1、模拟电子技术基础第六章半导体二极管及其应用电路1（优选）模拟电子技术基础第六章半导体二极管及其应用电路2 6.1 半导体材料半导体材料导电能力介于导体与绝缘体之间导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料的物质称为半导体。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。正是利用制这类材料的电导率。正是利用半导体材料的这些性质，才制造半导体材料的这些性质，才制造出功能多样的半导体器件。出功能多样的半导体器件。3本征半导体本征半导体锗：
2、锗：1886年年2月，德国化学家月，德国化学家Winkler向德向德国化学协会作了关于发现锗报告，并国化学协会作了关于发现锗报告，并将此元素命名为将此元素命名为Germanium以纪念其以纪念其祖国祖国Germany。锗在地壳中含量为锗在地壳中含量为0.0007%，较金、，较金、银、铂的含量均高，由于资源分散，银、铂的含量均高，由于资源分散，增加了冶炼困难，属于稀有元素一类。增加了冶炼困难，属于稀有元素一类。锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管材料。材料。4本征半导体本征半导体硅：硅：1823年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化年，瑞典的贝采利乌斯，用氟化硅或氟硅酸钾与钾共
3、热，得到粉状硅。硅或氟硅酸钾与钾共热，得到粉状硅。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。地壳的主要部分都是由含硅的岩素。地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的，这些岩石几乎全部是由石层构成的，这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成硅石和各种硅酸盐组成。硅是一种半导体材料，可用于制作半硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。导体器件和集成电路。5本征半导体本征半导体硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构6本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态
4、。构上呈单晶体形态。在绝对温度零度在绝对温度零度(即即0 K0 K，相当于，相当于-273)-273)，且无外界激，且无外界激发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电。发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电。当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响，当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响，某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱某些共价键中的价电子获得了足够的能量，足以挣脱共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键的束缚，跃迁到导带，成为自由电子，同时在共价键中留下相同数量的空穴。共价键中留下相同数量的空穴。7锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管材料。rZ=
5、VZ/IZ阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。rd=VF/IFPN结面积大，用于工频大电流整流电路。按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和P型半导体，统称为杂质半导体。（a）V-I特性 （b）电路模型PN结加正向电压时的导电情况（优选）模拟电子技术基础第六章半导体二极管及其应用电路稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。电路如图所示，求AO的电压值n=p=1.本征半导体的导电能力弱。4 二极管电路分析方法反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。vs=0 时,Q点称为静态工作点，反
6、映直流时的工作状态。PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响,PN 结呈现低阻性。锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。本征半导体本征半导体空穴空穴共价键中的共价键中的空位空位。电子空穴对电子空穴对由热由热激发而产生的自由电激发而产生的自由电子和空穴对。子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴空穴的运动是靠相邻共价的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充键中的价电子依次充填空穴来实现的。填空穴来实现的。8本征半导体本征半导体本本征征激激发发 动画动画9本征半导体本征半导体空空穴穴的的运运动动 动画动画10本征半导体本征半导体本征半导体特点：
7、电子浓度空穴浓度本征半导体特点：电子浓度空穴浓度 缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！11型半导体型半导体在硅在硅(或锗或锗 )晶体中掺入少量的晶体中掺入少量的5 5价元素，如磷（价元素，如磷（P P），），则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。因五价则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。价键束缚而很容易形成自由电子。在在N N型
8、半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。因此五价杂质原子也称为施主杂质。12型半导体型半导体13型半导体型半导体在硅在硅(或锗或锗 )晶体中掺入少量的晶体中掺入少量的3 3价元素，如硼（价元素，如硼（B B）或）或铝（铝（AlAl），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代替替 。因三价杂质原子在与硅原
9、子形成共价键时，缺少。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在在P P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，自由电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质杂质 因而也称为受主杂质。因而也称为受主杂质。14型半导体型半导体15 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 小结小结掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些掺入杂质对本征半导
10、体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3166.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 PN结的单向导电性结的单向导电性 结的电容效应结的电容效应 PN结的反向击穿结的反向击穿 结的形成结的形成17结的形成结的形成18二极管按结构分有点接触型、面接触型两
11、大类。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。当0VVth时，正向电流为零，Vth称为死区电压或开启电压。（a）V-I特性 （b）电路模型当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。PN结面积大，用于工频大电流整流电路。所以，AO的电压值为-6V。所以，AO的电压值为-6V。锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。硅二极管2CP10的V-I 特性rd=VF/IF硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。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。（a）V-I特性 （b）电路模型二极管电路的简化模型分析方法2模型分析法应用举例掺杂后 N 型半导体中的自由电子
12、浓度:二极管反向电流二极管电路的简化模型分析方法（a）V-I特性 （b）电路模型 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别分别形成形成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型半导体和型半导体和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:因浓度差因浓度差 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 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂
13、质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 19结的形成结的形成20结的形成结的形成 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为子薄层形成的空间电荷区称为PNPN结。结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。称耗尽层。21结的形成结的形成P NP N结结的的形形成成 动画动画22结的单向导电性结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PNPN结中：结中：P P区的电位高于区的电位高于 N N 区的电位，称为加正向电压，简称正偏；区的电位，称为加正向电压，简称正偏；PNPN结具有单向导电性，若外
14、加电压使电流从结具有单向导电性，若外加电压使电流从 P P 区流到区流到 N N 区，区，PNPN结呈低阻性，所以电流大；结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。反之是高阻性，电流小。P P 区的电位低于区的电位低于 N N 区的电位，称为加反向区的电位，称为加反向电压，简称反偏。电压，简称反偏。23外加的正向电压有一部分降外加的正向电压有一部分降落在落在 PN PN 结区，方向与结区，方向与PNPN结结内电场方向相反，削弱了内内电场方向相反，削弱了内电场。内电场对多子扩散运电场。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电大。扩散电流远大于
