1、共共9999页第页第1 1页页第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路1.1 1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 PN1.2 PN结及其特性结及其特性1.3 1.3 半导体二极管半导体二极管1.4 1.4 半导体二级管应用电路分析半导体二级管应用电路分析1.5 1.5 其他类型的二极管其他类型的二极管It will include:共共4747页第页第2 2页页第第1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路主要内容：主要内容：1 1、半导体的特性、半导体的特性2 2、PNPN结的结构、电压电流特性结的结构、电压电流特性3 3、二极管的数学模型、二极
2、管的数学模型4 4、包含二极管的电路分析、包含二极管的电路分析5 5、特殊、特殊类型的二极管，包括稳压二极管、变容二极管、发光二类型的二极管，包括稳压二极管、变容二极管、发光二极管、光电二极管、太阳能电池极管、光电二极管、太阳能电池共共4747页第页第3 3页页 1.1.1 半导体材料半导体材料 1.1.2 本征半导体本征半导体 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 1.N型半导体型半导体 2.P型半导体型半导体1.1 半导体基础知识半导体基础知识共共4747页第页第4 4页页1.1.1 半导体材料半导体材料 根据导电能力的不同，材料可分为导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体。导电能力介于导体
3、和绝缘体之间的材料称为半导体。构成电子器件的半导体材料包含硅(Si)，锗(Ge)和砷化镓(GaAs)，其中最多的是硅(Si)。半导体材料的特性是：半导体材料的特性是：1.导电性介于导体和绝缘体之间。2.当受到光和热的作用时，其导电性质会发生变化。3.掺入杂质时，其导电性质将发生很大的改变。共共4747页第页第5 5页页 41.1.2 本征半导体本征半导体作为半导体材料的Si和Ge位于元素周期表中的IU族。因此，它们的最外层有4个价电子。相邻原子之间通过共价键结合。硅的二维晶体结构图1.本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构共共4747页第页第6 6页页1.1.2 本征半导体本征半导体 完全纯
4、净的、结构完整的半导体称为本征半导体。共共4747页第页第7 7页页1.1.2 本征半导体本征半导体 在T=0K（T:温度）时，每个电子处在尽可能低的能量状态，所以每个共价键的位置被填满。本征半导体中没有可以自由移动的带电粒子。因此，在T=0K，半导体的导电性能相当于绝缘体。2.本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子共共4747页第页第8 8页页1.1.2 本征半导体本征半导体 当环境温度上升，如上升到室温时，产生热激发，价电子就会获得能量，挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原共价键中留下一个空位置，称为“空穴”。原子则因失去一个价电子而带正电，或者说，空穴带正电。这种本征半导体的热激发
5、现象称为本征激发。2.本征半导体中的载流子本征半导体中的载流子共共4747页第页第9 9页页1.1.2 本征半导体本征半导体本征激发中，电子和“空穴”总是成对出现的，称为电子-空穴对。即电子和空穴的浓度是相等的。本征半导体中的本征半导体中的自由电子自由电子 -空穴对空穴对共共4747页第页第1010页页1.1.2 本征半导体本征半导体若在这种半导体两端外加一电场：若在这种半导体两端外加一电场：1）一方面自由电子将产生定向移动，）一方面自由电子将产生定向移动，形成电子电流；形成电子电流；2）另一方面，由于空穴的存在，价）另一方面，由于空穴的存在，价电子将按一定方向依次填补空穴，而电子将按一定方向
6、依次填补空穴，而在电子原来的位置上留下新的空位，在电子原来的位置上留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空以后其他电子又可转移到这个新的空位，使束缚电子在空间不断移动，类位，使束缚电子在空间不断移动，类似于空穴在空间不断移动，空穴的移似于空穴在空间不断移动，空穴的移动轨迹为动轨迹为可见空穴的移动是靠相邻共价键中的可见空穴的移动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。价电子依次充填空穴来实现的。本征半导体中，电子和本征半导体中，电子和“空穴空穴”的移动的移动123xxx共共4747页第页第1111页页1.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体中的电流是由自由电子和空穴共同产生的，即出
