半导体二极管南京理工大学模电.pptx

南京理工大学（南京理工大学 电光学院）电光学院）主讲：黄主讲：黄 琳琳办公室：基础实验楼办公室：基础实验楼210/211电电 话话:84315441E-mail:1.本课程的性质本课程的性质 是一门技术基础课是一门技术基础课2.研究内容研究内容工程性质、工程性质、实践性很强实践性很强模拟电子电路模拟电子电路处理模拟信号的电子电路称为处理模拟信号的电子电路称为模拟电路模拟电路什么是模拟信号？什么是模拟信号？导 言模拟信号模拟信号举例：举例：注：声音信号、速度信号、温度信号等都是模拟信号注：声音信号、速度信号、温度信号等都是模拟信号.模拟信号：时间连续、数值连续的信模拟信号：时间连续、数值连续的信号号tu0ut0tu0u0t数字电路数字电路：处理数字信号的电子电路处理数字信号的电子电路数字信号数字信号：一种离散的信号（包括时间离散和：一种离散的信号（包括时间离散和幅值离散两种情况）幅值离散两种情况）电子信息系统电子信息系统D/AD/A转换转换提取出的信号：弱信号、噪声大、易受干扰。提取出的信号：弱信号、噪声大、易受干扰。传感器、传感器、接收器接收器预处理：隔离、滤波、阻抗变换、放大。预处理：隔离、滤波、阻抗变换、放大。加加 工：运算、转换、比较等。工：运算、转换、比较等。驱动与执行：功率放大、阻抗匹配、负载驱动。驱动与执行：功率放大、阻抗匹配、负载驱动。模拟电路模拟电路数字电路数字电路信号信号提取提取信号的信号的预处理预处理信号的信号的加工加工信号的驱信号的驱动与执行动与执行A/DA/D转换转换计算机或计算机或其它数字其它数字处理系统处理系统2.研究内容研究内容 电子元器件的工作原理（二极管、三极管和集成运放）电子元器件的工作原理（二极管、三极管和集成运放）基本单元电路放大器的构成原理及互联基本单元电路放大器的构成原理及互联 电子电路的分析方法电子电路的分析方法 以器件为基础、以以器件为基础、以“放大放大”为主线，以传递为主线，以传递“模拟信号模拟信号”为目的，为目的，研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。研究各种模拟电子电路的工作原理、特点及性能指标等。3.教学目标教学目标 能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单能够对一般性的、常用的电子电路进行分析，同时对较简单的单元电路进行设计。元电路进行设计。4.学习方法学习方法 重点掌握基本概念、基本电路的结构、基本分析方法，在此基础重点掌握基本概念、基本电路的结构、基本分析方法，在此基础上拓展知识面，拓宽思路。上拓展知识面，拓宽思路。抓住抓住“模电模电”的几个特点，可以事半功倍：的几个特点，可以事半功倍：5.教材及参考书教材及参考书教材：华成英、童诗白主编，教材：华成英、童诗白主编，模拟电子技术基础模拟电子技术基础（第四版）（第四版），高等教育出版社高等教育出版社 参考书：康华光主编，参考书：康华光主编，电子技术基础电子技术基础（模拟部分）（模拟部分）（第四版）（第四版），高等教育出版社高等教育出版社 线性要求和非线性器件的矛盾（概念、分析方法）线性要求和非线性器件的矛盾（概念、分析方法）器件少、电路多（找出各电路之间的规律，可举一反三）器件少、电路多（找出各电路之间的规律，可举一反三）工程估算工程估算 分立是基础、集成是应用分立是基础、集成是应用4 4 集成运算放大电路集成运算放大电路 2 2 基本放大电路基本放大电路1 1 常用半导体器件常用半导体器件3 3 多级放大电路多级放大电路5 5 放大电路的频率响应放大电路的频率响应6 6 放大电路中的反馈放大电路中的反馈7 7 信号的运算和处理信号的运算和处理8 8 波形的发生和信号的转换波形的发生和信号的转换9 9 功率放大电路功率放大电路 10 10 直流电源直流电源 课程教学内容简介课程教学内容简介*认真听讲，有问题及时提出认真听讲，有问题及时提出*按时按时独立独立完成作业，答题须有完成作业，答题须有解题步骤解题步骤，一周交，一周交一次作业（每周二交）一次作业（每周二交）*认真做好试验，认真做好试验，充分利用实验来消化、理解课程充分利用实验来消化、理解课程的理论内容的理论内容 要求要求：课时安排：课时安排：总课时：总课时：64 64 学时学时 其中：其中：理论课：理论课：5656学时学时 实实 验：验：8 8学时学时课程总成绩组成：课程总成绩组成：期末考期末考8585实验成绩实验成绩1515考试方式：闭卷考试方式：闭卷1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 1.3 晶体三极管晶体三极管1.4 1.4 场效应管场效应管1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 PN1.1.3 PN结结 1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体 概论概论 半导体的导电机理半导体的导电机理 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分导体导体、绝绝缘体缘体和和半导体半导体。半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半导体有。