第4章晶體二極管及其基本電路

1、 4. 1 半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ) 4. 2 PN結(jié)結(jié) 4. 3 晶體二極管晶體二極管 4. 4 雙極性晶體管雙極性晶體管 4. 5 場(chǎng)效應(yīng)晶體管場(chǎng)效應(yīng)晶體管 第第4 4章常用半導(dǎo)體器件原理章常用半導(dǎo)體器件原理4. 1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)用于制造用于制造半導(dǎo)體器件的材料主要是硅半導(dǎo)體器件的材料主要是硅、鍺和砷化鎵等。鍺和砷化鎵等。半導(dǎo)體的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣之間，并且導(dǎo)體和絕緣之間，并且會(huì)隨溫度、會(huì)隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。要理解這些特性，光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。要理解這些特性，必須從半導(dǎo)體及其原子結(jié)構(gòu)談起。必須從半導(dǎo)體及其原子結(jié)構(gòu)

2、談起。 4.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 無(wú)摻雜的純凈的單晶半導(dǎo)體，無(wú)摻雜的純凈的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。稱為本征半導(dǎo)體。 硅和鍺都是硅和鍺都是4 4 價(jià)元素，其簡(jiǎn)化價(jià)元素，其簡(jiǎn)化原子結(jié)構(gòu)模型如圖所示。原子結(jié)構(gòu)模型如圖所示。自由電子自由電子空空 穴穴統(tǒng)稱載流子統(tǒng)稱載流子 吸收能量吸收能量v由于電子和空穴相互吸由于電子和空穴相互吸引，還會(huì)發(fā)生激發(fā)的逆引，還會(huì)發(fā)生激發(fā)的逆過(guò)程過(guò)程復(fù)合。復(fù)合。復(fù)合復(fù)合空空 穴穴自由電子自由電子釋放能量釋放能量消失一對(duì)電子空穴消失一對(duì)電子空穴在一定溫度下，最終激發(fā)和在一定溫度下，最終激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。使本征復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。使本征半導(dǎo)體內(nèi)的載流子數(shù)一定。半導(dǎo)

3、體內(nèi)的載流子數(shù)一定。動(dòng)畫動(dòng)畫相鄰電子過(guò)來(lái)填補(bǔ)空位相鄰電子過(guò)來(lái)填補(bǔ)空位自由電子自由電子空位空位+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位的自由移動(dòng)空位的自由移動(dòng)復(fù)合復(fù)合空空 穴穴自由電子自由電子釋放能量釋放能量消失一對(duì)電子空穴消失一對(duì)電子空穴空空 穴穴 二二. 本征載流子濃度本征載流子濃度當(dāng)本征激發(fā)和復(fù)合處于平衡時(shí)，本征載流子的濃度為當(dāng)本征激發(fā)和復(fù)合處于平衡時(shí)，本征載流子的濃度為)2exp(G0230iikTETApn式中式中Ni和和pi分別為自由電子和空穴的本征濃度分別為自由電子和空穴的本征濃度(cm-3)；T為熱力學(xué)溫度為熱力學(xué)溫度(K)；EG0為為T=0K時(shí)的禁帶

4、寬度時(shí)的禁帶寬度(硅為硅為1.21eV，鍺為，鍺為0.78eV)；k為玻爾茲曼常數(shù)為玻爾茲曼常數(shù)(8.63 10-6V/K)；A0是與是與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)。半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)。 在室溫下在室溫下(T=300K)，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)極少，因，本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)極少，因而導(dǎo)電能力極弱。而導(dǎo)電能力極弱。4.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體一一. .N N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入少量五價(jià)元素( (如磷、砷、銻等如磷、砷、銻等) )。 N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 nnpn電子為多數(shù)載流子電子為多數(shù)載流子(簡(jiǎn)稱多子簡(jiǎn)稱多子)空穴為少數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子(簡(jiǎn)

