第1章二極管及其應(yīng)用電路

1第1章二極管及其應(yīng)用電路1.1半導(dǎo)體的基本知識1.2PN結(jié)1.3二極管1.4二極管的應(yīng)用電路1教學(xué)目標與要求

熟悉半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性。

掌握PN結(jié)的特性。

了解二極管的結(jié)構(gòu)，掌握其工作原理、特性曲線及其主要參數(shù)。

掌握穩(wěn)壓二極管的穩(wěn)壓特性，了解其主要參數(shù)；了解發(fā)光二極管、光電二極管等半導(dǎo)體器件的結(jié)構(gòu)、工作原理及其應(yīng)用場合。21.1半導(dǎo)體的基本知識物質(zhì)的分類（按導(dǎo)電性能分）①導(dǎo)體：低價元素（如Cu、AI等）導(dǎo)電性能好②絕緣體：高價元素（如惰性氣體）或高分子物質(zhì)（如橡膠）導(dǎo)電性能極差③半導(dǎo)體：四價元素（如Si、Ge等）導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間（1）熱敏特性半導(dǎo)體的多變特性（2）光敏特性溫度升高導(dǎo)電能力顯著變化。如熱敏電阻光線照射導(dǎo)電能力顯著變化。如光電二極管載流子3（3）摻雜特性在本征半導(dǎo)體中摻入少量的有用的雜質(zhì)，導(dǎo)電能力顯著增強。如二極管、晶體管等。1.1.1本征半導(dǎo)體定義SiSiSiSiSiSiSiSiSi共價鍵價電子晶體原子的結(jié)合方式共價鍵純凈的具有單晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。如圖所示4SiSiSiSiSiSiSiSiSi

2.本征半導(dǎo)體的特點（1）有兩種載流子，即自由電子和空穴，且數(shù)目相等，即成對出現(xiàn)。（2）可形成兩種電流，即電子電流和空穴電流?？昭ㄗ杂呻娮幼⒁猓?）金屬導(dǎo)體只有一種載流子即自由電子。本征激發(fā)復(fù)合

（2）本征半導(dǎo)體中，自由電子和空穴的濃度相等。5（3）本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與環(huán)境溫度有關(guān)；溫度T載流子的濃度導(dǎo)電能力增強

（4）導(dǎo)電能力仍不如導(dǎo)體。

（5）絕對零度（T=0K）時，本征半導(dǎo)體成為絕緣體。1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體①N型半導(dǎo)體②P型半導(dǎo)體多余電子

在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷）

N型半導(dǎo)體的特點：①有兩種載流子，即自由電子和空穴。自由電子是多子，空穴是少子；1.N型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體SiSiSiP+SiSiSiSiSi6SiSiSiSiB-SiSiSiSi②主要靠自由電子導(dǎo)電。2.P型半導(dǎo)體

在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼）P型半導(dǎo)體空位空穴

P型半導(dǎo)體的特點：①有兩種載流子，即自由電子和空穴。空穴是多子，自由電子是少子；②主要靠空穴導(dǎo)電。

雜質(zhì)半導(dǎo)體中的雜質(zhì)原子必須是微量的，且有用，否則將改變半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)?！咎貏e提示】7

在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，所摻雜質(zhì)的濃度基本上取決于多子的濃度；而溫度決定少子的濃度很低。

雜質(zhì)半導(dǎo)體（N型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體）仍呈中性。

1.2PN結(jié)

1.2.1PN結(jié)的形成擴散運動漂移運動動態(tài)平衡（一定寬度）空間電荷區(qū)PN結(jié)---------------+++++++++++++++P區(qū)多子N區(qū)多子---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場說明

空間電荷區(qū)又稱耗盡層8

1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN結(jié)正向偏置外加正向電壓或正向接法

PN結(jié)的正向電流可視為由多子的擴散運動形成的。---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場RUS外電場變窄內(nèi)電場外電場USRP區(qū)N區(qū)---+++I【特別提示】9

2.PN結(jié)反向偏置外加反向電壓或反向接法

PN結(jié)的反向電流可視為由少子的漂移運動形成。---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)內(nèi)電場RUS外電場---------+++++++++變寬內(nèi)電場RUS外電場I