典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。一、一、概论概论1、定义：、定义：半导体半导体导电能力介于导体和绝缘体之间的物质导电能力介于导体和绝缘体之间的物质2 2、半导体的特殊性质、半导体的特殊性质热敏性热敏性:半导体受热时，其导电能力增强。半导体受热时，其导电能力增强。光敏性光敏性:半导体光照时，其导电能力增强。半导体光照时，其导电能力增强。掺杂性掺杂性:在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）（可增加几十万至几百万倍）制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。二、半导体的导电机理二、半导体的导电机理本征半导体本征半导体化学成分纯净的、具有单晶体化学成分纯净的、具有单晶体结构的半导体。结构的半导体。惯性核惯性核 原子由带正电荷的原子由带正电荷的原子核原子核和分层围绕原子核运动的和分层围绕原子核运动的电子电子组成。其中处于最外层的电子称为组成。其中处于最外层的电子称为价电子价电子，它受原子，它受原子核的束缚力最小。核的束缚力最小。价电子数价电子数决定了物质的化学性质。决定了物质的化学性质。半导体的导电性质也与半导体的导电性质也与价电子数价电子数有关。有关。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素，在在原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子为为价价电电子子。它它们们分分别别与与周周围围的的四四个个原原子子的的价价电电子子形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有，并并为为它它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图如图所示。这种结构的立体和平面示意图如图所示。(c)(a)硅晶体的空间排列硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当当本本征征半半导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K0K和和没没有有外外界界影影响响时时，它它的的价价电电子子束束缚缚在在共共价价键键中中，不不存存在在自自由由运运动动的的电电子子，此此时时它它是是良良好好的的绝绝缘缘体体。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自由电子自由电子。自由电子产生的同时在其原来的共价键中就出现自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为个空位为空穴空穴。（动画1-1）这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。自自由由电电子子的的定定向向运运动动形形成成了了电电子子电电流流，空空穴穴的的定定向向运运动动形形成成空空穴穴电电流流，它它们们的的方方向向相相反反。只只不不过过空空穴穴的的运运动动是是靠靠相相邻邻共共价价键键中中的的价价电电子子依依次次充充填填空空穴来实现的。穴来实现的。（动画1-2）空穴的移动 空穴的运动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。空穴来实现的。为了区别于为了区别于自由电子自由电子的运动，就把的运动，就把价价电子电子的运动虚拟为空穴运动，且运动方向相反。的运动虚拟为空穴运动，且运动方向相反。从这从这个意义上来说，可将空穴看成一个带正电的粒子。个意义上来说，可将空穴看成一个带正电的粒子。本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子负电荷载流子负电荷载流子正电荷载流子正电荷载流子自由电子的定向运动形成自由电子的定向运动形成电子电流电子电流空穴的定向运动形成空穴的定向运动形成空穴电流空穴电流皆为载流子，所带电量相等皆为载流子，所带电量相等电荷极性相反电荷极性相反相同点：相同点：不同点：不同点：自由电子：自由电子：空空 穴：穴：运载电荷的粒子称为载流子运载电荷的粒子称为载流子载流子的浓度载流子的浓度n载流子复合载流子复合：自由电子与自由电子与空穴在热运动中相遇，使空穴在热运动中相遇，使两者同时消失的现象。两者同时消失的现象。n载流子的动态平衡载流子的动态平衡：在一定温度下，单位在一定温度下，单位时间内本征激发所时间内本征激发所产生的自由电子产生的自由电子-空穴对空穴对的数目与复合而的数目与复合而消失的自由电子消失的自由电子-空穴对空穴对的的数目相等数目相等，就达到了载流子的，就达到了载流子的动态平衡动态平衡状状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。态，使本征半导体中载流子的浓度一定。载流子的浓度载流子的浓度当温度一定时，激发和复合会达到动态平衡。当温度一定时，激发和复合会达到动态平衡。