第2章 半導(dǎo)體二極管及其及其基本電路

2半導(dǎo)體二極管及其

基本電路2.1半導(dǎo)體的基本知識2/3/20231第2章引言半導(dǎo)體器件是現(xiàn)代電子技術(shù)的重要組成部分，由于它具有體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小和功率轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點而得到廣泛的應(yīng)用。集成電路特別是大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路不斷更新?lián)Q代，致使電子設(shè)備在微型化、可靠性和電子系統(tǒng)設(shè)計的靈活性等方面有了重大的進(jìn)步，因而電子技術(shù)成為當(dāng)代高新技術(shù)的龍頭。

2/3/20232第2章本章首先簡要地介紹半導(dǎo)體的基本知識，接著討論半導(dǎo)體器件的核心環(huán)節(jié)——PN結(jié)，并重點地討論半導(dǎo)體二極管的物理結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)以及二極管基本電路及其分析方法與應(yīng)用；在此基礎(chǔ)上，對齊納二極管、變?nèi)荻O管和光電子器件的特性與應(yīng)用也給予了簡要的介紹。2/3/20233第2章2.1.1半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體：導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體(電阻率ρ<10-6Ω·m)和絕緣體(電阻率ρ>108Ω·m)之間的物質(zhì)，稱為半導(dǎo)體。2/3/20234第2章1.元素半導(dǎo)體：硅(Si)，鍺(Ge)等。2.化合物半導(dǎo)體：砷化鎵(GaAs)3.其它：硼(B),磷(P),銦(In)和銻(Sb)等。目前最常用的半導(dǎo)體材料是：硅和鍺2/3/20235第2章2.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅(原子序數(shù)是14)和鍺(原子序數(shù)是32)是最常用的半導(dǎo)體材料，它們都是四價元素，其最外層原子軌道上具有四個價電子，可用其簡化模型來描述(如P27圖2.1.1所示)。2/3/20236第2章2/3/20237第2章

