子

在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷）

N型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：①有兩種載流子，即自由電子和空穴。自由電子是多子，空穴是少子；1.N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體SiSiSiP+SiSiSiSiSi6SiSiSiSiB-SiSiSiSi②主要靠自由電子導(dǎo)電。2.P型半導(dǎo)體

在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼）P型半導(dǎo)體空位空穴

P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：①有兩種載流子，即自由電子和空穴?？昭ㄊ嵌嘧?，自由電子是少子；②主要靠空穴導(dǎo)電。

雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子必須是微量的，且有用，否則將改變半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)?！咎貏e提示】7

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，所摻雜質(zhì)的濃度基本上取決于多子的濃度；而溫度決定少子的濃度很低。

雜質(zhì)半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體）仍呈中性。

1.2PN結(jié)

1.2.1PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動漂移運(yùn)動動態(tài)平衡（一定寬度）空間電荷區(qū)PN結(jié)---------------+++++++++++++++P區(qū)多子N區(qū)多子---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場說明

空間電荷區(qū)又稱耗盡層8

1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)正向偏置外加正向電壓或正向接法

PN結(jié)的正向電流可視為由多子的擴(kuò)散運(yùn)動形成的。---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場RUS外電場變窄內(nèi)電場外電場USRP區(qū)N區(qū)---+++I【特別提示】9

2.PN結(jié)反向偏置外加反向電壓或反向接法

PN結(jié)的反向電流可視為由少子的漂移運(yùn)動形成。---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場RUS外電場---------+++++++++變寬內(nèi)電場RUS外電場I

PN結(jié)的反向電流對溫度很敏感。【特別提示】10

PN結(jié)正向偏置空間電荷區(qū)變窄正向電阻很小正向電流較大PN結(jié)導(dǎo)通

PN結(jié)反向偏置空間電荷區(qū)變寬

（理想時為∞）反向電流（反向飽和電流）極?。ɡ硐霑r為0）PN結(jié)截止反向電阻很大PN結(jié)正向偏置時導(dǎo)通，反向偏置時截止單向?qū)щ娦越Y(jié)論（理想時為0）11說明PN結(jié)的結(jié)電容Cj①勢壘電容Cb②擴(kuò)散電容CdCj=Cb+Cd

1.2.3PN結(jié)的電流方程IS：反向飽和電流q：電子電量k：波爾茲曼常數(shù)T：熱力學(xué)溫度溫度的電壓當(dāng)量則常溫時，即T=300K（即27℃）時，UT≈26mV說明12構(gòu)成:實質(zhì)上就是一個PN結(jié)PN結(jié)+引線+管殼1.3二極管+-陽極陰極

特性：單向?qū)щ娦酝庑渭皥D形符號陽極陰極PN131.3.1二極管的類型和結(jié)構(gòu)

1.二極管的類型按所用材料不同分①硅管②鍺管按用途不同分①普通管②整流管③開關(guān)管按內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同分①點(diǎn)接觸型②面接觸型③平面型大功率整流元件多為鍺管多為硅管142.二極管的結(jié)構(gòu)（1）點(diǎn)接觸型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。特點(diǎn)用途用于高頻電路的檢波和變頻等。15（2）面接觸型結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大。特點(diǎn)用途多用于工頻大電流整流電路。（3）平面型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線結(jié)面積可大可小。特點(diǎn)用途多用于低頻整流和開關(guān)電路中。陰極引線陽極引線SiO2保護(hù)層P型硅N型硅161.3.2二極管的伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)硅0.6~0.8V典型值0.7V鍺0.1~0.3V典型值0.2V死區(qū)電壓uiPN+–PN–+非線性17說明（1）PN結(jié)的反向擊穿①齊納擊穿（反向擊穿電壓較低）②雪崩擊穿（反向擊穿電壓較高）發(fā)生場合：高摻雜場合。

因高摻雜，故耗盡層較窄，不太高的反向電壓即可在耗盡層內(nèi)形成很強(qiáng)的電場，使價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子—孔穴對，導(dǎo)致反向電流急劇增加。

因低摻雜，故耗盡層較寬，較高反向電壓，使耗盡層內(nèi)少子漂移速度加快而碰撞出共價鍵的價電子，產(chǎn)生電子—孔穴對，并導(dǎo)致載流子雪崩式的倍增，使反向電流急劇增加。發(fā)生場合：低摻雜場合。18（2）理想二極管正向?qū)妷航岛头聪螂娏骶鶠榱?。特點(diǎn)uiO實際特性實際特性理想特性理想特性當(dāng)外加電壓遠(yuǎn)大于二極管的正向?qū)妷航担也挥嬈浞聪螂娏鲿r，可將二極管視為理想二極管。19

二極管的特性與環(huán)境溫度有關(guān)。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，正向特性曲線將左移，反向特性曲線將下移，反飽和電流將增加，而反向擊穿電壓將降,

如圖所示。Ou/Vi/mA25℃60℃U(BR)Bi/μA死區(qū)電壓正向特性反向特性A【特別提示】20

一般地，硅二極管所允許的結(jié)溫比鍺二極管的高（硅管的最高結(jié)溫約為150℃，鍺管的約為90℃），故大功率的二極管幾乎均為硅管。

二極管的正向特性曲線不是直線，而是近似為指數(shù)