这时，载流子的浓度可用公式表示为：这时，载流子的浓度可用公式表示为：可见本征载流子浓度和可见本征载流子浓度和温度温度温度温度有关，温度升高，本征载有关，温度升高，本征载流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导流子浓度就增加，当温度一定时，对固定的一块半导体材料，本征载流子浓度是一定的。体材料，本征载流子浓度是一定的。T T为热力学温度为热力学温度,k,k为玻尔兹曼常数，为玻尔兹曼常数，E EG0G0为热力学零度时破坏共价为热力学零度时破坏共价键所需的能量，键所需的能量，K K1 1为与半导体材料载流子有效质量、有效能级密为与半导体材料载流子有效质量、有效能级密度有关的常量度有关的常量 （1）空穴与电子）空穴与电子成对成对出现。出现。（2）自由电子在）自由电子在晶格中晶格中运动，空穴在运动，空穴在共价键内共价键内运动。运动。（4）温度升高时，载流子浓度增大，导电能力增强，）温度升高时，载流子浓度增大，导电能力增强，因此，本征半导体可以制成因此，本征半导体可以制成热敏元件热敏元件和和光敏元件光敏元件。本征激发小结：本征激发小结：（3）温度一定时，激发和复合达到）温度一定时，激发和复合达到动态平衡动态平衡。1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体 P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。一一、N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成形成 N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由本征激发形成。由本征激发形成。提供自由电子的五价杂质提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为原子因带正电荷而成为正正离子离子，因此五价杂质原子，因此五价杂质原子也称为也称为施主杂质施主杂质。(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了铟等形成了P型半导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子电子是少数载流子，由本征激发形成。由本征激发形成。空穴很容易俘获电子，使空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为杂质原子成为负离子负离子。三。三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂受主杂质质。P型半导体的结构示意图本征半导体中掺入微量杂质元素构成本征半导体中掺入微量杂质元素构成杂质半导体杂质半导体。综综 上：上：在常温下，杂质原子均已电离，载流子浓度就大大增加，在常温下，杂质原子均已电离，载流子浓度就大大增加，使半导体的使半导体的导电能力导电能力大大提高。大大提高。掺杂掺杂是提高半导体导电能力的有效方法。是提高半导体导电能力的有效方法。多数载流子的浓度主要取决于掺入的多数载流子的浓度主要取决于掺入的杂质浓度杂质浓度；而少数载流子的浓度主要取决于而少数载流子的浓度主要取决于温度温度。在杂质半导体中：在杂质半导体中：2、两种浓度不等的载流子两种浓度不等的载流子：多子多子由掺杂形成（主要取决于掺入的杂质浓度）由掺杂形成（主要取决于掺入的杂质浓度）少子少子由热激发形成（主要取决于温度）由热激发形成（主要取决于温度）N型半导体中型半导体中，多子为自由电子，少子为空穴；，多子为自由电子，少子为空穴；3、微量掺杂就可形成大量的多子。故杂质半导体导电率、微量掺杂就可形成大量的多子。故杂质半导体导电率高高。4、杂质半导体呈电中性。、杂质半导体呈电中性。在在N型半导体中，型半导体中，自由电子数（掺杂自由电子数（掺杂+热激发）热激发）=空穴数（热激发）空穴数（热激发）+正离子数正离子数在在P型半导体中，型半导体中，空穴数（掺杂空穴数（掺杂+热激发）热激发）=自由电子数（热激发）自由电子数（热激发）+负离子数负离子数杂质半导体小结：杂质半导体小结：1、两种杂质半导体：两种杂质半导体：N型型本征硅或锗掺微量五价杂质元素本征硅或锗掺微量五价杂质元素 P型型本征硅或锗掺微量三价杂质元素本征硅或锗掺微量三价杂质元素P型半导体中型半导体中，多子为空穴，少子为自由电子。，多子为空穴，少子为自由电子。PN结的形成PN结的单向导电性1.1.3 PN1.1.3 PN结结PN结的伏安特性及其表达式PN结的击穿特性及电容效应1 1、PNPN结的形成结的形成PN结的形成过程结的形成过程（动画1-3）在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体型半导体和和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差（电子和空穴）因浓度差（电子和空穴）多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散在出现了空间电荷区后，在出现了空间电荷区后，由于正负电荷间的相互作用，由于正负电荷间的相互作用，在空间电荷区中形成了一个电场，称为在空间电荷区中形成了一个电场，称为内电场内电场，其方向是，其方向是从带正电的从带正电的N区指向带负电的区指向带负电的P区。