原子呈電中性。其二維晶格結(jié)構(gòu)圖。如(P27)圖2.1.2所示。2/3/20238第2章2/3/20239第2章2.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用1.本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體是指一種非常純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。純凈的半導(dǎo)體其導(dǎo)電性是很差的。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能受外界條件(溫度、摻雜等)的影響，會發(fā)生很大的變化。2/3/202310第2章2.本征激發(fā)在室溫下，某些價電子會從外界獲得足夠的隨機熱振動能量而掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子(如圖2.1.3所示)，這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。2/3/202311第2章2/3/202312第2章3.空穴－電子對當(dāng)束縛電子掙脫共價鍵的束縛成為自由電子之后，就在原來的地方留下了一個空位，這個空位叫做空穴，這個空穴和自由電子是同時產(chǎn)生的，稱之為“空穴－電子對”。電子帶負(fù)電，空穴帶正電，二者帶電量大小相等(q=1.602×10-19C)。2/3/202313第2章4.空穴與自由電子的導(dǎo)電機理自由電子導(dǎo)電：在電場作用下的定向運動?？昭▽?dǎo)電：電子的接力運動。如圖2.1.4所示。2/3/202314第2章2/3/202315第2章2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)而獲得的半導(dǎo)體，稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。根據(jù)摻入雜質(zhì)的不同可分為空穴(P)型半導(dǎo)體和電子(N)型半導(dǎo)體。2/3/202316第2章1.P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中摻入少量的三價元素(如硼或銦)而獲得的雜質(zhì)半導(dǎo)體，稱為空穴型半導(dǎo)體，簡稱為P型半導(dǎo)體。如圖2.1.5所示。2/3/202317第2章2/3/202318第2章其中，每一個三價元素提供一個空穴，當(dāng)它從外界獲得一個電子后及帶負(fù)電，成為不能移動的負(fù)離子，而丟失電子的半導(dǎo)體元素帶正電，半導(dǎo)體此時仍呈電中性。由于三價元素在半導(dǎo)體晶體中能接收電子，故稱之為受主雜質(zhì)。2/3/202319第2章P型半導(dǎo)體中空穴數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目，所以，空穴稱為多數(shù)載流子，簡稱多子；自由電子稱為少數(shù)載流子，簡稱少子。2/3/202320第2章2.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅(或鍺)中摻入少量的五價元素(如磷、砷或銻)而獲得的雜質(zhì)半導(dǎo)體，稱為電子型半導(dǎo)體，簡稱為N型半導(dǎo)體。如圖2.1.6所示。2/3/202321第2章2/3/202322第2章其中，每一個五價元素提供一個自由電子，當(dāng)丟失一個電子后及帶正電，成為不能移動的正離子，電子帶負(fù)電，半導(dǎo)體此時仍呈電中性。由于五價元素在半導(dǎo)體晶體中能提供電子，故稱之為施主雜質(zhì)。2/3/202323第2章N型半導(dǎo)體中自由電子數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空穴數(shù)目，所以，自由電子稱為多子，空穴稱為少子。2/3/202324第2章2．2PN結(jié)的形成及其特性1.PN結(jié)的形成如果在一塊本征半導(dǎo)體的兩邊，摻入不同的雜質(zhì)，使一邊成為P型半導(dǎo)體，另一邊成為N型半導(dǎo)體，則在兩種不同類型半導(dǎo)體的交接面處就會形成一個特殊的電荷區(qū)，這個電荷區(qū)稱之為PN結(jié)(PNJ)。PNJ是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。2/3/202325第2章(1).多子的擴散(觀看課件)由于P、N兩區(qū)多數(shù)載流子的濃度不同而向?qū)Ψ絽^(qū)域擴散，且很快被對方區(qū)域的多子復(fù)合而消失，其結(jié)果，在交界面兩側(cè)出現(xiàn)了不能移動的帶電離子組成的區(qū)域---空間電荷區(qū)(如圖2.2.1所示)，空間電荷區(qū)又稱為耗盡層(無載流子區(qū))。2/3/202326第2章2/3/202327第2章(2).少子的漂移運動由于空間電荷區(qū)的形成，在交界面附近形成了一個內(nèi)建電場ε０，其方向為“N→P”，內(nèi)建電場的出現(xiàn)將阻止多子的擴散，所以空間電荷區(qū)又稱為阻擋層。由于內(nèi)建電場ε０的出現(xiàn)，少子將在內(nèi)建電場的作用下發(fā)生漂移運動。[轉(zhuǎn)30]2/3/202328第2章2/3/202329第2章

多子的擴散與少子的漂移運動是一對矛盾。

(3).動態(tài)平衡擴散運動與漂移運動不斷的進(jìn)行著，當(dāng)二者運動強度相等時，PNJ便達(dá)到了動態(tài)平衡。2/3/202330第2章(4).PNJ的電位分布如圖2.2.2所示，由(a)圖及(b)圖可以看出，N區(qū)的電位要比P區(qū)高，高出的數(shù)值用V0表示。V

0---接觸電位差，一般為零點幾伏。由圖(b)可以看出，在PNJ以外的區(qū)域要保持電中性，所以是等電位的。2/3/202331第2章由圖(c)可以看出，電子要從N區(qū)到達(dá)P區(qū)，必須越過一個能量高坡，一般稱為勢壘，因此，空間電荷區(qū)又稱為勢壘區(qū)。［轉(zhuǎn)34］2/3/202332第2章2/3/202333第2章2.PNJ的單向?qū)щ娦?/p>

(1).PNJ正偏導(dǎo)通如圖2.2.3所示，當(dāng)P區(qū)接正電位，N區(qū)接負(fù)電位時，稱PNJ正向偏置，簡稱為正偏。2/3/202334第2章2/3/202335第2章PNJ正偏時，在PNJ內(nèi)部將產(chǎn)生一個與ε０方向相反的外加電場εF。當(dāng)εF>ε０時，將有正向電流I