曲線。故二極管是一個非線性器件。1.3.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IFM：指平均值。要求ID(AV)≤IFM2.最高反向工作電壓URM：指最大值。要求URm≤URM3.靜態(tài)電阻RD二極管的靜態(tài)電阻（又稱直流等效電阻）是指靜態(tài)時加到二極管兩端的直流電壓U與所通過的直流電流I之比，用RD表示。21u/Vi/mAOUIQ圖1.3.5二極管的靜態(tài)電阻α靜態(tài)工作點(diǎn)顯然，靜態(tài)工作點(diǎn)不同，二極管的靜態(tài)電阻也不同。靜態(tài)工作點(diǎn)越高（即靜態(tài)電流I越大），靜態(tài)電阻越小。4.動態(tài)電阻Rd二極管的動態(tài)電阻（又稱交流等效電阻）是指二極管在靜態(tài)工作點(diǎn)附件電壓的變化量與電流的變化量之比，用rd表示，即22u/Vi/mAOQ圖1.3.6二極管的動態(tài)電阻△i△uα若加到二極管兩端的電壓僅在靜態(tài)工作點(diǎn)的附近作微量的變化，則可以得出常溫下，由于UT=26mV故上式又可寫為可見，二極管的動態(tài)電阻與靜態(tài)工作點(diǎn)的位置有關(guān)，靜態(tài)工作點(diǎn)越高，即靜態(tài)電流I越大，則二極管的動態(tài)電阻越小。231.3.4特殊二極管

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。穩(wěn)壓區(qū)：反向擊穿區(qū)1）符號

2）伏安特性UZIZIZMUZIZu/Vi/mAO1.穩(wěn)壓二極管

243）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）穩(wěn)定電流IZ（或IZmin)（4）額定功耗PZM（5）動態(tài)電阻rzIZ好要求：rZ好注意穩(wěn)壓管電路中必須要串聯(lián)限流電阻！UZIZIZMUZIZu/Vi/mAOAB（3）最大穩(wěn)定電流IZM25穩(wěn)壓管的正常穩(wěn)壓區(qū)在其反向擊穿區(qū)內(nèi)。為保證穩(wěn)壓管安全地起到穩(wěn)壓作用，要求

【例1-3-1】如圖所示電路UI＝24V，VZ的型號為2CW58，UZ＝10V，IZ＝5mA，IZM＝23mA，限流電阻R＝500Ω，為保證電路為負(fù)載RL提供10V的穩(wěn)定直流電壓，試確定負(fù)載電阻RL的適用范圍。RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL【特別提示】26當(dāng)穩(wěn)壓管工作于穩(wěn)壓區(qū)時，若負(fù)載電阻RL最小，則負(fù)載電流IL最大。由于IR不變，故由上式可知，穩(wěn)壓管的電流IDZ最小。此時，應(yīng)有

【解】為保證電路輸出10V的穩(wěn)定直流電壓，應(yīng)使穩(wěn)壓管安全地工作于穩(wěn)壓區(qū)。根據(jù)KCL得解得RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL27若負(fù)載電阻RL最大，則負(fù)載電流IL最小。由于IR不變，故穩(wěn)壓管的電流最大。此時，應(yīng)有解得RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL所以，負(fù)載電阻RL的適用范圍為435Ω～2kΩ。282.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1）類型①可見光②不可見光③激光

3）應(yīng)用：顯示電路2）特性和符號工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(1.53)V符號u/Vi

/mAO2特性USRLED293.光電二極管1）特性及符號uE＝0iE1E2O

①無光照時，與普通二極管一樣（反向電流稱為暗電流）；

②有光照時特性曲線下移。

（a）在第三象限中，照度一定時，光電二極管可視為一恒流源光電流>幾十μA時光電流∝光照遙控、報警、光電傳感器（b）在第四象限中呈光電池特性302）應(yīng)用電路（a）光電二極管反向偏置時的應(yīng)用iUSR+-uRVD（b）光電二極管形成光電池Ri+-uRVD311.4二極管的應(yīng)用電路1.4.1整流電路

將大小和方向隨時間變化的交流電壓變成單一方向的、脈動的直流電壓的過程稱為整流。整流原理詳見第10章。1.4.2檢波電路

調(diào)制的方式通常分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種。tuo調(diào)制信號O低通濾波器包絡(luò)檢波原理檢波輸出調(diào)幅波檢波器件ui載波調(diào)制信號Ot321.4.3.限幅電路將輸出電壓的幅值限制在一定數(shù)值范圍之內(nèi)的電路稱為限幅器。限幅器又稱為削波器。1.4.4鉗位電路將電路中某點(diǎn)的電位鉗制在某一數(shù)值上，稱為鉗位。二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。否則，正向管壓降硅0.6～0.8V（典型值取0.7V）鍺0.1～0.3V（典型值取0.2V）33-10（b）波形圖uo/VOωt5.7-5.7π2π3π10ui

【例1-4-1】如圖（a）所示電路，設(shè)輸入電壓，，US1＝US2＝5V，VD1和VD2均為硅管，其正向?qū)妷航礥D＝0.7V。試畫出輸出電壓uo的波形。VD1VD2Ruiuo+-US1US2+-（a