区。最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于。对于P型半导体和型半导体和N型型半导体结合面，半导体结合面，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。空间电。空间电荷区也称荷区也称耗尽层耗尽层。PN结的形成过程扩散运动扩散运动：由浓度高到浓度低：由浓度高到浓度低（多子的运动）（多子的运动）漂移运动漂移运动：载流子在电场作用下的定向运动（少子：载流子在电场作用下的定向运动（少子的运动）的运动）PN结结：稳定后的空间电荷区：稳定后的空间电荷区2 2、PNPN结的单向导电性结的单向导电性PN结加正向电压时的导电情况（动画1-4）a、PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部外加的正向电压有一部分降落在分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相反削弱了结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场。于是,内电场对多子内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流漂移电流，可忽略漂移电流的影响，的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。（动画1-4）PN结加正向电压结加正向电压时的导电情况时的导电情况外电场削弱了内电场外电场削弱了内电场 PN结结 多子的扩散运动加强多子的扩散运动加强 PN结导通结导通当外加正向电压时：当外加正向电压时：b、PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压时的导电情况 （动画1-5）外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内结内 电场方向相同，加强电场方向相同，加强 了内电场，内电场对了内电场，内电场对 多子扩散运动的阻碍多子扩散运动的阻碍 增强，扩散电流大大增强，扩散电流大大减小。此时减小。此时PN结区的结区的少子在内电场的作用少子在内电场的作用 下形成的漂移电流大下形成的漂移电流大 于扩散电流，可忽略于扩散电流，可忽略 扩散电流，扩散电流，PN结呈现结呈现 高阻性高阻性PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况当外加反向电压时：当外加反向电压时：外电场加强了内电场外电场加强了内电场 PN结结 少子的漂移运动进行少子的漂移运动进行 PN结截止结截止 （动画（动画1-5）在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 （动画（动画1-5）PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流，大的正向扩散电流，PN处于导通状态；处于导通状态；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很结加反向电压时，呈现高电阻具有很小的反向漂移电流，小的反向漂移电流，PN处于截止状态。处于截止状态。结结结结 论：论：论：论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。3、PN结的伏安特性及其表达式结的伏安特性及其表达式 根据半导体物理的原理，从理论上可分析得到根据半导体物理的原理，从理论上可分析得到PNPN结的结的伏安特性表达式：伏安特性表达式：式中式中IS 在数值上等于反向饱和电流，在数值上等于反向饱和电流，U为为PN结结所加端电压，所加端电压，UT=kT/q 称为温度电压当量，称为温度电压当量，k为玻耳为玻耳兹曼常数，兹曼常数，q 为电子电荷量，为电子电荷量，T 为热力学温度。对于为热力学温度。对于室温（相当室温相当T=300 K），则有），则有UT=26 mV。PN结的伏安特性结的伏安特性4、PN结的击穿特性及电容效应结的击穿特性及电容效应 当当PN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时，反向电加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象流突然快速增加，此现象称为称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。(1)PN结的反向击穿结的反向击穿反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(掺杂浓度高，掺杂浓度高，击穿电压击穿电压 6 V，正正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。势垒电容示意图势垒电容示意图电容是电荷在两个极板间的积累效应。电容是电荷在两个极板间的积累效应。外加电压变化外加电压变化势垒层宽度变化势垒层宽度变化积累在势垒层的电荷变化积累在势垒层的电荷变化势垒电容势垒电容Cb：当外加电压使：当外加电压使PN结上压降发生变化时，离结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。