1、第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路模拟电子技术基础1第一章第一章 半导体二极管及基本电路半导体二极管及基本电路1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 PNPN结的形成及特性结的形成及特性1.3 二极管及伏安特性二极管及伏安特性1.5 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法1.6 特殊二极管特殊二极管1.4 二极管的等效模型二极管的等效模型21.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一、本征半导体一、本征半导体1 1、半导体、半导体2 2、本征半导体（纯半导体）、本征半导体（纯半导体）价电子数可决定物价电子数可决定物质化学性质质化学性质（1 1）345共价
2、健共价健 Si Si Si Si Si Si Si Si自由电子自由电子空穴空穴6多余多余电子电子磷原子磷原子 Si Si Si Sip+在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子动画动画7 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴动画动画 杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。89多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 +动画动画又称为又称为耗尽层耗尽层10PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外
3、电场外电场I内电场内电场PN+动画动画+11动画动画+IS 外电场加强内电场，使多子不能扩散，少子的漂移加外电场加强内电场，使多子不能扩散，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。12PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称突然快速增加，此现象称为为PN结的结的反向击穿反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿可逆可逆 电击穿电击穿TST(e1) (26mV)uUiIUPN结的电流方程结的电流方程常温下的电压当量常温
4、下的电压当量UT：IS：PN结反向饱和电流结反向饱和电流133 3、PNPN结的电容效应结的电容效应1.1.势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容等效电容称为势垒电容CB。2. 扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容过程
5、，其等效电容称为扩散电容CD。DBdCCC 结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！度，则失去单向导电性！14金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型阴极阴极阳极阳极D将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两
6、个电极，就构成了二极管。15二极管的种类二极管的种类小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管16晶体二极管的单向导电性晶体二极管的单向导电性 利用二极管的这个特性，可使用二极管进行检波和整流。利用二极管的这个特性，可使用二极管进行检波和整流。单向导电性：单向导电性： 17二极管的电流与其端电压的关系称为二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性伏安特性。()DDif u材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十几十A开启开启电压电压反向饱和反向饱和电流
7、电流击穿击穿电压电压mV)26( )1e (TSDT UIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量18 从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：SDTSDT|eTIiUuIiUuUu ，)1e (TSD UuIi 2. 伏安特性受温度影响伏安特性受温度影响 T()在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流 IS，U(BR) 正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 T()正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移. 1.1.单向导电性单向导电性19FI三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数最大
8、整流电流最大整流电流：最大正向平均电流：最大正向平均电流FIBRV反向击穿电压反向击穿电压:反向最大瞬时电压反向最大瞬时电压RI反向电流反向电流:未击穿时的反向电流未击穿时的反向电流dCBDdCCC 极间电容极间电容:扩散电容和势垒电容之和扩散电容和势垒电容之和Mf最大工作频率最大工作频率：使二极管保持单向导电性能的最高频率：使二极管保持单向导电性能的最高频率201.4 二极管二极管的等效模型的等效模型将二极管的伏安特性折线化，以简化分析计算。将二极管的伏安特性折线化，以简化分析计算。理想理想模型模型导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0折线折线模型模型
9、应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！恒压降恒压降模型模型导通时导通时UDUon+IDrD截止时截止时IS0一、二极管直流等效电路一、二极管直流等效电路最接近实最接近实际模型际模型21二极管在直流（二极管在直流（静态静态）基础上叠加一个交流（）基础上叠加一个交流（动态动态）信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，这个电阻称为信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，这个电阻称为动态电阻，也就是二极管的动态电阻，也就是二极管的微变等效电路微变等效电路。二、二极管小信号等效电路二、二极管小信号等效电路也称也称微变等效电路。微变等效电路。DTDDdIUiur 根据电流方程，根
10、据电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。ui=0，时直流电源作用，时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流静态工作点静态工作点微变等效电路用于二极管电路的交流分析。微变等效电路用于二极管电路的交流分析。交流信号交流信号221.5 1.5 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法一、直流分析一、直流分析 1. 1. 二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k ）（1）VDD=10V 时时定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止23（R=10k ）（2）VDD=10V 时时
11、mA 93. 0/ )(DDDD RVVI恒压降模型恒压降模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5 . 0Uon（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931. 0UDonDDDrRVI k 2 . 0Dr设设V 69. 0UDDonDrIV（R=10k ）（3）VDD=10V 时时rDUon24D6V12V3k BAUAB+二极管开关电路二极管开关电路25例例2:D2124mA3IBD16V12V3k AD2UAB+ 26V sin18itu t 27讨论讨论 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。如何
12、判断二极管工作状态？如何判断二极管工作状态？281. V2V、5V、10V时二极管中时二极管中的直流电流各为多少？的直流电流各为多少？ V 较小时应实测伏安特性，用较小时应实测伏安特性，用图解法求图解法求ID。QIDV5V时，时，mA6 . 8A)5000.75( DD RUVIV=10V时，时，D10()A50mA500VIRuD=V-iDR 二、交流微变等效电路二、交流微变等效电路2. 若输入电压的有效值为若输入电压的有效值为5mV5mV，则上述各种情况下二极管中，则上述各种情况下二极管中 的交流电流各为多少？的交流电流各为多少？diDDQTDDdruiIUiur ，29(1) V2V，I
13、D2.6mA0.5mAmA)105(10)6 . 226(Dd ir，(2) V5V，ID 8.6mAmA65. 1mA)02. 35(02. 3)6 . 826(Dd ir，(3) V10V，ID 50mA9.6mAmA)52.05(52.0)5026(Dd ir，在伏安特性上，在伏安特性上，Q Q点越高，二极管的动态电阻越小！点越高，二极管的动态电阻越小！30为使为使IZIZM，使用时必须要加限流电阻使用时必须要加限流电阻稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起性，稳压管在电路中可起稳
14、压作用。稳压作用。DZ1.6 1.6 特殊二极管特殊二极管进入稳压区进入稳压区的最小电流的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流316 6、主要参数、主要参数稳定电压稳定电压UZ稳定电流稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ正向导通区正向导通区反向截止区反向截止区稳压工作区稳压工作区5 5、三个工作区、三个工作区4 4、等效电路：、等效电路：工程上的稳压管，由工程上的稳压管，由UZ和和PZM来选择。来选择。32例：例：在如图所示的电路中稳压管的稳定电压在如图所示的电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流，最小稳定电流IZmin5mA，最大
15、稳定电流，最大稳定电流IZmax25mA。（1 1）分别计算）分别计算UI为为10V10V、15V15V、35V35V三种情况下输出电压三种情况下输出电压UO的值；的值； （2 2）若）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象时负载开路，则会出现什么现象? ?为什么？为什么？ 解：（解：（1）当）当UI10V时，时，若若UOUZ6V，则稳压管的电流为，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故穿。故 V33. 3ILLO URRRU当当UI15V时，稳压管中的电流小于最小稳定电流，稳压管时，稳压管中的电流小于最小稳定电流，稳压管仍没有击穿，所以仍没有击穿，所以V5ILLO URRRU当当UI35V时，稳压管中的电流：时，稳压管中的电流：mARURUUIZZ17)(LIW 大于其最小稳定电流，所以稳压管击穿。故大于其最小稳定电流，所以稳压管击穿。故 VUUZO6 （2）若）若UI35V负载开路时，负载开路时， 29mAIZM25mA，稳压管将，稳压管将 因功耗过大而损坏。因功耗过大而损坏。33稳压管应用于双向限幅电路稳压管应用于双向限幅电路34三、其他特殊二极管三、其他特殊二极管变容二极管变容二极管肖特基二极管肖特基二极管光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管35