5、稱少子簡(jiǎn)稱少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4鍵外電子鍵外電子 由于由于 pn+正離子數(shù)正離子數(shù)= nn所以所以N型型半導(dǎo)體仍是電中性的。半導(dǎo)體仍是電中性的。+1空空 穴穴自由電子自由電子+4二二. .P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素( (如硼、如硼、鋁、銦等鋁、銦等) )。P P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中 ppnp空穴為多數(shù)載流子空穴為多數(shù)載流子( (多子多子) )電子為少數(shù)載流子電子為少數(shù)載流子( (少子少子) )。+4+4+4+4+3+4+4+4+4 由于由于 np+負(fù)負(fù)離子數(shù)離子數(shù)= pp所以所以P型型半導(dǎo)體也是電性中的半導(dǎo)體也是電性中的。-

6、1空空 穴穴空空 位位+4三三. .雜質(zhì)半導(dǎo)體的雜質(zhì)半導(dǎo)體的載流子濃度載流子濃度 在在雜質(zhì)雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體中，由中，由雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供的載流子數(shù)遠(yuǎn)大的載流子數(shù)遠(yuǎn)大于于本征載流子數(shù)，所以多子濃度主要由摻雜本征載流子數(shù)，所以多子濃度主要由摻雜濃度決定。濃度決定。而而少子濃度，少子濃度，因摻雜不同會(huì)隨多子濃度的變化而改變。因摻雜不同會(huì)隨多子濃度的變化而改變。在熱平衡下，兩者之間有如下關(guān)系：在熱平衡下，兩者之間有如下關(guān)系：多子濃度值與少子多子濃度值與少子濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值n ni i的平方。的平方。2nninpn22niinDnnpnN對(duì)對(duì)N型

7、型半導(dǎo)體半導(dǎo)體2ppipnn 由以上分析可知由以上分析可知對(duì)對(duì)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體22piipAnnnpN2.2.通過(guò)控制摻雜濃度可以嚴(yán)格控制多子濃度通過(guò)控制摻雜濃度可以嚴(yán)格控制多子濃度, ,而溫度變而溫度變 化對(duì)其影響很小；化對(duì)其影響很小；3.3.少子濃度主要由本征激發(fā)決定，因而溫度變化少子濃度主要由本征激發(fā)決定，因而溫度變化時(shí)，時(shí)， 少子濃度將會(huì)發(fā)生明顯變化。少子濃度將會(huì)發(fā)生明顯變化。1.1.本征半導(dǎo)體通過(guò)本征半導(dǎo)體通過(guò)摻雜，可以大大改變體內(nèi)載流子濃摻雜，可以大大改變體內(nèi)載流子濃 度，并使一種載流子多，而另一種載流子少；度，并使一種載流子多，而另一種載流子少； 4.1.3 半導(dǎo)體中的電流

8、半導(dǎo)體中的電流 半導(dǎo)體中的電流包括漂移電流和擴(kuò)散電流。半導(dǎo)體中的電流包括漂移電流和擴(kuò)散電流。 1. 漂移電流：漂移電流：在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，如圖所示。向漂移運(yùn)動(dòng)形成的電流，如圖所示?？昭昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮覰 型半導(dǎo)體電場(chǎng)方向電場(chǎng)方向 總漂移電流是電總漂移電流是電子漂移電流和空穴漂子漂移電流和空穴漂移電流之和，即移電流之和，即 I = Ip( In) = Ip+ In( )( )Ddn xdp xidxdxx自由電子濃度分布自由電子濃度分布n(x)x或或 正比于正比于 擴(kuò)散電流正比于擴(kuò)散電流正比于載流子的濃度梯度即載流子的濃

9、度梯度即濃度差濃度差: 2. 擴(kuò)散電流：擴(kuò)散電流：在載流子濃度梯度作用下，半導(dǎo)體在載流子濃度梯度作用下，半導(dǎo)體中的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散形成的電流。中的載流子從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)擴(kuò)散形成的電流。 擴(kuò)散電流是半導(dǎo)體擴(kuò)散電流是半導(dǎo)體中特有的電流。中特有的電流。PNU-+PN-+內(nèi)電場(chǎng)B空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移 開(kāi)始時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，開(kāi)始時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū) 展寬，使內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，于是漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)，而擴(kuò)展寬，使內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，于