F出現(xiàn)，且IF隨外加電壓的升高而增大。即：PNJ正偏時導(dǎo)電。2/3/202336第2章(2).PNJ反偏截止如圖2.2.4所示，當(dāng)P區(qū)接負(fù)電位，N區(qū)接正電位時，稱PNJ反向偏置，簡稱為反偏。此時外加電場εR與內(nèi)建電場ε０方向相同，二者的共同作用使漂移運動>>擴散運動，PNJ變得更寬。［轉(zhuǎn)39］2/3/202337第2章2/3/202338第2章通過PNJ的電流為IR

，IR主要是少子的漂移電流，由于少子的數(shù)目很少，所以很小。在一定范圍內(nèi)，IR不遂外加電壓的變化而變化，此時，IR就是反向飽和電流，用IS表示。由于IS很小，可以忽略，可以認(rèn)為：PNJ反偏時截止。2/3/202339第2章當(dāng)溫度升高時，本征激發(fā)增強，IR增加。IR是造成電路噪聲的主要原因之一，必須加以克服(補償法)。2/3/202340第2章

(3).PNJV－I特性的表達(dá)式①表達(dá)式以硅材料為例，當(dāng)在硅材料PNJ兩端施加正、反電壓時，通過PNJ的電流如圖2.2.5所示。理論分析，其特性表達(dá)式為：(2.2.1)[轉(zhuǎn)43]2/3/202341第2章2/3/202342第2章式中，iD為通過PNJ的電流，vD為PNJ兩端所加的外加電壓，VT為溫度的電壓當(dāng)量＝kT／q，當(dāng)T＝300K時，VT＝0.026V＝26mV。(k=1.38×10－23J/K、T=300K、q=1.9×10－19

C).2/3/202343第2章②式(2.2.1)的解釋：PNJ正偏時，vD為正值，當(dāng)vD比V

T

大幾倍時，式中的遠(yuǎn)大于1，式中的1可以忽略。這樣，PNJ的正向電流i

D與正向電壓vD成指數(shù)關(guān)系。2/3/202344第2章b.PNJ反偏時，vD為負(fù)值，若比VT大幾倍時，指數(shù)項趨近于零，即式中的1遠(yuǎn)大于()，式中的可以忽略。這樣，PNJ的反向電流iD＝－IS，且不隨反向電壓的大小而變動。2/3/202345第2章3.PNJ的擊穿當(dāng)加到PNJ兩端的反向電壓增大到一定值時，反向電流劇增的現(xiàn)象，稱為PNJ的反向擊穿(如圖2.2.6所示)。此時的反向電壓稱為反向擊穿電壓，用VBR表示。2/3/202346第2章2/3/202347第2章(1).雪崩擊穿過程：當(dāng)加到PNJ兩端的反向電壓較高時，J內(nèi)的反向電場很強，使漂移電子獲得的運動能量很大，這些電子與J內(nèi)的原子發(fā)生碰撞，使J內(nèi)原子電離，產(chǎn)生新的“空穴--電子對”，2/3/202348第2章而這些新的“空穴--電子對”又被電場加速，又發(fā)生碰撞---電離……從而產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，載流子數(shù)目劇增，IR劇增，PNJ擊穿(圖2.2.7所示)。雪崩擊穿的機理：碰撞電離［轉(zhuǎn)51］2/3/202349第2章2/3/202350第2章(2).齊納擊穿發(fā)生在摻雜濃度很高的PNJ內(nèi)。特點：反向電壓較小(5V以下)。2/3/202351第2章過程：由于PNJ很窄，較小的反向電壓在J內(nèi)可產(chǎn)生很強的反向電場，此電場可把J內(nèi)原子的價電子從共價鍵中“強行拉出來”，使原子電離，產(chǎn)生大量的載流子(少子)，這些載流子在反壓的作用下，形成很大的反向電流，PNJ擊穿。2/3/202352第2章齊納擊穿機理：場致電離雪崩擊穿電壓：8~1000V;齊納擊穿電壓：5V以下；兩種擊穿同時出現(xiàn)：5~8V2/3/202353第2章(3).熱擊穿當(dāng)PNJ發(fā)生擊穿時，由于反向電流很大，使J溫升高，進(jìn)一步使擊穿加快，當(dāng)J溫高到超過它的耗散功率時，PNJ出現(xiàn)熱擊穿，PNJ燒毀。(1)、(2)兩種擊穿(電擊穿)當(dāng)外加電壓撤除后，PNJ可以恢復(fù)；第(3)種擊穿發(fā)生后，將損壞PNJ。2/3/202354第2章2.3半導(dǎo)體二極管2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體二極管按結(jié)構(gòu)的不同可分為點接觸型和面接觸型。2/3/202355第2章1.點接觸型二極管如圖2.3.1(a)所示。點接觸型二極管PNJ面積很小，極間電容小承受反壓小，功耗電流小。常用于高頻檢波、脈沖數(shù)字電路中開關(guān)元件、小電流整流。例如：2AP1：最大整流電流為16mA，最高工作頻率為150MHz。［轉(zhuǎn)58］2/3/202356第2章2/3/202357第2章2.面結(jié)型二極管如圖2.3.1(b)所示，面結(jié)型二極管PNJ面積大，極間電容大，功耗電流大。常用于低頻整流。例如：2CP1：最大整流電流為400mA，最高工作頻率為3kHz。圖2.3.1(c)為集成電路中的平面型二極管結(jié)構(gòu)圖。［轉(zhuǎn)61］2/3/202358第2章2/3/202359第2章2/3/202360第2章3.二極管電路符號如圖2.3.1(d)所示。2/3/202361第2章