PN結(jié)的反向電流對溫度很敏感。【特別提示】10

PN結(jié)正向偏置空間電荷區(qū)變窄正向電阻很小正向電流較大PN結(jié)導(dǎo)通

PN結(jié)反向偏置空間電荷區(qū)變寬

（理想時為∞）反向電流（反向飽和電流）極?。ɡ硐霑r為0）PN結(jié)截止反向電阻很大PN結(jié)正向偏置時導(dǎo)通，反向偏置時截止單向?qū)щ娦越Y(jié)論（理想時為0）11說明PN結(jié)的結(jié)電容Cj①勢壘電容Cb②擴散電容CdCj=Cb+Cd

1.2.3PN結(jié)的電流方程IS：反向飽和電流q：電子電量k：波爾茲曼常數(shù)T：熱力學(xué)溫度溫度的電壓當量則常溫時，即T=300K（即27℃）時，UT≈26mV說明12構(gòu)成:實質(zhì)上就是一個PN結(jié)PN結(jié)+引線+管殼1.3二極管+-陽極陰極

特性：單向?qū)щ娦酝庑渭皥D形符號陽極陰極PN131.3.1二極管的類型和結(jié)構(gòu)

1.二極管的類型按所用材料不同分①硅管②鍺管按用途不同分①普通管②整流管③開關(guān)管按內(nèi)部結(jié)構(gòu)不同分①點接觸型②面接觸型③平面型大功率整流元件多為鍺管多為硅管142.二極管的結(jié)構(gòu)（1）點接觸型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。特點用途用于高頻電路的檢波和變頻等。15（2）面接觸型結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大。特點用途多用于工頻大電流整流電路。（3）平面型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線結(jié)面積可大可小。特點用途多用于低頻整流和開關(guān)電路中。陰極引線陽極引線SiO2保護層P型硅N型硅161.3.2二極管的伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點硅0.6~0.8V典型值0.7V鍺0.1~0.3V典型值0.2V死區(qū)電壓uiPN+–PN–+非線性17說明（1）PN結(jié)的反向擊穿①齊納擊穿（反向擊穿電壓較低）②雪崩擊穿（反向擊穿電壓較高）發(fā)生場合：高摻雜場合。

因高摻雜，故耗盡層較窄，不太高的反向電壓即可在耗盡層內(nèi)形成很強的電場，使價電子掙脫共價鍵的束縛，產(chǎn)生電子—孔穴對，導(dǎo)致反向電流急劇增加。

因低摻雜，故耗盡層較寬，較高反向電壓，使耗盡層內(nèi)少子漂移速度加快而碰撞出共價鍵的價電子，產(chǎn)生電子—孔穴對，并導(dǎo)致載流子雪崩式的倍增，使反向電流急劇增加。發(fā)生場合：低摻雜場合。18（2）理想二極管正向?qū)妷航岛头聪螂娏骶鶠榱?。特點uiO實際特性實際特性理想特性理想特性當外加電壓遠大于二極管的正向?qū)妷航担也挥嬈浞聪螂娏鲿r，可將二極管視為理想二極管。19

二極管的特性與環(huán)境溫度有關(guān)。當環(huán)境溫度升高時，正向特性曲線將左移，反向特性曲線將下移，反飽和電流將增加，而反向擊穿電壓將降,

如圖所示。Ou/Vi/mA25℃60℃U(BR)Bi/μA死區(qū)電壓正向特性反向特性A【特別提示】20

一般地，硅二極管所允許的結(jié)溫比鍺二極管的高（硅管的最高結(jié)溫約為150℃，鍺管的約為90℃），故大功率的二極管幾乎均為硅管。

二極管的正向特性曲線不是直線，而是近似為指數(shù)

曲線。故二極管是一個非線性器件。1.3.3二極管的主要參數(shù)1.最大整流電流IFM：指平均值。要求ID(AV)≤IFM2.最高反向工作電壓URM：指最大值。要求URm≤URM3.靜態(tài)電阻RD二極管的靜態(tài)電阻（又稱直流等效電阻）是指靜態(tài)時加到二極管兩端的直流電壓U與所通過的直流電流I之比，用RD表示。21u/Vi/mAOUIQ圖1.3.5二極管的靜態(tài)電阻α靜態(tài)工作點顯然，靜態(tài)工作點不同，二極管的靜態(tài)電阻也不同。靜態(tài)工作點越高（即靜態(tài)電流I越大），靜態(tài)電阻越小。4.動態(tài)電阻Rd二極管的動態(tài)電阻（又稱交流等效電阻）是指二極管在靜態(tài)工作點附件電壓的變化量與電流的變化量之比，用rd表示，即22u/Vi/mAOQ圖1.3.6二極管的動態(tài)電阻△i△uα若加到二極管兩端的電壓僅在靜態(tài)工作點的附近作微量的變化，則可以得出常溫下，由于UT=26mV故上式又可寫為可見，二極管的動態(tài)電阻與靜態(tài)工作點的位置有關(guān)，靜態(tài)工作點越高，即靜態(tài)電流I越大，則二極管的動態(tài)電阻越小。231.3.4特殊二極管

穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。穩(wěn)壓區(qū)：反向擊穿區(qū)1）符號

2）伏安特性UZIZIZMUZIZu/Vi/mAO1.穩(wěn)壓二極管

243）穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）穩(wěn)定電流IZ（或IZmin)（4）額定功耗PZM（5）動態(tài)電阻rzIZ好要求：rZ好注意穩(wěn)壓管電路中必須要串聯(lián)限流電阻！UZIZIZMUZIZu/Vi/mAOAB（3）最大穩(wěn)定電流IZM25穩(wěn)壓管的正常穩(wěn)壓區(qū)在其反向擊穿區(qū)內(nèi)。為保證穩(wěn)壓管安全地起到穩(wěn)壓作用，要求

【例1-3-1】如圖所示電路UI＝24V，VZ的型號為2CW58，UZ＝10V，IZ＝5mA，IZM＝23mA，限流電阻R＝500Ω，為保證電路為負載RL提供10V的穩(wěn)定直流電壓，試確定負載電阻RL的適用范圍。RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL【特別提示】26當穩(wěn)壓管工作于穩(wěn)壓區(qū)時，若負載電阻RL最小，則負載電流IL最大。由于IR不變，故由上式可知，穩(wěn)壓管的電流IDZ最小。此時，應(yīng)有

【解】為保證電路輸出10V的穩(wěn)定直流電壓，應(yīng)使穩(wěn)壓管安全地工作于穩(wěn)壓區(qū)。根據(jù)KCL得解得RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL27若負載電阻RL最大，則負載電流IL最小。由于IR不變，故穩(wěn)壓管的電流最大。此時，應(yīng)有解得RRLVZ+-UO+-UIIDZIRIL所以，負載電阻RL的適用范圍為435Ω～2kΩ。282.發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1）類型①可見光②不可見光③激光

3）應(yīng)用：顯示電路2）特性和符號工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(1.53)V符號u/Vi

/mAO2特性USRLED293.光電二極管1）特性及符號uE＝0iE1E2O

①無光照時，與普通二極管一樣（反向電流稱為暗電流）；

②有光照時特性曲線下移。

（a）在第三象限中，照度一定時，光電二極管可視為一恒流源光電流>幾十μA時光電流∝光照遙控、報警、光電傳感器（b）在第四象限中呈光電池特性302）應(yīng)用電路（a）光電二極管反向偏置時的應(yīng)用iUSR+-uRVD（b）光電二極管形成光電池Ri+-uRVD311.4二極管的應(yīng)用電路1.4.1整流電路

將大小和方向隨時間變化的交流電壓變成單一方向的、脈動的直流電壓的過程稱為整流。整流原理詳見第10章。1.4.2檢波電路

調(diào)制的方式通常分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相三種。tuo調(diào)制信號O低通濾波器包絡(luò)檢波原理檢波輸出調(diào)幅波檢波器件ui載波調(diào)制信號Ot321.4.3.限幅電路將輸出電壓的幅值限制在一定數(shù)值范圍之內(nèi)的電路稱為限幅器。限幅器又稱為削波器。1.4.4鉗位電路將電路中某點的電位鉗制在某一數(shù)值上，稱為鉗位。二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。否則，正向管壓降硅0.6～0.8V（典型值取0.7V）鍺0.1～0.3V（典型值取0.2V）33-10（b）波形圖uo/VOωt5.7-5.7π2π3π10ui

【例1-4-1】如圖（a）所示電路，設(shè)輸入電壓，，US1＝US2＝5V，VD1和VD2均為硅管，其正向?qū)妷航礥D＝0.7V。試畫出輸出電壓uo的波形。VD1VD2Ruiuo+-US1US2+-（a