模擬電子技術第7章 (7)課件

模擬電子技術及應用刁修睦、杜保強主編

第1章半導體二極管及應用1.1半導體的基礎知識1.2半導體二極管1.3二極管的應用+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1半導體的基本知識價電子共價鍵圖1-1共價鍵結構1.1.1本征半導體純凈的、晶體結構排列整齊的半導體叫做本征半導體。將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結構為共價鍵結構。當溫度T=0

K時，半導體不導電，如同絕緣體。1.1.1本征半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴T

圖1-2本征激發(fā)一般在室溫下，純硅中的自由電子濃度n和空穴濃度p約為n=p≈1.5×1010個/cm3，純鍺中的自由電子濃度n和空穴濃度p約為n=p≈2.5×1013個/cm3，而金屬導體中的自由電子濃度約為1022個/cm3。由此可知，本征半導體的導電能力是很差的。+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2雜質(zhì)半導體+3受主原子空穴圖1-3P型半導體的結構(b)結構示意圖(a)形成過程一、P型半導體摻雜結果：每摻入一個三價元素，產(chǎn)生一個空穴和一個不導電的雜質(zhì)負離子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子+5圖1-4N型半導體的結構(b)結構示意圖(a)形成過程二、N型半導體摻雜結果：每摻入一個五價元素，產(chǎn)生一個自由電子和一個不導電的雜質(zhì)正離子施主原子PN結的其它稱謂PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場Uho阻擋層勢壘區(qū)圖1-5PN結的形成PN二、PN結的單向導電性外電場方向內(nèi)電場方向耗盡層ERI圖1-6PN結加正向電壓時導通什么是PN結的單向導電性？有什么作用？空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。1．加正向電壓時導通二、PN結的單向導電性耗盡層圖1-7PN結加反向電壓時截止PN外電場方向內(nèi)電場方向ERIS空間電荷區(qū)變寬，有利于漂移運動，電路中有較小的反向電流。

2．加反向電壓時截止PN結反向電流的大小受溫度的影響明顯

圖1-9點接觸型二極管圖1-10面接觸型二極管二、二極管的分類半導體二極管類型很多，按結構分，有點接觸型和面接觸型兩類點接觸型二極管高頻特性好，適用于高頻電路，也用作數(shù)字電路中的開關元件。面接觸型二極管結面積比較大，允許通過的電流大，適用于整流，但由于極間電容大，故只宜用于低頻電路。1.2.2二極管的伏安特性圖1-11某硅二極管的伏安特性曲線一、正向特性二、反向特性死區(qū)：Uth=0.5V(硅管)0.1V(鍺管)非線性區(qū)：導通區(qū)：UD（ON）=0.6~0.7V(硅管)0.2~0.3V(鍺管)反向截止區(qū)：反向擊穿區(qū)：UBR＜U＜0U＜UBR開啟電壓導通電壓擊穿電壓擊穿類型齊納擊穿雪崩擊穿圖1-12二極管的溫度特性曲線四、二極管的溫度特性半導體具有熱敏性，溫度變化容易造成半導體器件工作不穩(wěn)定。正向特性中，若保持電流一定，溫度每升高1℃，二極管的正向壓降將減小2～2.5mV。即二極管的正向特性曲線將隨溫度的升高而左移。在反向特性中，當溫度每升高10℃，反向飽和電流IS將增加一倍。二極管的反向擊穿電壓也受溫度的影響。伏安特性小結二極管元件的伏安特性可用公式法、參數(shù)法、特性曲線法三種方法來表示。

公式法的特點是便于定量分析計算；

參數(shù)法描述元件的特性簡單、明了，但是只能描述簡單的靜態(tài)特性，無法反映兩個變量之間的關系；

特性曲線法比較全面而直觀地反映元件的特性，特別是變量之間的關系，信息量最大。1.2.4二極管的等效電路一、理想模型二、恒壓降模型三、折線模型能在一定條件下近似模擬二極管特性的線性電路稱為二極管的等效電路（或等效模型）。理想二極管可用開關S來等效，正偏時S閉合，反偏時S斷開，二極管正偏導通后的管壓降是一個恒定值二極管的導通壓降隨二極管電流的增加而增加，正向特性用一個理想電源和一個電阻rD近似uio(a)(b)圖1-13二極管的理想模型(a)伏安特性(b)等效電路(a)(b)圖1-14二極管的恒壓降模型(a)伏安特性(b)等效電路UD(ON)uioUD（ON）+_UDuiUDrD+_o(a)(b)圖1-15二極管的折線模型(a)伏安特性(b)等效電路圖1-16二極管的指數(shù)模型uDiDo圖1-17二極管的交流微變等效電路rduDuDiDoQUDIDiD四、指數(shù)模型（數(shù)學模型）在外加電壓uD的作用下，二極管電流iD變化規(guī)律的數(shù)學表達式近似為：uD>>UT，近似有

二極管正向導通時，由其兩端的電壓UD和通過它的電流ID，可以在伏安特性曲線上確定一點Q。在Q點的基礎上附加微小的變化量，電流會有較大的變化，且變化軌跡可近似看作一條直線，其斜率的倒數(shù)就是二極管的交流微變等效電阻rd。