2.3.2二極管的V－I特性1.正向特性如圖2.3.3所示的①端段。門坎電壓Vth(又稱為死區(qū)電壓)，硅管：0.5V；鍺管：0.1V.正常工作電壓：硅管：0.7V左右；鍺管：0.2V(或0.3V)左右。［轉(zhuǎn)64］2/3/202362第2章2/3/202363第2章2.反向特性如圖2.3.3所示的②端段。由圖可知，二極管只有一個很小的反向飽和電流IS。3.反向擊穿特性如圖2.3.3所示的③端段。2/3/202364第2章此時，二極管兩端的反向電壓基本不變，但反向電流劇增，且很小的一個電壓變化，就會引起很大的電流變化。原因同于PNJ擊穿。2/3/202365第2章2.3.3二極管的參數(shù)1.最大整流電流IF是指管子長期工作時允許通過的最大正向平均電流。例如：2AP1的IF＝16mA2/3/202366第2章2.反向擊穿電壓VBR是指管子反向擊穿時的電壓值。手冊中給出的最高反向工作電壓約為反向擊穿電壓的一半，以確保管子安全工作。例如：2AP1最高反向工作電壓規(guī)定為20V而反向反向擊穿電壓實際上大于40V。2/3/202367第2章3.反向電流IR是指管子未擊穿時的反向電流，其值越小，管子的單向?qū)щ娦栽胶?。溫度的增加會使反向電流劇增，使用二極管時要注意溫度的影響。2/3/202368第2章4.極間電容(1).勢壘電容CBPNJ的勢壘電容是用來描述勢壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而產(chǎn)生的電容效應(yīng)的。外加正(反)向電壓升高時，相當(dāng)于電容“充電”(空間電荷區(qū)變窄(寬))(如圖2.3.4(a)所示)；當(dāng)外加電壓降低時，相當(dāng)于電容“放電”(空間電荷區(qū)變寬(窄))(如圖2.3.4(b)所示)。［轉(zhuǎn)71］2/3/202369第2章2/3/202370第2章當(dāng)外加電壓頻率越高時，勢壘電容的作用越明顯。且外加反向電壓時，CB的作用較明顯。(2).擴散電容CDCD反映了在外加電壓作用下，載流子在擴散過程中的積累效應(yīng)。主要表現(xiàn)在PNJ正偏時的電容效應(yīng)。2/3/202371第2章(3).PNJ的高頻等效電路如圖2.3.5所示。r表示結(jié)電阻，C表示結(jié)電容。2/3/202372第2章5.二極管的其它參數(shù)參閱表2.3.16.半導(dǎo)體器件的命名方法附：半導(dǎo)體器件型號命名方法(根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB249—74)1．半導(dǎo)體器件的型號由五個部分組成2．型號組成部分的符號及其意義(見P44表)［轉(zhuǎn)76］2/3/202373第2章