15、漂移电流，可忽略漂移电流的影响流，可忽略漂移电流的影响,PN PN 结呈现低阻性结呈现低阻性。PNPN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况结的单向导电性结的单向导电性24结的单向导电性结的单向导电性P NP N结结加加正正向向电电压压动画动画25 外加的反向电压有一部分降外加的反向电压有一部分降落在落在PNPN结区，方向与结区，方向与PNPN结内结内电场方向相同，加强了内电电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时减小。此时PNPN结区的少子在结区的少子在内电场的作用下形成的漂移内电场的作用下形
16、成的漂移电流大于扩散电流，可忽略电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本扩散电流，由于漂移电流本身就很小，身就很小，PNPN结呈现高阻性。结呈现高阻性。PNPN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况结的单向导电性结的单向导电性 在一定的温度条件下，由本征激在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。也称为反向饱和电流。26结的单向导电性结的单向导电性P NP N结结加加反反向向电电压
17、压动画动画27 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性。导电性。28电路如图所示，求AO的电压值PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。（a）V-I特性 （b）电路模型2 PN结的形成及特性硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过程。所以，AO的电压值为-6V。（a）
18、V-I特性 （b）电路模型齐纳二极管(稳压二极管)PN结V-I 特性表达式：（a）V-I特性 （b）电路模型反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。正常稳压时 VO=VZ利用二极管反向击穿特性实现稳压。vs=Vmsint 时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。在硅(或锗)晶体中掺入少量的3价元素，如硼（B）或铝（Al），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代替。扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。锗
19、二极管的死区电压Vth=0.2模型分析法应用举例一是势垒电容CB（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）半导体二极管的结构(5)稳定电压温度系数VZ锗二极管在微安(A)级。电路如图所示，求AO的电压值缺点：载流子少，导电性差，温度稳定性差！PN结面积大，用于工频大电流整流电路。（a）V-I特性 （b）电路模型由杂质离子形成空间电荷区锗二极管在微安(A)级。vs=Vmsint 时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。（a）V-I特性 （b）电路模型当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。
20、VT 温度的电压当量齐纳二极管（稳压二极管）扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。解：由电路的KVL方程，可得（2）静态工作情况分析电路如图所示，求AO的电压值扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。结的单向导电性结的单向导电性 PNPN结结V V-I I 特性表达式：特性表达式：其中其中:PNPN结的伏安特性结的伏安特性)1e(/SDD TVIivI IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下且在常温下(T T=300K=300K）:V026.0 qkTVTmV 26 29结的电容效应结的电容效应PN结具有一定的电
21、容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。因素决定。一是势垒电容一是势垒电容CB 二是扩散电容二是扩散电容CD30结的电容效应结的电容效应(1)(1)势垒电容势垒电容CBCB 势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使压使PNPN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当之改变，这相当PNPN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。容的充放电。势垒电容示意图31结的电容效应结的电容效应(2)(2)扩散电容扩散电容C CD
22、 D 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PNPN结的另一侧面结的另一侧面积累而形成的。因积累而形成的。因 PN PN 结正偏时，由结正偏时，由N N区扩散到区扩散到 P P 区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在电流。刚扩散过来的电子就堆积在 P P 区内紧靠区内紧靠PNPN结结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。反之，由反之，由P P区扩散到区扩散到N N区的空穴，在区的空穴，在N N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。成类似的浓度梯度分布曲线。
23、32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当外加正向电压不同时，当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以大小也就不同。所以PNPN结结两侧堆积的多子的浓度梯两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相度分布也不相同，这就相当电容的充放电过程。势当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非垒电容和扩散电容均是非线性电容。线性电容。33结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN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PNPN结的反向击穿。结的反向击穿。热击穿热击
24、穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆346.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的主要参数二极管的主要参数35半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管点接触型点接触型二极管结构示意图二极管结构示意图 PN PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电
25、路。变频等高频电路。36（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用于结面积大，用于工频大电流整流电路。工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型37二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1e(/SDD TVIiv锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性38二极管的伏安特性二极管的伏安特性 硅二极管的死区电压硅二极管的死区电压V
26、 Vthth=0.5 V=0.5 V左右，左右，锗二极管的死区电压锗二极管的死区电压V Vthth=0.1 V=0.1 V左右。左右。当当0 0V VV Vthth时，正向电流为零，时，正向电流为零，V Vthth称为称为死区电压或开启电压。死区电压或开启电压。当当V V0 0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V VV Vthth时，开始出现正向电流，并按指时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。数规律增长。39二极管的伏安特性二极管的伏安特性当当V V0 0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当
27、当V VBRBRV V0 0时，反向电流很小，且时，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饱和电流向电流也称反向饱和电流I IS S。当当VVVVBRBR时，反向电流急剧增加，时，反向电流急剧增加，V VBRBR称为反向击穿电压称为反向击穿电压 。40二极管的伏安特性二极管的伏安特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二极，反向电流将约增加一倍；锗二极管
28、温度每增加管温度每增加1212，反向电流大约增加一倍。，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加小，每增加11，正向压降，正向压降V VF F(V VD D)大约减小大约减小2mV2mV，即具有负的温度系数。即具有负的温度系数。41二极管的伏安特性二极管的伏安特性温度对二极管伏安特性曲线的影响温度对二极管伏安特性曲线的影响42二极管的主要参数二极管的主要参数半导体二极管的参数包括最大整流电流半导体二极管的参数包括最大整流电流I IF F、反向、反向击穿电压击穿电压V VBRBR、最大反向工作电压最大反向工作电压V VRMRM、
