半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識ppt

半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識ppt第一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

1-1-1本征半導(dǎo)體

1-1-2雜質(zhì)半導(dǎo)體

1-1-3半導(dǎo)體中的電流1-2

PN結(jié)

1-2-1

PN結(jié)的形成

1-2-2正反向偏置的PN結(jié)的導(dǎo)電特性

1-2-3

PN結(jié)電流的解析描述

1-2-4

PN結(jié)的擊穿特性、電容特性和溫度特性1-3晶體二極管

1-3-1二極管的伏安特性

1-3-2二極管的電參數(shù)

1-3-3二極管的電路模型1-4二極管電路

1-4-1二極管整流電路

1-4-2二極管限幅電路

1-4-3二極管電平選擇電路

1-4-4穩(wěn)壓二極管電路1-5其它二極管簡介本章內(nèi)容結(jié)構(gòu)第1-2

頁前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁第二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-3

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1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識依照導(dǎo)電性能，可以把媒質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，常見的有銅、鋁等金屬材料；絕緣體基本上不能導(dǎo)電，常見的有玻璃、陶瓷等材料；半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，常見的有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等材料。媒質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會隨溫度、光照的變化或因摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)決定了半導(dǎo)體在電子線路中的廣泛用途。銅導(dǎo)線(左上)、玻璃絕緣體(左下)和硅晶體(上)前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁第三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-4

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1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

1-1-1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體：無摻雜的純凈的單晶半導(dǎo)體，包括本征硅和鍺。本征半導(dǎo)體中存在本征激發(fā)和復(fù)合。本征半導(dǎo)體受外界能量(熱能、電能和光能)激發(fā)，產(chǎn)生電子－空穴對的過程是本征激發(fā)；電子－空穴對在運(yùn)動中相遇，電子添入空穴，從而消失電子－空穴對的過程是復(fù)合。

動畫

相鄰電子過來填補(bǔ)空穴本征激發(fā)自由電子空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴的自由移動前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁第四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-5

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1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

1-1-1本征半導(dǎo)體前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴統(tǒng)稱為本征載流子，當(dāng)本征激發(fā)和復(fù)合處于平衡時，本征載流子的濃度為其中，ni為自由電子濃度(cm-3)；pi為空穴濃度(cm-3)；T為熱力學(xué)溫度(K)；EG0征為T=0K時的禁帶寬度(硅為1.21eV，鍺為0.78eV)；k為玻爾茲曼常數(shù)(8.63×10-6V/K)；A0是與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)(硅為3.87×1016cm-3·K-3/2，鍺為1.76×1016cm-3·K-3/2)。第五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-6

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1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

1-1-2雜質(zhì)半導(dǎo)體前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體，包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素(磷、砷、銻)等，每個雜質(zhì)原子(施主原子)提供一個自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。

P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價元素(硼、鋁、銦)等，每個雜質(zhì)原子(受主原子)提供一個空穴，從而大量增加空穴數(shù)量。

N型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，為多數(shù)載流子(多子)，空穴為少數(shù)載流子(少子)。

P型半導(dǎo)體中空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，為多數(shù)載流子(多子)，自由電子為少數(shù)載流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子+4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴第六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-7

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1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

1-1-2雜質(zhì)半導(dǎo)體前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁

N型半導(dǎo)體中的載流子濃度：自由電子(多子)濃度nn

施主原子濃度ND由nnpn=ni2得，空穴(少子)濃度pn=ni2/nn

P型半導(dǎo)體中的載流子濃度：空穴(多子)濃度pp

受主原子濃度NA由nppp=ni2得，空穴(少子)濃度np=ni2/pp雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子濃度的特點(diǎn)：多子濃度由摻雜濃度決定，基本上不受溫度變化的影響；少子濃度受本征載流子濃度影響，溫度變化影響ni時，少子濃度變化明顯。第七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-8

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1-1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