7、现了电子和空穴两种可以形成电流的带电粒子，这两种带电粒子统称为载流子（Carriers）。出现空穴，是半导体区别于导体的重要特点。共共4747页第页第1212页页1.1.2 本征半导体本征半导体本征激发产生的电子和空穴对，总是成对出现，数量相等。本征半导体中，电子和空穴相遇，就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。当本征激发产生的电子和空穴对，与复合的电子和空穴对数量相等时，就达到了一种动态平衡。此时，本征半导体中载流子的浓度将保持不变。3本征半导体中的载流子的浓度本征半导体中的载流子的浓度共共4747页第页第1313页页1.1.2 本征半导体本征半导体当环境温度变化时，载流子的浓度会
8、发生较大的变化，引起导电能力当环境温度变化时，载流子的浓度会发生较大的变化，引起导电能力变化。如环境温度升高，热振动增强，本征激发加剧，电子空穴对增加，变化。如环境温度升高，热振动增强，本征激发加剧，电子空穴对增加，半导体的导电能力提高。半导体的导电能力提高。半导体材料性能对温度的敏感性，既可用于制作热敏或光敏器件，又半导体材料性能对温度的敏感性，既可用于制作热敏或光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。是造成半导体器件温度稳定性差的原因。3本征半导体中的载流子的浓度本征半导体中的载流子的浓度本征半导体中的电子和空穴浓度本征半导体中的电子和空穴浓度一般很低，故这种半导体的导电一般很低，
9、故这种半导体的导电能力很低，难以满足制造半导体能力很低，难以满足制造半导体器件的要求，需要通过其他手段器件的要求，需要通过其他手段进一步提高其导电能力。进一步提高其导电能力。共共4747页第页第1414页页1.1.3 杂质半导体杂质半导体 杂质半导体：杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量其他通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量其他元素，可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同，可形成元素，可得到杂质半导体。按掺入的杂质元素不同，可形成N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体 1.N型半导体型半导体在纯净的硅晶体中，掺入五价元素，如磷。每个五价元素由于其贡献一个自由电子，而称为施主原子
10、。该杂质原子因在晶格上，则成为不能移动的正离子。多数载流子多数载流子(多子多子)：电子：电子少数载流子少数载流子(少子少子)：空穴：空穴N型半导体主要靠电子导电，故得名型半导体主要靠电子导电，故得名(Negative)共共4747页第页第1515页页1.1.3 杂质半导体杂质半导体 2.P型半导体型半导体在纯净的硅晶体中，掺入三价元素掺入三价元素，如硼，如硼。每个三价元素由于其贡献一个空穴，由于空穴吸收电子，而称为受主原子。该杂质原子因在晶格上，则成为不能移动的负离子。-多数载流子多数载流子(多子多子)：空穴：空穴少数载流子少数载流子(少子少子)：电子：电子P型半导体主要靠空穴导电，故得名型半
11、导体主要靠空穴导电，故得名(Positive)共共4747页第页第1616页页 1.1.1 半导体材料半导体材料 1.1.2 本征半导体本征半导体 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 1.N型半导体型半导体 2.P型半导体型半导体1.1 半导体二极管的基础知识半导体二极管的基础知识 本节中的一些重要概念：本节中的一些重要概念：电子，空穴和载流子电子，空穴和载流子.本征半导体，杂质半导体本征半导体，杂质半导体 施主原子，受主原子施主原子，受主原子 N型半导体，型半导体，P型半导体型半导体 多数载流子和少数载流子多数载流子和少数载流子共共4747页第页第1717页页1.2 PN结及其特性结及其特性1
12、.2.1 PN结结1.2.2 PN结的特性结的特性共共4747页第页第1818页页1.2.1 PN结结将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，使二者相互接触时，出现下列现象：1）由于电子和空穴的浓度差，而出现扩散(diffusion)。交界面上出现耗尽层，形成空间电荷区，建立内电场。共共4747页第页第1919页页1.2 PN结及其特性结及其特性2）随着扩散进行，空间电荷区加宽，内电场增强，阻）随着扩散进行，空间电荷区加宽，内电场增强，阻止了扩散运动。止了扩散运动。但内电场有利于少数载流子的但内电场有利于少数载流子的漂移漂移(drift)运动。漂移运动。漂移使空间电荷区变窄，内电场减弱使空
