電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管及其基本電路

電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管及其基本電路課件第一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

教學內(nèi)容：本章首先簡單介紹半導體的基本知識，著重討論半導體器件的核心環(huán)節(jié)--PN結(jié)，并重點討論半導體二極管的物理結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)以及二極管基本電路及其分析方法與應用；在此基礎(chǔ)上對齊納二極管、變?nèi)荻O管和光電子器件的特性與應用也給予了簡要的介紹。2第二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

教學要求：本章需要重點掌握二極管模型及其電路分析，特別要注意器件模型的使用范圍和條件。對于半導體器件，主要著眼于在電路中的使用，關(guān)于器件內(nèi)部的物理過程只要求有一定的了解。3第三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.1半導體的基本知識2.1.1半導體材料2.1.2半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)2.1.3本征半導體2.1.4雜質(zhì)半導體半導體:導電特性介于導體和絕緣體之間典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導電的重要特點1、其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導電能力4第四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.1.2半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)簡化模型—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。2.1.3本征半導體在T=0K和無外界激發(fā)時，沒有載流子，不導電兩個價電子的共價鍵正離子核5第五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

2.1.3本征半導體、空穴及其導電作用溫度光照自由電子空穴本征激發(fā)空穴

——共價鍵中的空位空穴的移動——空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對。溫度

載流子濃度＋6第六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一*半導體導電特點1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響

溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑7第七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.1.4雜質(zhì)半導體N型半導體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）P型半導體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發(fā)形成它主要由雜質(zhì)原子提供空間電荷第八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

摻入雜質(zhì)對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對半導體導電性的影響9第九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一本征半導體、本征激發(fā)本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子空穴N型半導體、施主雜質(zhì)(5價)P型半導體、受主雜質(zhì)(3價)多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導體復合*半導體導電特點1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導電能力↑*半導體導電特點2：摻雜可以顯著提高導電能力10第十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.2PN結(jié)的形成及特性

2.2.1PN結(jié)的形成

2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

*

2.2.3PN結(jié)的反向擊穿

2.2.4PN結(jié)的電容效應11第十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.2.1PN結(jié)的形成1.濃度差多子的擴散運動2.擴散空間電荷區(qū)內(nèi)電場3.內(nèi)電場少子的漂移運動

阻止多子的擴散4、擴散與漂移達到動態(tài)平衡載流子的運動：擴散運動——濃度差產(chǎn)生的載流子移動漂移運動——在電場作用下，載流子的移動P區(qū)N區(qū)擴散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步(動畫)內(nèi)電場12第十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一PN結(jié)形成的物理過程：因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)對于P型半導體和N型半導體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。擴散>漂移否是寬13第十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才…擴散與漂移的動態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏擴散>漂移大的正向擴散電流（多子）低電阻正向?qū)ㄆ?gt;擴散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止14第十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)特性描述2、PN結(jié)方程PN結(jié)的伏安特性陡峭電阻小正向?qū)?、PN結(jié)的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的非線性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：15第十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.2.3PN結(jié)的反向擊穿當PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆16第十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.2.4PN結(jié)的電容效應

(1)勢壘電容CB勢壘電容示意圖擴散電容示意圖(2)擴散電容CD17第十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.3半導體二極管2.3.1半導體二極管的結(jié)構(gòu)2.3.2二極管的伏安特性2.3.3二極管的參數(shù)PN結(jié)加上引線和封裝二極管按結(jié)構(gòu)分類點接觸型面接觸型平面型18第十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一半導體二極管圖片點接觸型面接觸型平面型19第十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一半導體二極管圖片20第二十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一21第二十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一22第二十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.3.2二極管的伏安特性3.PN結(jié)方程（近似）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A23第二十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.3.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性24第二十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.4二極管基本電路及其分析方法2.4.1二極管V-I特性的建模2.4.2模型分析法應用舉例

4、應用電路分析舉例2、二極管狀態(tài)判斷1、二極管電路的分析概述

3、等效電路（模型）分析法講課思路：25第二十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一1、二極管電路的分析概述應用電路舉例例2.4.2（習題2.4.12）習題2.4.5整流 限幅習題2.4.6初步分析——依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦訢導通：vO=vI-vDD截止：vO=0D導通：vO=vDD截止：vO=vI左圖中圖顯然，vO與

vI的關(guān)系由D的狀態(tài)決定而且，D處于反向截止時最簡單！26第二十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

分析思路分析任務：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號vI傳遞到vO，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。首先，判斷D的狀態(tài)？若D反向截止，則相當于開路（iD

0，ROFF∞）；若D正向?qū)?，則？正向?qū)ǚ治龇椒ǎ簣D解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態(tài)（直流），后動態(tài)（交流）靜態(tài)：vI=0（正弦波過0點）動態(tài)：vI

01、二極管電路的分析概述27第二十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2、二極管狀態(tài)判斷例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD=

？vD=

？二極管狀態(tài)判斷方法假設D截止(開路)，求D兩端開路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向?qū)ǎ?VBR<VD0VD反向截止,ID=0VD-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正向?qū)?？D正向?qū)ǎ?8第二十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一習題2.4.4試判斷圖題2.4.4中二極管導通還是截止，為什么?圖題2.4.4(a)例2:習題2.4.3電路如下圖所示，判斷D的狀態(tài)2、二極管狀態(tài)判斷29第二十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

3、等效電路（模型）分析法（2.4.1二極管V-I特性的建模）

(1)理想模型(3)折線模型(2)恒壓降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）30第三十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