10、是漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)，而擴(kuò) 散運(yùn)動(dòng)相對(duì)減弱。最后，因濃度差而產(chǎn)生的擴(kuò)散力被電場(chǎng)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)減弱。最后，因濃度差而產(chǎn)生的擴(kuò)散力被電場(chǎng) 力所抵消，使擴(kuò)散和漂移運(yùn)力所抵消，使擴(kuò)散和漂移運(yùn) 動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?？臻g電荷動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡?？臻g電荷 區(qū)的寬度一定，區(qū)的寬度一定，UB也保持也保持 一定。一定。(b)UPN-+內(nèi)電場(chǎng)B空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)也稱為空間電荷區(qū)也稱為耗耗盡區(qū)盡區(qū)( (層層) )、阻擋區(qū)或勢(shì)壘阻擋區(qū)或勢(shì)壘區(qū)，統(tǒng)稱為區(qū)，統(tǒng)稱為PN結(jié)。結(jié)。實(shí)際中，如果實(shí)際中，如果P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對(duì)界面對(duì)稱，稱為對(duì)稱結(jié)，見(jiàn)上圖。相對(duì)界面對(duì)稱，稱為對(duì)稱結(jié)，見(jiàn)上圖。 P

11、N+-+耗盡區(qū)耗盡區(qū) 不對(duì)稱的不對(duì)稱的PN結(jié)結(jié)P+N-+耗盡區(qū)耗盡區(qū)-+如果一邊摻雜濃度大如果一邊摻雜濃度大(重?fù)诫s重?fù)诫s)，一邊摻雜濃度小，一邊摻雜濃度小(輕摻輕摻雜雜)，則為不對(duì)稱結(jié)，用，則為不對(duì)稱結(jié)，用P+N或或PN+表示表示(+號(hào)表示重?fù)诫s區(qū)號(hào)表示重?fù)诫s區(qū))如下圖所示。如下圖所示?？梢?jiàn)，耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊?？梢?jiàn)，耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊。UPN-+內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)B空間電荷區(qū)空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)( (層層) )、阻擋區(qū)或勢(shì)壘區(qū)，阻擋區(qū)或勢(shì)壘區(qū)，統(tǒng)稱為統(tǒng)稱為PN結(jié)。結(jié)。密度差產(chǎn)生擴(kuò)散力密度差產(chǎn)生擴(kuò)散力 多子擴(kuò)散并復(fù)合多子擴(kuò)散并復(fù)合 空間電荷區(qū)空間

12、電荷區(qū) 內(nèi)電場(chǎng)REPN-+耗耗 盡盡 區(qū)區(qū)UPUNUPUN 4.2.2PN結(jié)單向?qū)щ娞匦越Y(jié)單向?qū)щ娞匦?使使P P區(qū)電位高于區(qū)電位高于N N區(qū)電位的接法，稱區(qū)電位的接法，稱PNPN結(jié)加正向電壓或結(jié)加正向電壓或正向偏置正向偏置( (簡(jiǎn)稱正偏簡(jiǎn)稱正偏) )，如圖所示。，如圖所示。v 正偏使耗盡區(qū)變窄正偏使耗盡區(qū)變窄 內(nèi)電場(chǎng)減弱內(nèi)電場(chǎng)減弱(UB-U) 擴(kuò)散力擴(kuò)散力電場(chǎng)力電場(chǎng)力 多子源源不斷地多子源源不斷地 擴(kuò)散到對(duì)方，形成正擴(kuò)散到對(duì)方，形成正向電流。向電流。v 此外，正向偏壓有微此外，正向偏壓有微小變化時(shí)，會(huì)引起正向小變化時(shí)，會(huì)引起正向電流較大的變化。電流較大的變化。UBU一一. .PN結(jié)結(jié)正向偏置