13、间电荷区变窄，内电场减弱。3）当扩散运动和漂移运动强度相同时，空间电荷区达）当扩散运动和漂移运动强度相同时，空间电荷区达到动态平衡状态，这个平衡状态的空间电荷区称为到动态平衡状态，这个平衡状态的空间电荷区称为PN结结(PN Junction)。共共4747页第页第2020页页动态平衡动态平衡形成势垒层形成势垒层空间电荷区空间电荷区 或称耗尽层或称耗尽层扩散扩散 漂移漂移1.2.1 PN结结PN结结共共4747页第页第2121页页1.1.PNPN结的单向导电性结的单向导电性 1)1)正向偏置的正向偏置的PNPN结结 2)2)反向偏置的反向偏置的PNPN结结2.PN2.PN结的电压和电流特性结的电
14、压和电流特性3.PN3.PN结电压电流特性的温度效应结电压电流特性的温度效应4.PN4.PN结的击穿结的击穿5.PN5.PN结的电容效应结的电容效应1.2.2 PN结的特性结的特性共共4747页第页第2222页页正向偏压置的正向偏压置的PN结结1.PNPN结的单向导电性结的单向导电性 1)1)正向偏置的正向偏置的PNPN结结正向偏置电压正向偏置电压扩散加强扩散加强内电阻减小内电阻减小产生正向电流产生正向电流PN结正向导通结正向导通1.2.2 PN结的特性结的特性共共4747页第页第2323页页反向偏置电压反向偏置电压漂移加强，扩散减弱漂移加强，扩散减弱内电阻增大内电阻增大产生很小的反向电流产生
15、很小的反向电流称为反向饱和电流称为反向饱和电流PN结反向截止结反向截止1.2.2 PN结的特性结的特性 2）反向偏置的）反向偏置的PN结结共共4747页第页第2424页页PN结的单向导电性结的单向导电性1.2.2 PN结的特性结的特性共共4747页第页第2525页页2.PN2.PN结的电压和电流特性结的电压和电流特性PN结两端的电压、电流的参考方向如图。结两端的电压、电流的参考方向如图。为温度电压当量，其中的为温度电压当量，其中的k为波尔兹曼常数，为波尔兹曼常数，T为热力学温度，为热力学温度，q为电子的电荷量。在常温下，如为电子的电荷量。在常温下，如 时，时，。(1)TuUsiIeTkTU=q
16、1.2.2 PN结的特性结的特性300TKPN结的电压和电流特性表示为：结的电压和电流特性表示为：TU26mV共共4747页第页第2626页页 是反向饱和电流。对于硅是反向饱和电流。对于硅PN结结,其典型值的其典型值的范围在范围在 到到 A之间。其实际值依赖于掺之间。其实际值依赖于掺杂浓度和杂浓度和PN结的截面积。结的截面积。sI14108101.2.2 PN结的特性结的特性(1)TuUsiIe共共4747页第页第2727页页上式表达的关系画在电压-电流平面上，如图。1.2.2 PN结的特性结的特性反向特性反向特性siI 正向特性正向特性0i 导通区导通区(指数特性指数特性)反向特性反向特性反
17、向特性反向特性反向特性反向特性击穿区击穿区截止区截止区 反向特性反向特性死区死区(1)TuUsiIeTuUsiI e共共4747页第页第2828页页1.2.2 PN结的特性结的特性3.PN结电压电流特性的温度效应结电压电流特性的温度效应 Is和和UT都是温度的函数，都是温度的函数，PN结的伏安特性会受温度的影响。结的伏安特性会受温度的影响。下图给出了其他参数不变，环境温度分别为下图给出了其他参数不变，环境温度分别为20C和和80C时的两条伏安时的两条伏安特性曲线。特性曲线。在正向特性部分，对一定的电流，当温度升高时，需要的正向偏置电压在正向特性部分，对一定的电流，当温度升高时，需要的正向偏置电
18、压降低。降低。在反向特性部分，当温度升高时，饱和电流增大。在反向特性部分，当温度升高时，饱和电流增大。温度每增加温度每增加 ，的值约增加一倍的值约增加一倍TkTUqSI5 C(1)TuUsiIe共共4747页第页第2929页页4.PN结的击穿结的击穿 当当PN结加反向电压，且达到一定数值时，结加反向电压，且达到一定数值时，PN结会发生击穿结会发生击穿现象。在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，外加的反向电现象。在高掺杂的情况下，因耗尽层宽度很小，外加的反向电压在耗尽层形成很强的电场，该电场将直接破坏共价键，使价压在耗尽层形成很强的电场，该电场将直接破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚，产生电子电子
19、脱离共价键束缚，产生电子-空穴对，使电流急剧增大空穴对，使电流急剧增大 这这种击穿现象称为种击穿现象称为齐纳击穿齐纳击穿(Zener effect).1.2.2 PN结的特性结的特性共共4747页第页第3030页页 另一个击穿现象称为雪崩击另一个击穿现象称为雪崩击穿（穿（avalanche breakdown），），指当反向电压增加到一定数值时，指当反向电压增加到一定数值时，耗尽层的电场使少数载流子加快耗尽层的电场使少数载流子加快漂移速度，直接与共价键中的电漂移速度，直接与共价键中的电子碰撞，把价电子撞出共价键，子碰撞，把价电子撞出共价键，产生电子产生电子-空穴对。新产生的电子空穴对。新产生的