3、等效電路（模型）分析法(4)小信號模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效為:微變電阻根據(jù)得Q點處的微變電導常溫下（T=300K）31第三十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

4、應用電路分析舉例例2.4.1求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時（b）VDD=1V時VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型32第三十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

二極管應用舉例

uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)++--（1）二極管整流電路33第三十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一（2）二極管限幅電路t+-RDE2Vuiuo+-+-(a)05ui

/V-523)(bt02.7uo

/V-5232.734第三十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一D1

鉗位作用D2隔離作用(3)開關(guān)電路D3.4V0.3V1D23.9k-12VABY35第三十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

例2.4.3一二極管開關(guān)電路如圖所示。當V1和V2為0V或5V時，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-0036第三十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

解：(1)當V1=0V,V2=5V時,D1為正向偏置，

V0=0V,此時D2的陰極電位為5V，陽極為0V，處于反向偏置，故D2截止。

(2)以此類推，將V1和V2的其余三種組合及輸出電壓列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V

導通

導通

0V

0V

5V

導通

截止

0V

5V

0V

截止

導通

0V

5V

5V

截止

截止

5V37第三十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

由上表可見，在輸入電壓V1和V2中，只要有一個為0V，則輸出為0V;只有當兩輸入電壓均為5V時，輸出才為5V，這種關(guān)系在數(shù)字電路中稱為“與”邏輯。

注意：即判斷電路中的二極管處于導通狀態(tài)還是截止狀態(tài)，可以先將二極管斷開，然后觀察陰、陽兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導通，否則二極管截止。38第三十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一（4）低電壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源是電子電路中常見的組成部分。利用二極管正向壓降基本恒定的特點，可以構(gòu)成低電壓穩(wěn)壓電路。39第三十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

例：在如圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓V的正常值為10V，R=10k,當V變化±1V時，問相應的硅二極管電壓(輸出電壓)的變化如何？

40第四十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

解：(1)當V的正常值為10V時，利用二極管恒壓降模型有VD≈0.7V，由此可得二極管的電流為

此電流值可證實二極管的管壓降為0.7V的假設。

(2)在此Q點上，41第四十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

(3)按題意，V有±1V的波動，它可視為峰-峰值為2V的交流信號，該信號作用于由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應的二極管的信號電壓可按分壓比來計算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二極管電壓Vd的變化為±2.79mV。42第四十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

4、應用電路分析舉例例2.4.4求vD、iD。VI=

10V，vi=

1Vsint解題步驟:(1)靜態(tài)分析(令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)動態(tài)分析(令VI=0）由小信號模型得43第四十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

分析方法小結(jié)2.4二極管基本電路及其分析方法假設D截止（開路）求D兩端開路電壓VD0.7VD正向?qū)?VBR<VD0.7VD反向截止ID=0(開路)VD-VBRD反向擊穿VD=-VBR(恒壓)VD=0.7V(恒壓降)狀態(tài)等效電路條件將不同狀態(tài)的等效電路（模型）代入原電路中，分析vI和vO

的關(guān)系畫出電壓波形和電壓傳輸特性特殊情況：求vD（波動）小信號模型和疊加原理恒壓降模型44第四十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.5特殊二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管（齊納）2.5.2變?nèi)荻O管2.5.3光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管反向擊穿狀態(tài)反向截止，利用勢壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正向?qū)òl(fā)光必須掌握“齊納二極管”，其它了解。請自學！45第四十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.5.1穩(wěn)壓二極管1.符號及穩(wěn)壓特性(a)符號(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿狀態(tài)（齊納擊穿）。46第四十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——VZ2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)2.5.1穩(wěn)壓二極管47第四十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一2.5.1穩(wěn)壓二極管3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？自動調(diào)整過程：48第四十八頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

例：如圖所示是一個簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓電路。

R為限流電阻，求R上的電壓值VR和電流值。R49第四十九頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一解：假定輸入電壓在（7--10V）內(nèi)變化。R50第五十頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一習題與預習習題2.4.12.4.32.5.4預習3.1半導體BJT51第五十一頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一一、判斷下列說法是否正確，用“√”和“×”表示判斷結(jié)果填入空內(nèi)。（1）在N型半導體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導體。（）（2）因為N型半導體的多子是自由電子，所以它帶負電。（）（3）PN結(jié)在無光照、無外加電壓時，結(jié)電流為零。（）自測題解：（1）√（2）×（3）√

52第五十二頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

1）PN結(jié)加正向電壓時，空間電荷區(qū)將

。

A.變窄B.基本不變C.變寬

2）設二極管的端電壓為U，則二極管的電流方程是

。

A.ISeUB.

C.3）穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在

狀態(tài)。

A.正向?qū)˙.反向截止C.反向擊穿解：（1）A（2）C（3）C

二、選擇正確答案填入空內(nèi)。53第五十三頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一三、寫出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值，設二極管導通電壓UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。圖T1.354第五十四頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一四、已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖T1.4所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

圖T1.455第五十五頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一1.1

選擇合適答案填入空內(nèi)。（1）在本征半導體中加入

元素可形成N型半導體，加入

元素可形成P型半導體。

A.五價B.四價C.三價（2）當溫度升高時，二極管的反向飽和電流將

。

A.增大B.不變C.減小習題解：（1）A，C（2）A

56第五十六頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一1.2能否將1.5V的干電池以正向接法接到二極管兩端？為什么？

解：不能。因為二極管的正向電流與其端電壓成指數(shù)關(guān)系，當端電壓為1.5V時，管子會因電流過大而燒壞。57第五十七頁，共六十一頁，編輯于2023年，星期一

1.