13、正向偏置內(nèi)電場(chǎng)RE UNUPPN - - - - - - - - + + + + + + + + + +耗 盡 區(qū)UNUPv 反偏使耗盡區(qū)變寬反偏使耗盡區(qū)變寬 內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)(UB+U) 電場(chǎng)力電場(chǎng)力擴(kuò)散力擴(kuò)散力 少子漂移到對(duì)方形少子漂移到對(duì)方形成極小的反向電流。成極小的反向電流。 此外，反向偏壓有很此外，反向偏壓有很大變化時(shí)，反向電流基大變化時(shí)，反向電流基本不變。本不變。 綜上所述綜上所述 PN PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止，即具有單向?qū)щ娞匦浴＝Y(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止，即具有單向?qū)щ娞匦浴BU 使使N區(qū)電位高于區(qū)電位高于P區(qū)電位的接法，稱區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或結(jié)加反向電

14、壓或反向偏置反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏簡(jiǎn)稱反偏)，如圖所示。，如圖所示。二二. PN結(jié)反結(jié)反向偏置向偏置 三三. .PN結(jié)電流方程結(jié)電流方程 理論分析證明，按圖示的參考方理論分析證明，按圖示的參考方 向流過(guò)向流過(guò)PN結(jié)的電流結(jié)的電流i i與外加電壓與外加電壓u u 之間的關(guān)系為之間的關(guān)系為 /(1)(1)Tu Uqu kTssiI eI e 式中，式中，IS為反向飽和電流，其大小與為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材結(jié)的材 料、制造工藝、溫度等有關(guān)；料、制造工藝、溫度等有關(guān)； UT = kT/q，稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。 在在T= 300K(室溫室溫)時(shí)，時(shí)，UT =26

15、mV。這是一個(gè)常用參數(shù)。這是一個(gè)常用參數(shù)。 對(duì)于極性不同的正對(duì)于極性不同的正、反向電壓，反向電壓，|u|只要大于只要大于UT幾倍幾倍以上，則以上，則PN結(jié)電流方程結(jié)電流方程可分別近似為可分別近似為/(1)TTu Usu UssI eiI eI正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置 該式與上述該式與上述PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦缘慕Y(jié)論完全一致。結(jié)具有單向?qū)щ娞匦缘慕Y(jié)論完全一致。由此畫出的由此畫出的PNPN結(jié)伏安特性如下：結(jié)伏安特性如下：PN結(jié)擊穿結(jié)擊穿iu0u0 4.2.3 PN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 當(dāng)反向電壓超過(guò)一定值當(dāng)反向電壓超過(guò)一定值UBR后，反向電流會(huì)急劇增大，后，反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象

16、稱為這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義結(jié)擊穿，并定義UBR為為PN結(jié)的擊穿電壓。結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。 一一. . 雪崩擊穿雪崩擊穿 在輕摻雜的在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)較結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過(guò)耗盡區(qū)時(shí)被加速，動(dòng)能增大。寬，少子漂移通過(guò)耗盡區(qū)時(shí)被加速，動(dòng)能增大。外電場(chǎng)使外電場(chǎng)使耗層展寬耗層展寬發(fā)生碰撞的連鎖反應(yīng)，發(fā)生碰撞的連鎖反應(yīng)，使載流子劇增。使載流子劇增。雪崩擊穿機(jī)理雪崩擊穿機(jī)理 二二. . 齊納擊穿齊納擊穿 在重?fù)诫s的在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，

17、所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)反向電壓大到一定值就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，產(chǎn)生大量電子產(chǎn)生大量電子- -空穴對(duì)，使反向電流急劇增大，這種擊穿稱為空穴對(duì)，使反向電流急劇增大，這種擊穿稱為齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?。齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?需要指出，只要限制擊穿后的電流，擊穿并不損壞需要指出，只要限制擊穿后的電流，擊穿并不損壞PN結(jié)。結(jié)。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)硅材料的一般來(lái)說(shuō)，對(duì)硅材料的PN結(jié)，結(jié)，UBR 7V時(shí)為雪崩擊穿；時(shí)為雪崩擊穿； UBR 0時(shí)，