2/3/202374第2章2/3/202375第2章2.4二極管基本電路及其分析方法2.4.1二極管正向V－I特性的建模1.理想模型如圖2.4.1(a)所示，為理想二極管的V-I特性(黑線表示實際特性，紫線表示理想模型)；(b)為其電路符號。由(a)可見，二極管正偏時，管壓降為0，反偏時，其電阻為∞，電流為零。［轉(zhuǎn)78］2/3/202376第2章2/3/202377第2章2.恒壓降模型如圖2.4.2(a)所示，為恒壓降二極管模型的V－I特性(黑線表示實際特性，紫線表示理想模型)；(b)為其電路符號。由(a)可見，二極管正偏時，管壓降認(rèn)為是恒定的，且不隨電流而改變，典型值為0.7V(當(dāng)iD≥1mA時才是正確的)。反偏時，其電阻為∞，電流為零。［轉(zhuǎn)80］2/3/202378第2章2/3/202379第2章3.折線模型如圖2.4.3所示。這種模型更接近實際特性，在此認(rèn)為，管壓降是隨著通過二極管的電流而增加的。其中V

th為門坎電壓(硅管為0.5V，鍺管為0.1V)，rD為一等效電阻。［轉(zhuǎn)82］2/3/202380第2章2/3/202381第2章4.小信號模型如圖2.4.4所示，在靜態(tài)工作點附近，可把二極管看成為一條直線，該直線斜率的倒數(shù)就是所求的小信號模型的微變電阻rd參考圖2.4.4(a)，可求得rd為：rd=ΔvD/ΔiD［轉(zhuǎn)84］2/3/202382第2章2/3/202383第2章rd還可以通過二極管V－I特性表達(dá)式求得。對上式求iD對vD的微分可得微變電導(dǎo)2/3/202384第2章由此可得

例如，當(dāng)Q點上的I

D＝2mA時rd＝26mV／2mA＝13Ω。(2.4.1)2/3/202385第2章2.4.2模擬分析法應(yīng)用1.二極管電路的靜態(tài)工作情況分析例2.4.1設(shè)簡單二極管基本電路如圖2.4.5a所示，R＝10kΩ，圖b是它的習(xí)慣畫法。對于下列兩種情況，求電路的ID和VD的值：(1)VDD＝10V；(2)VDD＝1V。在每種情況下，應(yīng)用理想模型、恒壓降模型和折線模型求解。［轉(zhuǎn)88］2/3/202386第2章2/3/202387第2章解：圖2.4.5a的電路中，虛線左邊為線性部分，右邊為非線性部分。符號”丄”為參考電位點，或叫“地”，即電路的共同端點。電路中任一點的電位，都是對此共同端而言的。為了簡單起見，圖a所示的電路常采用圖b所示的習(xí)慣畫法，今后經(jīng)常用到?，F(xiàn)按題意，分別求解如下：2/3/202388第2章

(1)VDD＝10V①使用理想模型得

VD＝0V，

ID＝VDD／R＝10V／10kΩ＝1mA②使用恒壓降模型得2/3/202389第2章

③使用折線模型得

VD＝0.5V+ID

rD＝0.5V+0.931mA×0.2k＝0.69V2/3/202390第2章

(2)VDD＝1V

①使用理想模型得

②使用恒壓降模型得2/3/202391第2章

③使用折線模型得

VD＝0.5V+ID

rD＝0.5V+0.049mA×0.2k＝0.51V2/3/202392第2章上例表明，在電源電壓遠(yuǎn)大于二極管管壓降的情況下，恒壓降模型能得出較合理的結(jié)果，但當(dāng)電源電壓較低時，折線模型能提供較合理的結(jié)果。正確選擇器件的模型，是電子電路工作者必須掌握的基本技能。2/3/202393第2章