20、电子-空穴对被电场加速后，又撞出其空穴对被电场加速后，又撞出其他价电子，载流子数量雪崩式地他价电子，载流子数量雪崩式地倍增，致使电流急剧增加，类似倍增，致使电流急剧增加，类似自然界中的雪崩过程。自然界中的雪崩过程。1.2.2 PN结的特性结的特性4.PN结的击穿结的击穿反向击穿电压反向击穿电压 U(BR)击穿电压的大小取决于击穿电压的大小取决于PN结的制造参数结的制造参数 PN结具有电容效应，根据产生的原因不同分为势垒电容和结具有电容效应，根据产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容。扩散电容。1)势垒电容势垒电容:Cb PN结是由扩散和漂移运动平衡后的空间电荷区构成的。当结是由扩散和漂移运动平衡
21、后的空间电荷区构成的。当PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将随之变化，即耗尽层的电荷量随外加电压而变化，这种现象与电容器的充放电过层的电荷量随外加电压而变化，这种现象与电容器的充放电过程相似，形成势垒程相似，形成势垒(Potential barrier)电容。其电容。其值与结面积、半值与结面积、半导体的介电常数以及外加电压有关。导体的介电常数以及外加电压有关。在其他参数一定的情况下，在其他参数一定的情况下，随反向电压而变化，随反向电压而变化，利用这一特性，利用这一特性，可制成变容二极管。可制成变容二极管。5.PN结的电容效应结的电容效应1
22、.2.2 PN结的特性结的特性共共4747页第页第3232页页2)扩散电容扩散电容Cd 在载流子扩散路程中，存在载流子在载流子扩散路程中，存在载流子的浓度梯度。当正向电压变化时，的浓度梯度。当正向电压变化时，扩散路程中的载流子浓度和浓度梯扩散路程中的载流子浓度和浓度梯度均会发生变化，即出现电荷的积度均会发生变化，即出现电荷的积累和释放，与电容器的充放电过程累和释放，与电容器的充放电过程相似，形成扩散电容相似，形成扩散电容 。1.2.2 PN结的特性结的特性dDdQCdu共共4747页第页第3333页页当当PN结正向偏置时，结正向偏置时，扩散电容扩散电容 势垒电容势垒电容 当当PN结反向偏置时，
23、扩散电容结反向偏置时，扩散电容 势垒电容势垒电容 PN结的总电容为：结的总电容为：dCCbCb1.2.2 PN结的特性结的特性dCjbdCCC5.PN结的电容效应结的电容效应共共4747页第页第3434页页1.2.2 PN结的特性结的特性1.1.PNPN结的单向导电性结的单向导电性 1)1)正向偏置的正向偏置的PNPN结结 2)2)反向偏置的反向偏置的PNPN结结2.PN2.PN结的电压和电流特性结的电压和电流特性3.PN3.PN结电压电流特性的温度效应结电压电流特性的温度效应4.PN4.PN结的击穿结的击穿(齐纳效应齐纳效应,雪崩击穿雪崩击穿)5.PN5.PN结的电容效应结的电容效应(扩散电
24、容扩散电容,势垒电容势垒电容)(1)TuUsiIe共共4747页第页第3535页页本节中的一些重要概念：本节中的一些重要概念：PN结及其性质结及其性质PNPN结结 扩散扩散 漂移漂移 空间电荷区，或称耗尽层，空间电荷区，或称耗尽层，PNPN结结 PNPN结的特性结的特性1.PN1.PN结的单向导电性结的单向导电性 1 1）正向偏置的）正向偏置的PNPN结结 2 2）反向偏置的）反向偏置的PNPN结结2 2.理想的电压和电流关系理想的电压和电流关系3 3.温度效应温度效应4 4.击穿特性击穿特性5 5.PN.PN结的电容效应结的电容效应1.2 PN结及其特性结及其特性共共4747页第页第3636
25、页页1.3 半导体二极管半导体二极管 1.3.1 1.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构1.3.2 1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数共共4747页第页第3737页页1.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构将将PN结用外壳封装起来，加上电极引线，就构成了半导体二极结用外壳封装起来，加上电极引线，就构成了半导体二极管，简称二极管（管，简称二极管（Diode），电路符号如图所示。），电路符号如图所示。P区引出的电极为正极（也称阳极），区引出的电极为正极（也称阳极），N区引出的电极为负极（也称阴极）。区引出的电极为负极（也称阴极）。
26、1.3 半导体二极管半导体二极管 共共4747页第页第3838页页1.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构如图所示为常见的几种二极管的外形：如图所示为常见的几种二极管的外形：共共4747页第页第3939页页半导体二极管按其结构不同可分为两类：半导体二极管按其结构不同可分为两类：点接触型点接触型面接触型面接触型(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特点：特点：这种结构的二极管这种结构的二极管结面积小，能够通结面积小，能够通过的电流小，结电过的电流小，结电容很小，因此使用容很小，因此使用在高频小电流场合，在高频小电流场合，如高频电子线路中。如高频电子线路中。1.