五、交流微變等效電路（物理模型）++UIR2kVDUO+_IOUIR2kUD(ON)=0UO_IOUIR2kUO+_IOUD(ON)=0.7V_（a）（b）（c）圖1-19例1.2圖【例1.2】硅二極管電路如圖1-19（a）所示，試分別用二極管的理想等效模型（b）和恒壓降等效模型（C）計算電路中的電流IO和輸出電壓UO。（1）當UI=2V時；（2）當UI=20V時。解：將二極管用理想模型和恒壓降模型分別代入計算式中。(1)當UI=2V時，由圖1-19（b）可得UO=2V，IO=UI/R=1mA由圖1-19（c）可得：UO=1.3V，IO=UI-UD(ON)/R=1.3mA(2)當UI=20V時，由圖1-19（b）可得UO=20V，IO=UI/R=10mA由圖1-19（c）可得：UO=19.3V，IO=UI-UD(ON)/R=9.65mA1.2.5特殊二極管(a)(b)圖1-20穩(wěn)壓二極管符號和伏安特性(a)電路符號(b)伏安特性曲線VZUZOu

IZmin

i

IZmax

一、穩(wěn)壓二極管1．穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線穩(wěn)壓二極管反向擊穿電壓比普通二極管低。當反向電壓加大到反向擊穿電壓值時，反向電流急劇上升。穩(wěn)壓二極管正是利用反向擊穿電流在很大范圍內(nèi)變化，而反向電壓變化很小的特性來穩(wěn)定電壓。2．穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管反向正常工作時的電壓。取決于制造時的摻雜濃度，通常為幾伏到幾十伏。(2)穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管正常工作時的最小電流值。若工作電流小于IZ，穩(wěn)壓效果很差。穩(wěn)壓管正常工作時的電流應大于IZ，一般在幾毫安以上。(3)最大穩(wěn)定電流IZmax和最大耗散功率PZM穩(wěn)壓管允許流過的最大電流和允許的最大功率損耗，通過管子的電流太大，會使管子內(nèi)部的功耗增大，PN結溫度上升而燒壞管子，所以穩(wěn)壓管正常工作時的電流和功耗不應超過這兩個極限參數(shù)。一般有：

PZM=UZ·IZmax(1-4)(4)動態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管反向擊穿時的動態(tài)等效電阻，定義為電壓變化量ΔUZ與電流變化量ΔIZ之比：

rZ=ΔUZ／ΔIZ(1-5)動態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù)，rZ越小，穩(wěn)壓效果就越好。將電能直接轉換成光能的半導體器件。包括可見光、不可見光（一般指紅外光）發(fā)光二極管。常見的發(fā)光顏色有紅、橙、黃、綠等色,如圖1-21(a)所示。雙色發(fā)光二極管如圖1-21(b)所示，彩色發(fā)光二極管如圖1-21(c)所示二、發(fā)光二極管與光敏二極管1．發(fā)光二極管（LED）(a)(b)(c)圖1-21發(fā)光二極管(a)單色(b)雙色(c)彩色RGC發(fā)光二極管的工作電流一般約為幾至幾十毫安，正偏電壓比普通二極管要高，約為1.5～3V。由發(fā)光二極管構成的點陣結構廣泛用于交通信號燈、廣告牌及大型電子顯示屏等電子設備。光敏二極管也叫光電二極管，其結構和一般二極管相似，也具有單向導電性，一般工作在反向偏置狀態(tài)。在外加反向電壓作用下,當光線照射在PN結上時，反向電流增加，其大小與光照強度（簡稱光強）成正比。利用光敏二極管制成光電傳感器，可以把光信號轉變?yōu)殡娦盘?，以便控制其他電子器件。光敏二極管的電路符號如圖1-22(a)所示。光敏二極管一般有兩種工作狀態(tài)：（1）當光敏二極管上加有反向電壓時，管子中的反向電流隨光強變化而正比變化；（2）光敏二極管上不加反壓，利用PN結在受光照（包括可見光、不可見光）時產(chǎn)生正向壓降的原理，作微型光電池使用。2．光敏二極管圖1-22(a)三、變?nèi)荻O管變?nèi)荻O管是利用PN結的等效電容特性制成的，一般工作在反向偏置狀態(tài)。當PN結的外加反向電壓增大時，耗盡層加寬，相當于平板電容兩極板之間距離加大，電容減小。反之，反向電壓減小時，耗盡層變窄，等效平板電容兩極板之間距離變小，電容增加。變?nèi)荻O管容量很小，所以主要用于高頻場合下，例如常用于彩色電視機選臺回路。圖1-22(b)變?nèi)荻O管圖1-24硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UoUZRLVZRUI+－+--+IRIZIL二、穩(wěn)壓UI

（或RL）UO

IZ

IR

UR

Uo

UI

（或RL）UOIZIR

UR

UoOOωtωtπ

π

2π

2π

ui

uo

UmU-U1.3.2其它應用

圖1-25二極管限幅電路（a）電路(b)波形圖VD1VD2RUUuiuo（a）（b）一、限幅

(a)(b)圖1-26二極管檢波電路

(a)電路原理圖(b)輸入輸出波形A+__+uouiCRLVDiA0ωtuo0ωtui0ωt圖1-27二極管續(xù)流電路VDL+VCCK二、檢波三、續(xù)流檢波就是把原來調(diào)制在高頻無線電波中的低頻信號取出來。檢波也叫解調(diào)。為防止含電感元件電路在換路時出現(xiàn)高電壓損壞元器件，可在電感元件兩端并上二極管，正常工作時，二極管反偏截止，當電源斷開瞬時，二極管則導通，為電感提供了放電通路。電感電流仍維持原大小并按原方向繼續(xù)流動，從而避免了電感元件上承受高電壓。小結1．自然界中的物質(zhì)，按照導電能力的強弱可分為導體、半導體和絕緣體三類。常溫下，半導體的導電能力介于導體和絕緣體之間，半導體有熱敏性、光敏性和摻雜性。摻雜性是制造各種半導體器件的主要理論依據(jù)。在純半導體中接人不同的雜質(zhì)，可分