2．限幅電路在電子技術(shù)中，常用限幅電路對各種信號進(jìn)行處理。它是用來讓信號在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，有選擇地傳輸一部分?，F(xiàn)舉例說明。

2/3/202394第2章例2.4.2一限幅電路如圖2.4.6(a)所示，R＝1k，VREF＝3V。(1)vI＝0V、4V、6V時，求相應(yīng)的輸出電壓vO的值；(2)當(dāng)v

i＝6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。［轉(zhuǎn)97］2/3/202395第2章2/3/202396第2章解：(1)考慮輸入電壓不高，且有參考電壓VREF＝3V，因此作用于二極管兩端的電壓不高，選用折線模型來分析是合適的，其等效電路如圖2.4.6(b)所示，設(shè)Vth＝0.5V，rD＝200Ω。當(dāng)v

I＝0V時，二極管截止，所以v

O＝v

I。2/3/202397第2章當(dāng)v

I＝4V時，vO＝VREF+Vth+(v

I—VREF—Vth)rD／(rD+R)＝3.5V+(4V一3.5V)×0.2／1.2＝3.5V+0.083V＝3.583V當(dāng)vI＝6V時，v

O＝VREF+Vth+(vI一VREF—Vth)rD／(rD+R)＝3.5V+(6V一3.5V)×0.2／1.2＝3.5V+0.417V＝3.917V2/3/202398第2章

(2)由于所加輸人電壓為幅值等于6V的正弦電壓，所以(1)中所得的結(jié)果可以用來繪制輸出電壓的波形。首先繪出電路的vI－vO傳輸特性。在二極管沒有導(dǎo)通之前，即v

I<(VREF+Vth)之前，傳輸特性是一條通過0點且斜率為1的直線；一旦當(dāng)v

I>(VREF+Vth)，傳輸特性發(fā)生轉(zhuǎn)折并以斜率為rD／(rD+R)上升，如圖2.4.6(c)所示。2/3/202399第2章［轉(zhuǎn)102］2/3/2023100第2章輸出電壓vO。的波形可以按照輸入電壓的波形通過傳輸特性繪出，如圖2.4.6(d)所示。2/3/2023101第2章3.開關(guān)電路在開關(guān)電路中，利用二極管的單向?qū)щ娦砸越油ɑ驍嚅_電路，這在數(shù)字電路中得到廣泛的應(yīng)用。2/3/2023102第2章在分析這種電路時，應(yīng)當(dāng)掌握一條基本原則：即判斷電路中的二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)還是截止?fàn)顟B(tài)，可以先將二極管斷開，然后觀察(或經(jīng)過計算)陽、陰兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導(dǎo)通，否則二極管截止，現(xiàn)舉例說明。2/3/2023103第2章例2.4.3一二極管開關(guān)電路如圖2.4.7所示。當(dāng)vI1和vI2為0V或5V時，求vI1和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。設(shè)二極管是理想的。［轉(zhuǎn)106］2/3/2023104第2章2/3/2023105第2章解：(1)當(dāng)vI1＝0V、vI2＝5V時，D1為正向偏置，v

O＝0V(因二極管是理想的)，此時D2的陰極電位為5V，陽極為0V，處于反向偏置，故D2截止。(2)依此類推，將vI1和vI2的其余三種組合及輸出電壓列于表2.4.1中。2/3/2023106第2章2/3/2023107第2章由上表可見，在輸入電壓vI1和vI2中，只要有一個為0V，則輸出為0V；只有當(dāng)兩輸入電壓均為5V時，輸出才為5V，這種關(guān)系在數(shù)字電路中稱為與邏輯。2/3/2023108第2章