1-1-3半導(dǎo)體中的電流前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁半導(dǎo)體中的電流包括漂移電流和擴(kuò)散電流。漂移電流：在電場作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向漂移運(yùn)動形成的電流。

擴(kuò)散電流：在載流子濃度梯度作用下，半導(dǎo)體中的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散形成的電流?？昭ㄗ杂呻娮覰型半導(dǎo)體電場方向自由電子濃度分布空穴濃度分布漂移電流是電子漂移電流和空穴漂移電流之和。擴(kuò)散電流正比于載流子的濃度梯度即濃度差。第八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-9

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PN結(jié)

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PN結(jié)的形成前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時，因?yàn)镻區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會向N區(qū)擴(kuò)散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子也會向P區(qū)擴(kuò)散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動的受主負(fù)離子和施主正離子。上述過程如圖1-7(a)所示。結(jié)果在界面的兩側(cè)形成了由等量正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，如圖1-7(b)所示。P(a)N(b)U---------------+++++++++++++++PN---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場B

圖1–7

PN結(jié)的形成第九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-10

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PN結(jié)

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PN結(jié)的形成前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁開始時，擴(kuò)散運(yùn)動占優(yōu)勢，隨著擴(kuò)散運(yùn)動的不斷進(jìn)行，界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場不斷增強(qiáng)，于是漂移運(yùn)動隨之增強(qiáng)，而擴(kuò)散運(yùn)動相對減弱。最后，因濃度差而產(chǎn)生的擴(kuò)散力被電場力所抵消，使擴(kuò)散和漂移運(yùn)動達(dá)到動態(tài)平衡。這時，雖然擴(kuò)散和漂移仍在不斷進(jìn)行，但通過界面的凈載流子數(shù)為零。平衡時，空間電荷區(qū)的寬度一定，UB也保持一定，如圖1–7(b)所示。

由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)(層)。又因?yàn)榭臻g電荷區(qū)的內(nèi)電場對擴(kuò)散有阻擋作用，好像壁壘一樣，所以又稱它為阻擋區(qū)或勢壘區(qū)。第十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-11

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PN結(jié)

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PN結(jié)的形成前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁實(shí)際中，如果P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對界面對稱，稱為對稱結(jié)，見圖1–7(b)。如果一邊摻雜濃度大(重?fù)诫s)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則稱為不對稱結(jié)，用P+N或PN+表示(+號表示重?fù)诫s區(qū))。這時耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊，如圖1－8(a)，(b)所示。

PN+---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)

圖1–8不對稱的PN結(jié)(b)P+N---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)(a)第十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-12

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PN結(jié)

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正反向偏置的PN結(jié)的導(dǎo)電特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置(簡稱正偏)，如圖1-9所示。+內(nèi)電場UUB－U＋－RE圖1–9正向偏置的PN結(jié)

PN---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡稱反偏)，如圖1-10所示。內(nèi)電場UUB＋U－＋RE圖1–10反向偏置的PN結(jié)

PN---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)第十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-13

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PN結(jié)

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PN結(jié)電流的解析描述前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁理論分析證明，流過PN結(jié)的電流i與外加電壓u之間的關(guān)系為i=IS(e

qu/kT-1)=IS(eu/UT-1)

(1–4)式中，

IS為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)；UT=kT/q，稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在T=300K(室溫)時，

UT=26mV。這是一個今后常用的參數(shù)。第十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-14

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PN結(jié)

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PN結(jié)電流的解析描述前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁由式(1–4)可知，加正向電壓時，u只要大于UT幾倍以上，i≈Iseu/UT，即i隨u呈指數(shù)規(guī)律變化；加反向電壓時，|u|只要大于UT幾倍以上，則i≈–IS(負(fù)號表示與正向參考電流方向相反)。因此，式(1–4)的結(jié)果與上述的結(jié)論完全一致。由式(1–4)可畫出PN結(jié)的伏安特性曲線，如圖1–11所示。圖中還畫出了反向電壓大到一定值時，反向電流突然增大的情況。

ui0TT－UBR圖1–11PN結(jié)的伏安特性

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PN結(jié)