18、時(shí)，V導(dǎo)通，導(dǎo)通，uo=ui ； ui0時(shí)，時(shí)，V截止，截止，uo=0 。二二. 精密整流電路精密整流電路 由于二極管存在死區(qū)電壓由于二極管存在死區(qū)電壓UON(硅管為硅管為0.60.7V左右左右)，因而只有當(dāng)輸入電壓幅值大于死區(qū)電壓時(shí)，電路才能正常因而只有當(dāng)輸入電壓幅值大于死區(qū)電壓時(shí)，電路才能正常工作。為此，插入運(yùn)放以減小等效死區(qū)電壓。工作。為此，插入運(yùn)放以減小等效死區(qū)電壓。1. 精密半波整流電路精密半波整流電路 (1).當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，uo0，V2截止，截止，V1導(dǎo)通，導(dǎo)通， uo=0 (2). 當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)， uo0， V2導(dǎo)通，導(dǎo)通， V1截止截止 iouRRu12傳輸特性傳輸特性

19、 . .當(dāng)當(dāng)u ui i0 0時(shí)，時(shí)，u uo o0 0，V V2 2導(dǎo)通，導(dǎo)通，V V1 1截止，則截止，則 . . 當(dāng)當(dāng)u ui i0 0時(shí)，時(shí)， u uo o00， V V2 2截止，截止， V V1 1導(dǎo)通，導(dǎo)通，u uo o=0 =0 iouRRu12傳輸特性傳輸特性 2. 精密全波整流電路精密全波整流電路絕對(duì)值電路絕對(duì)值電路 用半波整流和相加器構(gòu)成全波整流的原理如圖所示：用半波整流和相加器構(gòu)成全波整流的原理如圖所示： . 當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，uo1= - ui，uo= - ui -2uo1= - ui +2 ui = ui. 當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，uo1=0，uo = - ui |oiu

20、u+傳輸特性傳輸特性假設(shè)二極管假設(shè)二極管v為理想二極管，為理想二極管，. 當(dāng)當(dāng)ui0時(shí)，時(shí)，v管截止，管截止，iouRRu122211(1)oiiiRRuuuuRR. 當(dāng)當(dāng)uiUIH時(shí)，時(shí)，u0 = U0max 而而uiUIL時(shí)，時(shí)， u0 = U0min 此時(shí)稱為雙向限幅。此時(shí)稱為雙向限幅。 二、二極管限幅電路二、二極管限幅電路 限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換、整形和輸入整形和輸入保護(hù)電路。限幅電路的傳輸特性保護(hù)電路。限幅電路的傳輸特性如圖所示如圖所示 ：

21、uiuoUILUomaxUOminUIH如果只有上門限或只有下門限電如果只有上門限或只有下門限電壓，則分別稱為上限幅或下限幅電路，如圖虛線所示。壓，則分別稱為上限幅或下限幅電路，如圖虛線所示。當(dāng)當(dāng)ui E+UD(on)= 2.7V時(shí)，時(shí)， V V管截止，管截止，uo = ui 。VuiuoRE2Vtui/V05-5tuo/V0-52.7【例例1】一個(gè)簡(jiǎn)單的上限幅電路如圖所示。一個(gè)簡(jiǎn)單的上限幅電路如圖所示。當(dāng)輸入幅度為當(dāng)輸入幅度為5v5v的正弦波時(shí)，其輸出波形如圖。的正弦波時(shí)，其輸出波形如圖。當(dāng)當(dāng)ui2.7V時(shí)，時(shí)， V V管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，uo=2.7V，即把即把ui最大電壓限制在最大電壓限制在