27、3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构共共4747页第页第4040页页面接触型面接触型(b)(b)面接触型面接触型特点：特点：采用合金法工艺制成，采用合金法工艺制成，结面积大，能够通过较结面积大，能够通过较大电流，但结电容也大，大电流，但结电容也大，因此使用在低频大电流因此使用在低频大电流场合，常用于整流电路场合，常用于整流电路中。中。1.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构共共4747页第页第4141页页1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数锗二极管的电压电流特性锗二极管的电压电流特性1.1.半导体二极管的电压电流特性半导体二极管的
28、电压电流特性(,),0thonUUi 死区死区:电压大于电压大于0小于开启电压小于开启电压正向特性正向特性正向导通正向导通(电压大于开启电压，电压大于开启电压，等于导通电压等于导通电压),TuUsiI eDU共共4747页第页第4242页页1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数1.1.半导体二极管的电压电流特性半导体二极管的电压电流特性siI 2）击穿特性：电压达到击穿电压）击穿特性：电压达到击穿电压电流在大范围变化，电压基本不变电流在大范围变化，电压基本不变1）截止特性，电压低于击穿电压，）截止特性，电压低于击穿电压，反向特性反向特性共共4747
29、页第页第4343页页硅二极管：硅二极管：Uon=0.5V,UD=0.6-0.8V，近似计算时，一般可取0.7V 锗二极管锗二极管：Uon=0.1V,UD=0.1-0.3V，近似计算时，一般可取0.2V 1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数对硅管和锗管，电压电流特性相似，但具体对硅管和锗管，电压电流特性相似，但具体参数不同。参数不同。共共4747页第页第4444页页实测的二极管电流电压特性曲线实测的二极管电流电压特性曲线1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数共共4747页第页第4545页页1.最大整流电
30、流最大整流电流 IF：指管子长期运行时，允许通过的最大正向电流的平均值 2.反向击穿电压反向击穿电压 U(BR)3.最高反向工作电压最高反向工作电压 UR ，一般情况UR=50%U(BR)4.反向电流反向电流 IR:指二极管未击穿时的反向电流 1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数2.半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数5.最高工作频率最高工作频率 fM:二极管工作频率的上限。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好地体现单向导电性。共共4747页第页第4646页页二极管的参数示例二极管的参数示例 1.3.2 半导体二极管的电压电流特
31、性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数型号型号最大整最大整流电流流电流 最高反最高反向向工作电工作电压压（峰值）（峰值）反向击穿电反向击穿电压（反向电压（反向电流流400uA）正向电流正向电流（正向电压（正向电压1U）反向电流反向电流最高工最高工作频率作频率 极间极间电容电容 mAURU(BR)mAAMHzpF2AP12AP2161220100401502.55.025025015016011型号型号最大整最大整流电流流电流最高反向工作最高反向工作电压（峰值）电压（峰值）最高反向工作电压下最高反向工作电压下的反向电流的反向电流(125)正向压降正向压降（平均值）（平均值）(25)最高