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PN結(jié)的擊穿特性、電容特性和溫度特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁

一、PN結(jié)的擊穿特性

由圖1–11看出，當(dāng)反向電壓超過UBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義UBR為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。

1雪崩擊穿

在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子，會與中性原子的價電子相碰撞，將其撞出共價鍵，產(chǎn)生電子、空穴對。新產(chǎn)生的電子、空穴被強(qiáng)電場加速后，又會撞出新的電子、空穴對。

2齊納擊穿

在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場。當(dāng)反向電壓大到一定值時，強(qiáng)電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸?。一般來說，對硅材料的PN結(jié)，UBR>7V時為雪崩擊穿；

UBR<5V時為齊納擊穿；

UBR介于5~7V時，兩種擊穿都有。

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PN結(jié)

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PN結(jié)的擊穿特性、電容特性和溫度特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁二、PN結(jié)的電容特性

PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢壘電容和擴(kuò)散電容兩部分組成。

1勢壘電容

從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)看，在導(dǎo)電性能較好的P區(qū)和N區(qū)之間，夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似。當(dāng)外加電壓增大時，多子被推向耗盡區(qū)，使正、負(fù)離子減少，相當(dāng)于存貯的電荷量減少；當(dāng)外加電壓減小時，多子被推離耗盡區(qū)，使正、負(fù)離子增多，相當(dāng)于存貯的電荷量增加。

因此，耗盡區(qū)中存貯的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應(yīng)，并稱為勢壘電容，用CT表示。經(jīng)推導(dǎo)，CT可表示為

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PN結(jié)

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PN結(jié)的擊穿特性、電容特性和溫度特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁(1–5)

式中：CT0為外加電壓u=0時的CT值，它由PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等決定；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關(guān)，一般在1/3~6之間。

2擴(kuò)散電容

正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴(kuò)散，會形成一種特殊形式的電容效應(yīng)。下面利用圖1-12中P區(qū)一側(cè)載流子的濃度分布曲線來說明。

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PN結(jié)

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PN結(jié)的擊穿特性、電容特性和溫度特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁

同理，在N區(qū)一側(cè)，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的增加量ΔQp。這種外加電壓改變引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應(yīng)，稱為擴(kuò)散電容，用CD表示。

如果引起ΔQn,Δ

Qp的電壓變化量為Δu，則(1–6)對PN+結(jié)，可以忽略ΔQp/Δu項(xiàng)。經(jīng)理論分析可得第十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-19

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PN結(jié)

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PN結(jié)的擊穿特性、電容特性和溫度特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁

式中：τn為P區(qū)非平衡電子的平均命；I為PN結(jié)電流，由式(1–4)確定。

由式(1–5)、(1–6)可知，CT、CD都隨外加電壓的變化而變化，所以勢壘電容和擴(kuò)散電容都是非線性電容。

由于CT和CD均等效地并接在PN結(jié)上，因而，PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=CT+CD

。正偏時以CD為主，

Cj

≈

CD

，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時以CT為主，

Cj

≈

CT,其值通常為幾至幾十pF。因?yàn)镃T和CD并不大，所以在高頻工作時，才考慮它們的影響。第十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-20

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PN結(jié)

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三、

PN結(jié)的溫度特性

PN結(jié)特性對溫度變化很敏感，反映在伏安特性上即為：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，如圖1–11中虛線所示。具體變化規(guī)律是：保持正向電流不變時，溫度每升高1℃，結(jié)電壓減小約2~2.5mV，即

Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃(1–7)

溫度每升高10℃，反向飽和電流IS增大一倍。如果溫度為T1時，

IS=IS1；溫度為T2時，

IS=IS2，則

(1–8)