荷量也随之变化，犹如电容的充放电。正偏和反偏时都有正偏和反偏时都有C Cb b。(2)PN结的电容效应结的电容效应扩散电容示意图扩散电容示意图扩散电容扩散电容Cd：扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结结的另一侧面积累而形成的。的另一侧面积累而形成的。载流子向对方区域的扩载流子向对方区域的扩散，必须有浓度差，即散，必须有浓度差，即P(N)区区有电荷的积累。有电荷的积累。外加电压变化外加电压变化P(N)区浓度差变化区浓度差变化正偏时才存在正偏时才存在Cd。正。正向电流越大，向电流越大，Cd越大越大C Cj j=C=Cb b+C+Cd d1.2 半导体二极管1.2.1 半导体二极管的几种常见结构1.2.2 二极管的伏安特性1.2.3 二极管的主要参数1.2.4 二极管电路分析1.2.5 稳压二极管12.6 其它类型二极管1.2.1 1.2.1 半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构 在在PN结上加上引线和封结上加上引线和封装，就成为一个二极管。装，就成为一个二极管。1、点接触型二极管、点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图2、面接触型二极管、面接触型二极管 PN结面积大，用于工作结面积大，用于工作频率低，大电流整流电路。频率低，大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型二极管符号：二极管符号：(c)(c)平面型平面型3、平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于大功率整流和开关电路中。于大功率整流和开关电路中。1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。是反向伏安特性曲线。I=f(U)二极管的伏安特性二极管的伏安特性1、正向特性、正向特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Uth=0.5 V左右，左右，锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压Uth=0.2 V左右。左右。当当0UUth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Uth称为死区称为死区电压或开启电压。电压或开启电压。当当U0即处于正向特性区域。即处于正向特性区域。正向区又分为两段：正向区又分为两段：当当UUth时，开始出现正向时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。电流，并按指数规律增长。2、反向特性、反向特性当当U0时，即处于反向特性区域时，即处于反向特性区域反向区也分两个区域：反向区也分两个区域：当当UBRU0时，反向电流很小，且基本不随时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向反向饱和电流饱和电流I IS S 。当当UUBR时，时，反向电流急剧增加，反向电流急剧增加，UBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压 在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；电流也很小；锗二极管锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。圆滑，反向饱和电流较大。反向电流特点：反向电流特点：1、随温度的上升增长、随温度的上升增长很快。很快。2、在反向电压不超过、在反向电压不超过一定范围时，反向电流一定范围时，反向电流的大小基本恒定，而与的大小基本恒定，而与反向电压的高低无关。反向电压的高低无关。二极管长期工二极管长期工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大正向平均极管的最大正向平均电流。电流。1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 半半导导体体二二极极管管的的主主要要参参数数包包括括最最大大整整流流电电流流IF、反反向向击击穿穿电电压压UBR、最最大大反反向向工工作作电电压压UR、反反向向峰峰值值电电流流IR等。等。1、最大整流电流最大整流电流IF2、反向击穿电压反向击穿电压UBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压UR使器件损坏的参数使器件损坏的参数使器件的某个特性消失的参数使器件的某个特性消失的参数主要参数主要参数极限参数极限参数特征参数特征参数二极管长期工二极管长期工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大正向平均极管的最大正向平均电流。电流。