32、工最高工作频率作频率AUAUkHz2CZ520.125，50，100，200，300，400，500，600，700，800，900，1000，1200，1400，1600，1800，2000，2200，2400，2600，2800，300010000.832CZ540.510000.832CZ57510000.83共共4747页第页第4747页页二极管、三极管的命名规则二极管、三极管的命名规则(国标国标)1.3.2 半导体二极管的电压电流特性及主要参数半导体二极管的电压电流特性及主要参数第一部分第一部分 第二部分第二部分第三部分第三部分第四第四部分部分第五部第五部分分用数字表示器件用数字表示
33、器件的电极数量的电极数量 用汉语拼音字母表示器件用汉语拼音字母表示器件的材料和极性的材料和极性 用汉语拼音字母表示器件的类型用汉语拼音字母表示器件的类型 用数用数字表字表示器示器件序件序号号 用汉语用汉语拼音字拼音字母表示母表示规格号规格号符符号号意义意义符号符号意义意义符符号号意义意义符号符号意义意义23二极管二极管三极管三极管ABCDABCDEN型，型，锗材料锗材料P型，型，锗材料锗材料N型，型，硅材料硅材料P型，型，硅材料硅材料PNP型，锗材料型，锗材料NPN型，锗材料型，锗材料PNP型，硅材料型，硅材料NPN型，硅材料型，硅材料化合物材料化合物材料PUW CZLSNUKXG普通管普通管
34、微波管微波管稳压管稳压管 参量管参量管整流管整流管整流堆整流堆隧道管隧道管阻尼管阻尼管光电器件光电器件开关管开关管 低频小功率管低频小功率管（3MHz，1W）高频小功率管高频小功率管（3MHz，1W）DATYHJCSBTFHPINJG低频大功率管低频大功率管（3MHz，1W）高频大功率管高频大功率管（3MHz，1W）半导体闸流管半导体闸流管（可控整流器）（可控整流器）体效应器件体效应器件雪崩管雪崩管阶跃恢复管阶跃恢复管场效应器件场效应器件半导体特殊器半导体特殊器件件复合管复合管PIN型管型管激光器件激光器件 美国产二极管、三极管的命名规则国产二极管、三极管的命名规则 第一部分第一部分第二部分第
35、二部分第三部分第三部分第四部分第四部分第五部分第五部分用符号表示器件用用符号表示器件用途的类型途的类型用数字表示用数字表示PNPN结数结数目目美国电子工业协会美国电子工业协会（EIAEIA）注册标志）注册标志美国电子工业协美国电子工业协会登记顺序号会登记顺序号用字母表示器件用字母表示器件分档分档符号符号意义意义符符号号意义意义符号符号意义意义符号符号意义意义符号符号意义意义JANJANJANTX JANTX JANTXJANTXV VJANS 无无军级军级特军级超特军级超特军级特军级 宇航级宇航级 非军用品非军用品1 12 23 3n n二极管二极管三极管三极管三个三个PNPN结器结器件件依次
36、类推依次类推N N该器件已在该器件已在美国电子工美国电子工业协会（业协会（EIAEIA）注册）注册登记登记多位多位数数字字该器件该器件在美国在美国电子工电子工业协会业协会登记的登记的顺序号顺序号A AB BC CD DA A档档B B档档C C档档D D档档依次类推依次类推如如JAN2N3251表示含表示含2个个pn结的结的PNP型高频小功率开关三极管，其中型高频小功率开关三极管，其中JAN表示军品级，表示军品级，N为为 EIA注册标志，注册标志，3251表示表示EIA登记顺序号。登记顺序号。1N4148为含为含有有1个个pn结的非军用品级（普通级）二极管，结的非军用品级（普通级）二极管，41
37、48表示表示EIA登记顺序号。登记顺序号。共共4747页第页第4949页页1、半导体二极管的结构、半导体二极管的结构 2、半导体二极管的电压电流特性及主要参数、半导体二极管的电压电流特性及主要参数 本节一些重要概念：本节一些重要概念：半导体二极管半导体二极管 1.3 半导体二极管半导体二极管小结小结1.4 半导体二极管应用电路的分析半导体二极管应用电路的分析 和电路中熟悉的电阻类似，二极管也是一个二端器件，其上的和电路中熟悉的电阻类似，二极管也是一个二端器件，其上的电压电流关系用上述电压电流关系用上述u-iu-i平面上的一条曲线描述。通过对半导平面上的一条曲线描述。通过对半导体器件的电压电流关