29、反向电流反向电流I IR R、最高工作频率最高工作频率f fmaxmax和结电容和结电容C Cj j等。几个主要的参等。几个主要的参数介绍如下：数介绍如下：(1)(1)最大整流电流最大整流电流I IF F二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2)(2)反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM 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VBR。为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电
30、压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。433 半导体二极管4 二极管电路分析方法半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。显然，rd与工作电流的大小有关，即电路如图所示，求AO的电压值PN结V-I 特性表达式：vs=Vmsint 时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。n=51016/
31、cm31886年2月，德国化学家Winkler向德国化学协会作了关于发现锗报告，并将此元素命名为Germanium以纪念其祖国Germany。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。二极管V-I 特性的建模它在物理结构上呈单晶体形态。硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。vs=Vmsint 时（VmVDD）,将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。2模型分析法应用举例在绝对温度零度(即0 K，相当于-273)，且无外界激发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电。硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构在硅(
32、或锗)晶体中掺入少量的5价元素，如磷（P），则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。（a）V-I特性 （b）电路模型二极管的主要参数二极管的主要参数(4)(4)正向压降正向压降V VF F(5)(5)动态电阻动态电阻r rd d 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作在室温下，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电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安(A)A)级。级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅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
33、压降在中等电流水平下，约二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.60.8V0.8V；锗二极；锗二极管约管约0.20.20.3V0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，r rd d与工与工作电流的大小有关，即作电流的大小有关，即 r rd d=V VF F/I IF F(3)(3)反向电流反向电流I IR R44半导体二极管图片456.4 二极管电路分析方法二极管电路分析方法 图解分析方法图解分析方法 简化模型分析方法简化模型分析方法46图解分析方法图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一二极管是一种非线性器件，因而其电路一般
34、要采用非线性电路的分析方法，相对来说比般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的是已知二极管的V V-I I 特性曲线。特性曲线。47例例1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线的直线，称为负载线 Q
35、的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的工作点点称为电路的工作点48二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e(DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V-I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型49二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1
36、.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 50二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs=0 时时,Q点称为静态工作点点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。)(11sDDDDvv VRRivs=Vmsin t 时（时（VmVT。（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型53二极管电路的简化模型分析方法
37、二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形542 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析V,0DVmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，时，mA 93.0/)(DDDD RVVI恒压模型恒压模型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 5.0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDDD rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV
38、当当VDD=1V 时，时，（自学）（自学）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 552 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sin t V时，绘出相应的输时，绘出相应的输出电压出电压vO的波形。的波形。562 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：先断开解：先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位
39、，即即O点为点为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。572 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sin t V。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和
40、总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。586.5 特殊二极管特殊二极管 齐纳二极管（稳压二极管）齐纳二极管（稳压二极管）变容二极管变容二极管 光电二极管光电二极管 光电二极管光电二极管59 齐纳二极管齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管)1.1.符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压时工作在反向电击穿状态。齐纳二极管齐纳二极管60(1)稳定电压稳定电压VZ(
41、2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电在规定的稳压管反向工作电流流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(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(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数齐纳二极管齐纳二极管613.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ齐纳二极管齐纳二极管62齐纳二极管齐纳二极管63变容二极管变容二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵
42、坐标为对数刻度）64变容二极管变容二极管65锗二极管温度每增加12，反向电流大约增加一倍。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。（a）简单二极管电路 （b）习惯画法掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:因 PN 结正偏时，由N区扩散到 P 区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。在硅(或锗)晶体中掺入少量的3价元素，如硼（B）或铝（Al），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代替。rZ=VZ/IZ对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。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
43、流值。（a）V-I特性 （b）电路模型分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sint V时，绘出相应的输出电压vO的波形。PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。温度对二极管伏安特性曲线的影响电路如图所示，求AO的电压值当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。且在常温下(T=300K）:二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:PN结V-I 特性表达式：温度对二极管伏安特性曲线的影响光电二极管光电二极管1.光电二极管光电二极管（a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 66光电二极管光电二极管67