1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 半半导导体体二二极极管管的的主主要要参参数数包包括括最最大大整整流流电电流流IF、反反向向击击穿穿电电压压UBR、最最大大反反向向工工作作电电压压UR、反反向向峰峰值值电电流流IR等。等。1、最大整流电流最大整流电流IF2、反向击穿电压反向击穿电压UBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压UR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。保证二极管保证二极管不被击穿而给出的不被击穿而给出的反向峰值电压反向峰值电压使器件损坏的参数使器件损坏的参数使器件的某个特性消失的参数使器件的某个特性消失的参数主要参数主要参数极限参数极限参数特征参数特征参数 3、反向峰值电流反向峰值电流I IR R4、正向压降正向压降UF 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安(A)级。级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8V；锗；锗二极管约二极管约0.20.3V。5、最高工作频率最高工作频率fM fM 值主要取决于值主要取决于PN结结电容的大小。使用时，如果信结结电容的大小。使用时，如果信号频率超过号频率超过fM，二极管的单向导电性将变差，甚至不复，二极管的单向导电性将变差，甚至不复存在。结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。存在。结电容越大，则二极管允许的最高工作频率越低。半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路二极管的应用范围很广。主要都是利用它的二极管的应用范围很广。主要都是利用它的单向导电性单向导电性。它可以用于整流、检波、元件保护及在数字电路中作为它可以用于整流、检波、元件保护及在数字电路中作为开关元件。开关元件。非线性元件的认识非线性元件的认识（1）线性元件回顾）线性元件回顾电阻：元件两端的电压是元件通过的电流的电阻：元件两端的电压是元件通过的电流的线性函数线性函数ivR（3）半导体二极管的）半导体二极管的非线性伏安特性非线性伏安特性（2）线性电阻的伏安特性）线性电阻的伏安特性即是欧姆定律即是欧姆定律数学模型方法数学模型方法图解分析方法图解分析方法模型简化方法折线化或其他简化模型模型简化方法折线化或其他简化模型小信号线性化方法小信号线性化方法（4）含非线性元件的电路一般分析方法）含非线性元件的电路一般分析方法其本质是对非线性元件伏安特性的模型再构建其本质是对非线性元件伏安特性的模型再构建1、二极管二极管U-I 特性的建模特性的建模设有如右图含二设有如右图含二极管的非线性电极管的非线性电路，电路分析要路，电路分析要解出解出iD 和和vD(1)采用数学模采用数学模型方法，需解非型方法，需解非线性方程线性方程由：由：iD=(VDD-uD)/R（2 2）应用图解分析方法）应用图解分析方法uD 0 时时 iD=VDD/R iD 0 时时 uD=VDD因为加有正向电压，所以在二极管的因为加有正向电压，所以在二极管的正向伏安特性上作负载线正向伏安特性上作负载线 VDDiuiDuDVDDR则在两线的交叉点则在两线的交叉点上为所求上为所求（3 3）应用简化模型方法）应用简化模型方法 由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路(a)(a)理想二极管理想二极管(b)(b)正向导通时端电压为常量正向导通时端电压为常量(c)(c)正向导通时端电压与电流成线性关系正向导通时端电压与电流成线性关系 得得Q点处的微变电导点处的微变电导常温下（常温下（T=300K）小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电特性可以等效成一个微变电阻。阻。二极管的微变等效电路图二极管的微变等效电路图2、二极管电路分析二极管电路分析例题例题1：已知：已知：求求：的波形的波形解：求解这类电路的思路是确定二极管解：求解这类电路的思路是确定二极管D在信号作用下所在信号作用下所 处的状态。处的状态。只有当只有当时，时，D导通导通否则，否则，D截止，截止，二极管削波（限幅）作用二极管削波（限幅）作用解：分析此电路的关键是判断二极管是否导通。解：分析此电路的关键是判断二极管是否导通。判断的方法是将二极管拿开，通过比较两个二极管判断的方法是将二极管拿开，通过比较两个二极管的正向开路电压的正向开路电压 的大小来判断二极管是否导通，正的大小来判断二极管是否导通，正向开路电压大的二极向开路电压大的二极 管抢先导通。管抢先导通。例题例题2：如图所示电路，输入端：如图所示电路，输入端A的电位的电位B的电位的电位，求输出端，求输出端F的电位的电位电阻电阻R接负电压接负电压-12V。由此，二极管由此，二极管A优先导优先导通。通。如果二极管的正向如果二极管的正向压降是压降是0.3V，则，则F端的端的电压为电压为2.7V。当二级管当二级管A导通后，二导通后，二极管极管B上加的是反向电上加的是反向电压，因而截止。压，因而截止。在这里，二极管在这里，二极管A起起钳位钳位作用。作用。