38、系建立不同近似程度的数学模型，可以使体器件的电压电流关系建立不同近似程度的数学模型，可以使含半导体器件的电路的分析得到简化。含半导体器件的电路的分析得到简化。如果能够得到半导体器件特性的近似线性化模型，则可将含半如果能够得到半导体器件特性的近似线性化模型，则可将含半导体器件的非线性电路的分析简化为线性电路的分析，已经学导体器件的非线性电路的分析简化为线性电路的分析，已经学习过的线性电路的分析方法均可使用。习过的线性电路的分析方法均可使用。从从二极管的电压电流特性二极管的电压电流特性可以可以看出，二极管具有非线性电阻看出，二极管具有非线性电阻的特性。因此任何非线性电路的特性。因此任何非线性电路的
39、分析方法，均可用于含二极的分析方法，均可用于含二极管的电路分析管的电路分析。1.4 1.4 半导体二极管应用电路的分析半导体二极管应用电路的分析 例例1-4-1:1-4-1:含二极管的电路如图（含二极管的电路如图（a a），其另一种画法如图），其另一种画法如图 (b)(b)，其中二极管的伏安特性如图其中二极管的伏安特性如图 (c),(c),二极管的反向饱和电二极管的反向饱和电流流 ,电源电压和电阻为电源电压和电阻为 求二极管上的电压和电流。求二极管上的电压和电流。1310SIA52DDVVRk(a)(b)(c)1.4 半导体二极管应用电路的分析半导体二极管应用电路的分析 解法解法1:1:设二极
40、管上的电压、电流为设二极管上的电压、电流为 和和 二极管的电流电压特性：联立求解，得到：(1)DTuUDSiIeDDDDuVRiDuDi回路电压平衡方程：DuDi解法解法2:2:图解法图解法1.4半导体二极管应用电路的分析半导体二极管应用电路的分析 为电压电流平面上的一条直线，该直线与二极管的正向特性的交点Q对应的电压和电流值，即为要求的电压和电流。DDDDuVRi 回路电压方程:解法1涉及非线性方程的求解，数学运算比较复杂。图解法需求已知二极管的电压电流特性，结果不够准确。为了简化分析，在一定的条件下，可用线性元件构成的电路来近似代替二极管的特性，称为二极管的等效模型或等效电路，并用其代替电
41、路中的二极管，将含二极管的电路转化为线性电路，使分析简化。1.4 半导体二极管应用电路的分析半导体二极管应用电路的分析 二极管常有两种简化模型二极管常有两种简化模型:1.1.分段线性化模型分段线性化模型 (1(1）理想二极管模型）理想二极管模型 (2(2）常数电压模型）常数电压模型 （3 3）折线模型）折线模型 2.2.小信号模型小信号模型1.二极管的理想模型二极管的理想模型（a a）二极管的特性曲线）二极管的特性曲线（b b）二极管正二极管正向导向导通时通时（c c）二极管反向截止时）二极管反向截止时 理想二极管的电路符号理想二极管的电路符号1.4.1 半导体二极管的分段线性化模型2.2.常
42、数电压模型常数电压模型若将实际二极管的特性曲线若将实际二极管的特性曲线1 1用近似线性曲线用近似线性曲线2 2代替。即二极管代替。即二极管正向导通时，其上的电压为一常数，其值等于开启电压；二极正向导通时，其上的电压为一常数，其值等于开启电压；二极管反向截止时，通过的电流为管反向截止时，通过的电流为0 0。其等效电路如图（。其等效电路如图（b b），其中），其中二极管为理想二极管。二极管为理想二极管。（b b）二极管的常数电压模型）二极管的常数电压模型 DUON（a a）二极管的特性曲线）二极管的特性曲线 1.4.1 半导体二极管的分段线性化模型3.3.二极管的斜线模型二极管的斜线模型 将实际二
43、极管的特性曲线将实际二极管的特性曲线1 1用近似线性曲线用近似线性曲线2 2代替。用曲线代替。用曲线2 2描述描述的二极管特性即为二极管的斜线模型。电流从的二极管特性即为二极管的斜线模型。电流从0 0开始增长的电压开始增长的电压值为值为 ，当二极管上的电压大于，当二极管上的电压大于 时，二极管正向导通，其时，二极管正向导通，其上的电压和电流之间满足斜率为上的电压和电流之间满足斜率为 的斜线约束，其的斜线约束，其中中 。斜线模型的等效电路如图。斜线模型的等效电路如图.onUonU1/Dr/DrUI（a a）二极管的特性曲线）二极管的特性曲线（b）二极管的斜线模型二极管的斜线模型 DDrUON1.