22、2.7V。 VuiuoRE1VRtui/V6-6 【例例2】 電路如圖所示，已知輸入為電路如圖所示，已知輸入為幅度幅度6V的的正弦波時(shí)，正弦波時(shí)， 試畫出輸出波形。試畫出輸出波形。12oiuu11.723.4oiiuuVuV 當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)V管截止管截止即即11.723.4oiiuuVuV 當(dāng)當(dāng)時(shí)時(shí)V管導(dǎo)通管導(dǎo)通即即1.7ouV tuo/V0-1.730-3.4 當(dāng)當(dāng)|ui| 5.7 V時(shí)，時(shí)，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通， ui = 5.7當(dāng)當(dāng)uI - 0.7 V時(shí)，時(shí)，D2導(dǎo)通，導(dǎo)通， ui = -0.7當(dāng)當(dāng) - 0.7 V uI 5.7 V時(shí)，時(shí)，D1和和D2截止，此時(shí)截止，此時(shí) ui =uI即即 - 0.

23、7 V ui 5.7 V 三、二極管電平選擇電路三、二極管電平選擇電路 從多路輸入信號(hào)中選出最低電平或最高電平的電路，稱從多路輸入信號(hào)中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。二極管低電平選擇電路如圖所示。為電平選擇電路。二極管低電平選擇電路如圖所示。V1u1uoV2ERu2 設(shè)兩路輸入信號(hào)設(shè)兩路輸入信號(hào)u u1 1, u, u2 2均小于均小于E： 若若u1 u2，V1導(dǎo)通，導(dǎo)通，u uo o= =u1+ +0.7v， 使使V2截止。截止。 若若u2 uo時(shí)，時(shí)，V管導(dǎo)通，管導(dǎo)通，uo = ui 。 當(dāng)當(dāng) uiuo時(shí)，時(shí)，V管截止，管截止，uo 保持不變。保持不變。 一、穩(wěn)壓二極管的

24、特性一、穩(wěn)壓二極管的特性 穩(wěn)壓二極管的電路符號(hào)及穩(wěn)壓二極管的電路符號(hào)及伏安特性曲線如圖所示。伏安特性曲線如圖所示。 它的正、反向特性與普通它的正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)即電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，其兩端電壓幾乎不變。其兩端電壓幾乎不變。4.4 穩(wěn)壓二極管電路穩(wěn)壓二極管電路 穩(wěn)壓二極管是利用穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電路。ui

25、0IZminIZmaxUZ+-ui 二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù) 1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZUZ是指擊穿后在電是指擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，流為規(guī)定值時(shí)， 管子兩端的電壓值。管子兩端的電壓值。ui0IZminIZmaxUZ2. 額定功耗額定功耗PZPZ是由管子結(jié)溫限是由管子結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。制所限定的參數(shù)。PZ與與 PN結(jié)所用的結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時(shí)不允許超過(guò)材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時(shí)不允許超過(guò) 此值。此值。3. 穩(wěn)壓電流穩(wěn)壓電流IZI IZ Z是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)的參考電流。穩(wěn)是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)的參考電流。穩(wěn)定電流的最大值定電流的最大值I IZma

26、xZmax有一限制，即有一限制，即 IZmax=PZ/UZ超過(guò)此值會(huì)燒壞管子。另外，工作電流也有最小值超過(guò)此值會(huì)燒壞管子。另外，工作電流也有最小值I IZminZmin的限的限制，小于此值時(shí)，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。制，小于此值時(shí)，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。 4. 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻rZZZZQZUrIrZ一般為幾歐姆到幾十歐。一般為幾歐姆到幾十歐。VZUiUoRRLILIZIR 三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓必須滿足兩個(gè)條件穩(wěn)壓二極管實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓必須滿足兩個(gè)條件： 1. 穩(wěn)壓管反穩(wěn)壓管反向擊穿；向擊穿； 2. 串接限流電阻。串接限流電阻。其電路如圖所示。其電路如