它将它将F端的电压钳在端的电压钳在2.7V；二极管；二极管B起起隔离隔离作用，作用，把输入端把输入端B和输出端和输出端F隔离开来。隔离开来。例例3 试求电路中电流：试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压和输出电压 UO 的值的值(二极管采用恒压源模型二极管采用恒压源模型)。解：解：假设二极管断开假设二极管断开UP=15 VUP UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 UO=VDD1 UD(on)=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3 =4.8(mA)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1 =2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)3 3、二极管的应用、二极管的应用（1 1）单相半波整流电路）单相半波整流电路电路结构及工作原理电路结构及工作原理正的半个周期：二极管导通正的半个周期：二极管导通负的半个周期：二极管截止负的半个周期：二极管截止正的半个周期：二极管导通正的半个周期：二极管导通负的半个周期：二极管截止负的半个周期：二极管截止交流电压交流电压单向脉动电压单向脉动电压（2 2）单相桥式整流电路）单相桥式整流电路电路结构及工作原理电路结构及工作原理 当正半周时二极管当正半周时二极管D1、D3导通，导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。在负载电阻上得到正弦波的正半周。在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。向的单向脉动电压。当负半周时二极管当负半周时二极管D2、D4导通，导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。在负载电阻上得到正弦波的负半周。作业:P69:1.3、1.4硅稳压管及其伏安特性稳压管的主要参数1.2.5 1.2.5 稳压二极管稳压二极管硅稳压管稳压电路1、硅稳压管及其伏安特性 稳压管是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导稳压管是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。它是应用在反向击穿区的特殊的硅二极体二极管。它是应用在反向击穿区的特殊的硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。向区、符号和典型应用电路如图所示。图见下页稳压管的伏安特性和等效电路稳压管的伏安特性和等效电路(a)(a)伏安特性伏安特性(b)(b)符号和等效电路符号和等效电路 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。压二极管的参数。(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工在规定的稳压管反向工作电流作电流IZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。rZ=UZ/IZrZ愈小，反映稳压管的击穿特愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。性愈陡。2、稳压管的主要参数、稳压管的主要参数(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗取决于稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等结的面积和散热等条件。反向工作时条件。反向工作时PN结的功率损耗为结的功率损耗为 PZ=UZ IZ，由，由 PZM和和UZ可以决定可以决定IZmax。(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流IZmin 稳压管的最大稳定工作电稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而。而Izmin对应对应UZmin。若若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。3 3、硅稳压管稳压电路、硅稳压管稳压电路（1 1）电路结构）电路结构UIUO+UR 它它是是利利用用稳稳压压管管的的反反向向击击穿穿特特性性稳稳压压的的，由由于于反反向向特特性性陡陡直直，较较大大的的电电流流变变化化，只只会会引引起起较较小小的的电电压变化。压变化。（2 2）工作原理工作原理当输入电压变化时如何稳压当输入电压变化时如何稳压 输输入入电电压压VI的的增增加加，必必然然引引起起UO的的增增加加，即即UZ增增加加，从从而而使使IZ增增加加，IR增增加，使加，使UR增加，从而使输出电压增加，从而使输出电压UO减小。这一稳压过程可概括如下：减小。这一稳压过程可概括如下：UIUO+URUIUOUZIZIRURUO 这里这里UO减小应理解为，由于输入电压减小应理解为，由于输