當(dāng)溫度升高到一定程度時，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度有可能超過摻雜濃度，使雜質(zhì)半導(dǎo)體變得與本征半導(dǎo)體一樣，這時PN結(jié)就不存在了。因此，為了保證PN結(jié)正常工作，它的最高工作溫度有一個限制，對硅材料約為(150~200)℃，對鍺材料約為(75~100)℃。

第二十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-21

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1-3晶體二極管前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁晶體二極管是由PN結(jié)加上電極引線和管殼構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號分別如圖1-13(a),(b)所示。符號中，接到P型區(qū)的引線稱為正極(或陽極)，接到N型區(qū)的引線稱為負(fù)極(或陰極)。

利用PN結(jié)的特性，可以制作多種不同功能的晶體二極管，例如普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管等。其中，具有單向?qū)щ娞匦缘钠胀ǘO管應(yīng)用最廣。本節(jié)主要討論普通二極管及其基本應(yīng)用電路。另外，簡要介紹穩(wěn)壓二極管及其穩(wěn)壓電路。

PN正極負(fù)極(a)負(fù)極正極(b)圖1–13晶體二極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號第二十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-22

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1-3晶體二極管

1-3-1二極管的伏安特性前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁普通二極管的典型伏安特性曲線如圖1–14所示。實(shí)際二極管由于引線的接觸電阻、P區(qū)和N區(qū)體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與PN結(jié)的伏安特性略有差異。由圖可以看出，實(shí)際二極管的伏安特性有如下特點(diǎn)：

一、正向特性正向電壓只有超過某一數(shù)值時，才有明顯的正向電流。這一電壓稱為導(dǎo)通電壓或死區(qū)電壓，用UD(on)表示。室溫下，硅管的UD(on)=(0.5~0.6)V，鍺管的UD(on)=(0.1~0.2)V。二、反向特性于表面漏電流影響，二極管的反向電流要比理想PN結(jié)的IS大得多。而且反向電壓加大時，反向電流也略有增大。盡管如此，對于小功率二極管，其反向電流仍很小，硅管一般小于0.1μA，鍺管小于幾十微安。u/V0i/mA102030－5－10－0.50.5圖1–14二極管伏安特性曲線

第二十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-23

頁

1-3晶體二極管

1-3-2二極管的電參數(shù)前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁下面介紹晶體二極管的主要參數(shù)及其意義：一、直流電阻RDRD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即

RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。

RD的幾何意義見圖1–15(a)，即Q(ID,UD)點(diǎn)到原點(diǎn)直線斜率的倒數(shù)。顯然，圖中Q1點(diǎn)處的RD小于Q2點(diǎn)處的RD

。

(1–9)第二十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-24

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1-3晶體二極管

1-3-2二極管的電參數(shù)前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁二、交流電阻rD

rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即(1–10)

rD的幾何意義見圖1–15(b)，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。

rD可以通過對式(1–4)求導(dǎo)得出，即

(1–11)第二十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日

可見rD與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關(guān)。室溫條件下(T=300K):

通過對二極管交、直流電阻的分析可知，由于二極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點(diǎn)處的交、直流電阻不同，同一點(diǎn)處交流和直流電阻也不相同。

(1–12)第一章晶體二極管及其基本電路第1-25

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1-3晶體二極管

1-3-2二極管的電參數(shù)前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁第二十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-26

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1-3-2二極管的電參數(shù)前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁0UDuIDDu(a)iQ1Q20u(b)iQ|i

圖1–15二極管電阻的幾何意義

(a)直流電阻RD；

(b)交流電阻rD第二十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-27

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1-3-2二極管的電參數(shù)前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁三、最大整流電流IF

IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實(shí)際應(yīng)用時，流過二極管的平均電流不能超過此值。四、最大反向工作電壓URM