44、4.1 半导体二极管的分段线性化模型例例1-4-2:1-4-2:如图如图(a),(a),已知电源电压为正弦，画出输出电压波形。已知电源电压为正弦，画出输出电压波形。1.4.1 半导体二极管的分段线性化模型例例1-4-3:1-4-3:如下电路所示如下电路所示.假设假设 Uon=0.7Uon=0.7V V,V,VDDDD=10=10V V,R=10K,R=10K,求求解解1:1:二极管正向偏置二极管正向偏置,采用常数电压模型，等效电路如右图所采用常数电压模型，等效电路如右图所示，解得：示，解得：DD0.93.onDVUmARi0.7DuV1.4.1 1.4.1 半导体二极管的分段线性化模型半导体二
45、极管的分段线性化模型k 2.0DrDD,iu解解2:2:二极管采用斜线模型二极管采用斜线模型.二极管正向偏置二极管正向偏置 .等效电路如图等效电路如图所示，解得：所示，解得：DDonDD0.931 mAVUiRrDonD D0.69 VuUi r1.4.1 1.4.1 半导体二极管的分段线性化模型半导体二极管的分段线性化模型可见，采用不同的模型，得到的计算结果是不同的，这种计可见，采用不同的模型，得到的计算结果是不同的，这种计算属于近似估算。采用的模型越准确，得到的结果与实际值算属于近似估算。采用的模型越准确，得到的结果与实际值越接近。真正的实际值还需测试得到。越接近。真正的实际值还需测试得到
46、。1.1.小信号模型小信号模型 电路的激励源中包含直流电源电路的激励源中包含直流电源 和正弦交流电源和正弦交流电源 ，的幅的幅值远小于值远小于 ，因此电路的输入，因此电路的输入:。直流电源。直流电源 在二极在二极管上建立直流电压管上建立直流电压 和直流电流和直流电流 。交流输入。交流输入 在二极管上建在二极管上建立电压立电压 和电流和电流 ，二者相加得到二极管上实际的电压，二者相加得到二极管上实际的电压 与与电流电流 ，即，即 ，波形如，波形如(b),(c)(b),(c)。1.4.2 半导体二极管的小信号模型半导体二极管的小信号模型 DDViuiuDDUIDDiuVuiududiDDQduUu
47、DDQdiIiDuDiDQUDQIDDV1.1.小信号模型小信号模型 得到上图得到上图 (b),(c)(b),(c)波形的波形的过程如图所示，由直流电过程如图所示，由直流电源建立的源建立的 和和 对应图对应图 (d)(d)中的中的Q Q点，二极管上的点，二极管上的电压与电流相当于在电压与电流相当于在Q Q点基点基础上的一个小的变化量。础上的一个小的变化量。如果只考虑小变化量如果只考虑小变化量 和和 之间的关系，那又之间的关系，那又会如何呢会如何呢？DQU1.4.2 半导体二极管的小信号模型半导体二极管的小信号模型 dudiDQI考虑二极管的电压电流关系：考虑二极管的电压电流关系：1DTuUDs
48、iI e由于：由于：()()(1)DQdDQdDDTTTTTUuUuuuUUUUUDssSsiI eI eI eIee 其中：其中：()DQTUUSDQI eI1dTuUdTueU 其中：其中：故：故：(1)DQdDDQDQdDQddDQdTTIuiIIuIguIiUUDQdTIgUdd1TDQUrgI1.4.2 半导体二极管的小信号模型半导体二极管的小信号模型 如果交流信号是个小信号，即有如果交流信号是个小信号，即有 成立，则求成立，则求 的的泰勒展开式，并乎略二阶以上的高次项有：泰勒展开式，并乎略二阶以上的高次项有：dTuUdTuUedddig udd dur i 为二级管的交流小信号电阻
49、，也称为小信号动态电阻，为二级管的交流小信号电阻，也称为小信号动态电阻，其值随其值随 而变化。而变化。的几何含义是在图的几何含义是在图 (d)(d)中，过中，过Q Q点做切点做切线，切线斜率的倒数即为线，切线斜率的倒数即为 。drDQIdrdr 则二级管在则二级管在Q Q基础上的微小电压变化量和电流变化量之间基础上的微小电压变化量和电流变化量之间的关系为：的关系为：dd dur i 可见对小信号可见对小信号 和和 而言，而言，二级管可等效为一个动态电阻，如下二级管可等效为一个动态电阻，如下图，此电阻电路即为二极管的小信号图，此电阻电路即为二极管的小信号模型。模型。dudi1.4.2 半导体二极
50、管的小信号模型半导体二极管的小信号模型【例例1-4-41-4-4】：电路如图，：电路如图，,求二极管上的电流和电压以及输出电压的表达式。求二极管上的电流和电压以及输出电压的表达式。5RK0.1sin()iut V 解：电路的激励由直流源和交流源共解：电路的激励由直流源和交流源共同组成，由于同组成，由于 的变化范围相对的变化范围相对 来说来说很小，因此电路的响应可分解为图很小，因此电路的响应可分解为图 (a)(a)和和图图 (b)(b)两个电路的响应之和。两个电路的响应之和。iuDDV（a）（b）2.应用电路分析应用电路分析 1.4.2 半导体二极管的小信号模型半导体二极管的小信号模型+5RK0