4．低電壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源是電子電路中常見的組成部分。這里所討論的是一種低電壓的穩(wěn)壓電路。利用二極管的正向壓降特性，可以獲得較好的穩(wěn)壓性能。2/3/2023109第2章設(shè)低電壓穩(wěn)壓電路如圖2.4.8(a)所示。合理選取電路參數(shù)，對于硅二極管，可以獲得輸出電壓vO(＝VD)近似等于0.7V，若采用幾只二極管串聯(lián)，則可獲得3～4V的輸出電壓。［112］2/3/2023110第2章[轉(zhuǎn)112]2/3/2023111第2章由于某種原因，如電網(wǎng)電壓波動引起直流電源電壓V

I產(chǎn)生波動，這個波動分量用ΔV

I表示，其波形是任意的，它與VI串聯(lián)共同作用于R(限流電阻)和二極管D相串聯(lián)的支路(圖2.4.8(b))。2/3/2023112第2章電路中VI、R和二極管D共同確定電路的靜態(tài)工作點。當(dāng)波動電壓增量ΔVI出現(xiàn)之后，電路中的電流和二極管電壓亦產(chǎn)生相應(yīng)的增量，即:iD＝ID+ΔiD，vD＝VD+ΔvD。2/3/2023113第2章如去掉電路中直流分量，則可得到穩(wěn)壓電路的小信號等效電路，如圖2.4.8(c)所示。圖中rd就是前面分析的二極管的微變電阻。2/3/2023114第2章利用圖2.4.8(c)所示的小信號等效電路，可以分析電源電壓VI波動所引起的輸出電壓的變動情況，下面舉例來說明。2/3/2023115第2章例2.4.4在圖2.4.8(a)所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓VI的正常值為10V，R＝10kΩ，若VI變化土1V時，問相應(yīng)的硅二極管電壓(輸出電壓)的變動如何?2/3/2023116第2章解：(1)當(dāng)VI的正常值為10V時，利用二極管恒壓降模型有：V

D≈0.7V由此可得二極管Q點上的電流為：此電流值可證實二極管的管壓降為0.7V的假設(shè)。2/3/2023117第2章

(2)在此Q點上，按式(2.4.1)計算二極管的微變電阻rd為：

(3)按題意，VI有土1V的波動，它可視為一峰－峰值為2V的交流信號，該信號作用于由R和rd組成的分壓器上。顯然，相應(yīng)的二極管的信號電壓，可按分壓比來計算，即：2/3/2023118第2章由此可知，二極管電壓vd的變化為土2.79mV。此數(shù)值是很小的，應(yīng)用小信號模型來分析是合適的。2/3/2023119第2章討論：上例表明，利用二極管正向壓降基本恒定的特點，可以構(gòu)成低電壓穩(wěn)壓電路，若將三只二極管串接起來，等效于一只約2V的齊納二極管(見下節(jié))。2/3/2023120第2章由于低電壓的齊納二極管的反向擊穿特性不夠急劇，穩(wěn)壓性能不夠理想，所以在3～4V以下，常采用多只二極管串接，可以獲得較好的穩(wěn)壓特性。在這類應(yīng)用中，二極管的小信號模型用來計算輸出電壓的變動是合適的。2/3/2023121第2章以上列舉了應(yīng)用二極管的各種模型來分析二極管電路的典型例子。其余應(yīng)用將通過習(xí)題和后續(xù)章節(jié)的內(nèi)容來掌握。還應(yīng)當(dāng)指明，以上介紹的是二極管正向特性的模型。2/3/2023122第2章二極管較完整且較精確的模型是前面討論過的由式(2.2.1)所表達(dá)的指數(shù)模型。不過，利用指數(shù)模型借助數(shù)學(xué)迭代法分析二極管電路是比較煩瑣的。2/3/2023123第2章若利用PSPICE程序進(jìn)行分析，倒是比較方便的，請見本章末有關(guān)這方面的例題和習(xí)題。此外，二極管的直流恒壓降特性和小信號模型的概念，在第5章討論互補對稱功率放大電路的偏置電路中將得到應(yīng)用。2/3/2023124第2章2．5特殊二極管2.5.1齊納二極管１.穩(wěn)壓二極管：齊納二極管又稱穩(wěn)壓二極管，是一種特殊工藝制造的面接型半導(dǎo)體二極管。如圖2.5.1所示。2/3/2023125第2章2/3/2023126第2章穩(wěn)壓二極管是利用二極管反向擊穿時反向電壓基本不變的特性制造成得一種特殊二極管。2.幾種常見的穩(wěn)壓二極管如表2.5.1所示。2/3/2023127第2章表2.5.1幾種典型的穩(wěn)壓管的主要參數(shù)2/3/2023128第2章