URM指二極管工作時所允許加的最大反向電壓，超過此值容易發(fā)生反向擊穿。通常取UBR的一半作為URM

。五、反向電流IR

IR指二極管未擊穿時的反向電流。IR越小，單向?qū)щ娦阅茉胶谩R與溫度密切相關(guān)，使用時應(yīng)注意IR的溫度條件。六、最高工作頻率fM

fM是與結(jié)電容有關(guān)的參數(shù)。工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹?/p>

第二十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-28

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1-3-3二極管的電路模型前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁對電子線路進(jìn)行定量分析時，電路中的實(shí)際器件必須用相應(yīng)的電路模型來等效，根據(jù)分析手段及要求的不同，器件模型將有所不同。例如，借助計算機(jī)輔助分析，則允許模型復(fù)雜，以保證分析結(jié)果盡可能精確。而在工程分析中，則力求模型簡單、實(shí)用，以突出電路的功能及主要特性。下面我們將依據(jù)二極管的實(shí)際工作條件，引出工程上便于分析的二極管模型。二極管是一種非線性電阻(導(dǎo))元件，在大信號工作時，其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦裕鴮?dǎo)通后所呈現(xiàn)的非線性往往是次要的。

第二十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-29

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1-3-3二極管的電路模型前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁圖1–16二極管特性的折線近似及電路模型第二十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-30

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1-4二極管電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁二極管的最重要的應(yīng)用是作為“開關(guān)”。由此而引申出來的有整流、限幅及電平選擇等諸多方面的應(yīng)用。在任何應(yīng)用電路中，最核心的問題是如何判斷二極管是處于導(dǎo)通或是截止?fàn)顟B(tài)。如果是導(dǎo)通的，二極管即可視為短路或0.7V(鍺材料為0.3V)，反之，是截止的，即可視為為開路。第三十頁，共四十六頁，2022年，8月28日一、二極管整流電路

把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖1–17(a)所示。若二極管為理想二極管，當(dāng)輸入一正弦波時，由圖可知：正半周時，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開關(guān)閉合)，uo=ui；負(fù)半周時，二極管截止(相當(dāng)開關(guān)打開)，

uo=0。其輸入、輸出波形見圖1–17(b)。整流電路可用于信號檢測，也是直流電源的一個組成部分。

第一章晶體二極管及其基本電路第1-31

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1-4-1二極管整流電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁第三十一頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-32

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1-4-1二極管整流電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁ttuo0ui0(b)Vui＋－uo＋－RL(a)

圖1–17二極管半波整流電路及波形(a)電路；

(b)輸入、輸出波形關(guān)系

第三十二頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-33

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1-4-2二極管限幅電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁二、二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性如圖1–18所示

.ui0UILuoUomaxUominUIH圖1–18限幅電路的傳輸特性第三十三頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-34

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1-4-2二極管限幅電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁

一個簡單的上限幅電路如圖1–19(a)所示。利用圖1–16(c)的二極管模型可知，當(dāng)ui≥E+UD(on)=2.7V時，V導(dǎo)通，uo=2.7V，即將ui的最大電壓限制在2.7V上；當(dāng)ui<2.7V時，V截止，二極管支路開路，

uo=ui

。圖1–19(b)畫出了輸入一5V的正弦波時，該電路的輸出波形?？梢?，上限幅電路將輸入信號中高出2.7V的部分削平了。

tVui＋－uo＋－R(a)E2Vui/V0(b)5-5tuo/V0-52.7圖1–19二極管上限幅電路及波形(a)電路；

(b)輸入、輸出波形關(guān)系第三十四頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-35

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1-4-3二極管電平選擇電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁三、二極管電平選擇電路

從多路輸入信號中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。一種二極管低電平選擇電路如圖1–20(a)所示。設(shè)兩路輸入信號u1,u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能導(dǎo)通，但實(shí)際上若u1<u2