27、圖所示。 若若Ui增大，增大，RL不變時(shí)不變時(shí) 若若RL增大，增大，Ui不變時(shí)不變時(shí)所謂穩(wěn)壓是指當(dāng)所謂穩(wěn)壓是指當(dāng)Ui和和RL變化時(shí)，輸出電壓變化時(shí)，輸出電壓U0要保持恒定。要保持恒定。 電路穩(wěn)壓原理如下：電路穩(wěn)壓原理如下：minminminiZZZLUUUIRR 當(dāng)當(dāng)Ui、RL變化時(shí)，變化時(shí)，IZ應(yīng)始終滿足應(yīng)始終滿足IzminIZIZmax。VZUiUoRRLILIZIR即即minminmaxminminiZLLZZUURRRRIUui0IZminIZmaxUZ限流電阻限流電阻R的選擇方法的選擇方法可見(jiàn)，當(dāng)可見(jiàn)，當(dāng)Ui =Uimin, RL = RLmin時(shí)，時(shí)，IZ最小。這時(shí)應(yīng)滿足最小。這時(shí)

28、應(yīng)滿足 設(shè)設(shè)Ui的最小值為的最小值為Uimin，最大值為最大值為Uimax；RL最小時(shí)最小時(shí)IL的的最大值為最大值為UZ/RLmin；RL最大時(shí)最大時(shí)IL的最小值為的最小值為UZ / RLmax。maxmaxmaxiZZZLUUUIRRminmaxRRR而當(dāng)而當(dāng)Ui=Uimax，RL=RLmax時(shí)，時(shí)，IZ最大。這時(shí)應(yīng)滿足最大。這時(shí)應(yīng)滿足maxminmaxmaxmaxiZLLZZUURRRRIU即即可得限流電阻的取值范圍是可得限流電阻的取值范圍是VZUiUoRRLILIZIRRui0IZminIZmaxUZRminVZUiUoR利用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的限幅電路：利用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成的限幅電路： 穩(wěn)壓

29、二極管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)定電壓Vz=6V,Vz=6V,輸入為幅度輸入為幅度10V10V的三角的三角波。求輸出電壓的波形。波。求輸出電壓的波形。tuo/V0 ui R1 uo 5 k A UZ DZ1 DZ2 1 k R2 輸出電壓輸出電壓限幅電路：限幅電路：tui/V02-2-6610212()TLZDRUUURR212()THZDRUUURR其上、下門限分別為：其上、下門限分別為：UoH =UZ+UDUoL =-(UZ+UD)輸出電壓的輸出電壓的限幅電路：限幅電路： 可見(jiàn)，只要調(diào)節(jié)電位可見(jiàn)，只要調(diào)節(jié)電位器動(dòng)臂的位置，使充、放器動(dòng)臂的位置，使充、放電時(shí)常數(shù)不等，則占空比電時(shí)常數(shù)不等，則占

30、空比可調(diào)。但振蕩周期（頻率）可調(diào)。但振蕩周期（頻率）保持不變。保持不變。 占空比占空比D可調(diào)的方波振蕩器可調(diào)的方波振蕩器1112DT TTT T顯然，上述電路由于顯然，上述電路由于T1=T2，T=2T1， 所以所以D=0.5 如果要求占空比可調(diào)如果要求占空比可調(diào): D定義為高電平時(shí)間定義為高電平時(shí)間T1與周期與周期T的比值，的比值，即即如動(dòng)臂向上移動(dòng)時(shí)：如動(dòng)臂向上移動(dòng)時(shí)：T1T2，Dnp 空穴為多子，電子為少子空穴為多子，電子為少子nnpn 電子為多子電子為多子，空穴為少子空穴為少子3. P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素。型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素。內(nèi)電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)UPN-+B空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止。結(jié)正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止。 5. . PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦越Y(jié)的單向?qū)щ娞匦?(1)TTu Usu UssIeiI eI正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置i iu0u0PN結(jié)電流方程結(jié)電流方程PN結(jié)伏安特性結(jié)伏安特性PNPN結(jié)擊穿結(jié)擊穿u/V0i/mA102030 5 10 0.50.5-+iu 在分析二極管電路時(shí)，必須首先判斷管子是正偏導(dǎo)通在分析二極管電路時(shí)，必須首先判斷管子是正偏導(dǎo)通還是反偏截止。然后用相應(yīng)模型等效來(lái)分析電