3.并聯(lián)型穩(wěn)壓電路如圖2.5.2所示。圖中R為限流電阻，DZ為穩(wěn)壓二極管，RL為負(fù)載電阻。其穩(wěn)壓原理如下：［轉(zhuǎn)131］2/3/2023129第2章2/3/2023130第2章上過程中，應(yīng)注意V

I＝VR+VO。2/3/2023131第2章例2.5.1一穩(wěn)壓電路如圖2.5.3所示，其中的直流輸入電壓VI，系由汽車上鉛酸電池供電，電壓在12～13.6V之間波動。負(fù)載為一移動式9V半導(dǎo)體收音機，當(dāng)它的音量最大時，需供給的功率為0.5W。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)為：穩(wěn)定電壓VZ＝9V，穩(wěn)定電流的范圍為IZ＝5mA至IZM＝56mA，耗散功率為1W①。限流電阻R的值為51Ω。試分析此穩(wěn)壓電路能否正常工作。［轉(zhuǎn)134］2/3/2023132第2章2/3/2023133第2章解：(1)負(fù)載所消耗的功率PL＝VL

I

L(2)檢驗穩(wěn)壓管的耗散功率當(dāng)空載(IL＝0)時，穩(wěn)壓管的最大耗散功率為：此功率未超過穩(wěn)壓管的額定耗散功率值。2/3/2023134第2章

(3)檢驗限流電阻R的功率定額

當(dāng)VI＝VIM且為滿負(fù)載的情況下，R上所消耗的功率為：為安全和可靠起見，限流電阻R以選用51Ω、1W的電阻為宜。2/3/2023135第2章＊

2.5.2變?nèi)荻O管前面已討論，二極管結(jié)電容的大小除了與本身結(jié)構(gòu)和工藝有關(guān)外，還與外加電壓有關(guān)。結(jié)電容隨反向電壓的增加而減小，這種效應(yīng)顯著的二極管稱為變?nèi)荻O管。圖2.5.4a為它的代表符號，圖b是某種變?nèi)荻O管的特性曲線。2/3/2023136第2章2/3/2023137第2章不同型號的管子，其電容最大值可能是5～300pF。最大電容與最小電容之比約為5∶1。變?nèi)荻O管在高頻技術(shù)中應(yīng)用較多。2/3/2023138第2章＊

2.5.3光電子器件雖然模擬和數(shù)字電子技術(shù)中，廣泛地應(yīng)用半導(dǎo)體二極管和三極管電路來作信號處理，但是當(dāng)前一種新的趨勢是，在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)中，可有效地應(yīng)用光信號。例如在電話、計算機網(wǎng)絡(luò)，聲像演唱機用的CD或VCD，計算機光盤CD-ROM，甚至于在船舶和飛機的導(dǎo)航裝置中均采用現(xiàn)代化的光電子系統(tǒng)。2/3/2023139第2章光電子系統(tǒng)的突出優(yōu)點是，抗干擾能力較強，可大量地傳送信息，而且傳輸損耗小，工作可靠。它的主要缺點在于，光路比較復(fù)雜，光信號的操作與調(diào)制需要精心地設(shè)計。光信號和電信號的接口需要一些特殊的光電子器件，下面分別予以介紹。2/3/2023140第2章2.5.3.1光電二極管光電二極管的結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管類似，但在它的PN結(jié)處，通過管殼上的一個玻璃窗口能接收外部的光照。這種