，則V1導(dǎo)通后將把uo限制在低電平u1上，使V2截止。反之，若u2<u1

，則V2導(dǎo)通，使V1截止。只有當(dāng)u1=u2時，

V1,V2才能都導(dǎo)通。

可見，該電路能選出任意時刻兩路信號中的低電平信號。圖1–20(b)畫出了當(dāng)u1,u2為方波時，輸出端選出的低電平波形。如果把高于2.3V的電平當(dāng)作高電平，并作為邏輯1，把低于0.7V的電平當(dāng)作低電平，并作為邏輯0，由圖1–20(b)可知，輸出與輸入之間是邏輯與的關(guān)系。因此，當(dāng)輸入為數(shù)字量時，該電路也稱為與門電路。第三十五頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-36

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1-4-3二極管電平選擇電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁V1u1＋－uo(a)V2ERu2ttt(b)uo/V03.7u1/V30u2/V300.7

圖1–20二極管低電平選擇電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關(guān)系第三十六頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-37

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1-4-4穩(wěn)壓二極管電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。一、穩(wěn)壓二極管的特性

穩(wěn)壓二極管的電路符號及伏安特性曲線如圖1–21所示。由圖可見，它的正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時(IZmin<I<IZmax)，其兩端電壓幾乎不變。這表明，穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，能通過調(diào)整自身電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管擊穿后，電流急劇增大，使管耗相應(yīng)增大。因此必須對擊穿后的電流加以限制，以保證穩(wěn)壓二極管的安全。

(a)ui0IZminIZmaxUZ(b)圖1-21穩(wěn)壓二極管及其特性曲線(a)電路符號；(b)伏安特性曲線第三十七頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-38

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1-4-4穩(wěn)壓二極管電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ

UZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。由于制作工藝的原因，即使同型號的穩(wěn)壓二極管，

UZ的分散性也較大。使用時可通過測量確定其準(zhǔn)確值。2.額定功耗PZ

PZ是由管子結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。

PZ與PN結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時不允許超過此值。

第三十八頁，共四十六頁，2022年，8月28日3.穩(wěn)壓電流IZ

IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時的參考電流。工作電流小于此值時，穩(wěn)壓效果差，大于此值時，穩(wěn)壓效果好。穩(wěn)定電流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作電流不允許超過此值，否則會燒壞管子。另外，工作電流也有最小值IZmax的限制，小于此值時，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。4.動態(tài)電阻rZ

rZ是穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。

rZ隨工作電流增大而減小。

rZ的數(shù)值一般為幾歐姆到幾十歐姆。5.溫度系數(shù)α

α是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù)，用單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量表示。通常，

UZ<5V時具有負(fù)溫度系數(shù)(因齊納擊穿具有負(fù)溫系數(shù))；UZ>7V時具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù))；而UZ在5V到7V之間時，溫度系數(shù)可達(dá)最小。

第一章晶體二極管及其基本電路第1-39

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1-4-4穩(wěn)壓二極管電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁第三十九頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-40

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1-4-4穩(wěn)壓二極管電路前一頁本章結(jié)構(gòu)下一頁三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路如圖1–22所示。圖中Ui為有波動的輸入電壓，并滿足Ui>UZ。R為限流電阻，RL為負(fù)載。

VZUi＋－Uo＋－RRLILIZ圖1–22穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

第四十頁，共四十六頁，2022年，8月28日第一章晶體二極管及其基本電路第1-41

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下面來說明限流電阻R的選擇方法。由圖1–21可知，當(dāng)Ui,RL變化時，IZ應(yīng)始終滿足Izmin<IZ<IZmax。設(shè)Ui的最小值為Uimin，最大值為Uimax；RL最小時IL的最大值為UZ/RLmin,RL最大時IL的最小值為UZ/RLmin

。由圖1–22可知，當(dāng)Ui=Uimin,RL=RLmin時，IZ最小。這時應(yīng)滿足

即

由式(1–13)、(1–14)，可得限流電阻的取值范圍是即

當(dāng)Ui=Uimax,RL=RLmax時，IZ最大。這時應(yīng)滿足(1–1