電子技術(shù)基礎(chǔ)二極管及其基本電路課件

教學(xué)內(nèi)容：本章首先簡(jiǎn)單介紹半導(dǎo)體的基本知識(shí)，著重討論半導(dǎo)體器件的核心環(huán)節(jié)--PN結(jié)，并重點(diǎn)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(duì)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(jiǎn)要的介紹。1

教學(xué)要求：本章需要重點(diǎn)掌握二極管模型及其電路分析，特別要注意器件模型的使用范圍和條件。對(duì)于半導(dǎo)體器件，主要著眼于在電路中的使用，關(guān)于器件內(nèi)部的物理過(guò)程只要求有一定的了解。22.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)2.1.1半導(dǎo)體材料2.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)2.1.3本征半導(dǎo)體2.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體:導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導(dǎo)電的重要特點(diǎn)1、其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力32.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型—完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。2.1.3本征半導(dǎo)體在T=0K和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，沒(méi)有載流子，不導(dǎo)電兩個(gè)價(jià)電子的共價(jià)鍵正離子核4

2.1.3本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用溫度

光照自由電子空穴本征激發(fā)空穴

——共價(jià)鍵中的空位空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)。溫度

載流子濃度

＋5*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1：其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響

溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑62.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）自由電子＝多子空穴＝少子空穴＝多子自由電子＝少子由熱激發(fā)形成它主要由雜質(zhì)原子提供空間電荷7

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響8本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子空穴N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價(jià))P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價(jià))多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體復(fù)合*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力92.2PN結(jié)的形成及特性

2.2.1PN結(jié)的形成

2.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

*

2.2.3PN結(jié)的反向擊穿

2.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)102.2.1PN結(jié)的形成1.濃度差

多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)2.擴(kuò)散

空間電荷區(qū)

內(nèi)電場(chǎng)3.內(nèi)電場(chǎng)

少子的漂移運(yùn)動(dòng)

阻止多子的擴(kuò)散4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡載流子的運(yùn)動(dòng)：擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)——濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)——在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng)P區(qū)N區(qū)擴(kuò)散：空穴電子漂移：電子空穴形成過(guò)程可分成4步(動(dòng)畫)內(nèi)電場(chǎng)11PN結(jié)形成的物理過(guò)程：因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。擴(kuò)散>漂移否是寬122.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r(shí)才…擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏擴(kuò)散>漂移大的正向擴(kuò)散電流（多子）低電阻

正向?qū)ㄆ?gt;擴(kuò)散很小的反向漂移電流（少子）高電阻

反向截止132.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)特性描述2、PN結(jié)方程PN結(jié)的伏安特性陡峭電阻小正向?qū)?、PN結(jié)的伏安特性特性平坦反向截止一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的非線性其中IS——反向飽和電流VT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）近似估算正向：反向：142.2.3PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆152.2.4PN結(jié)的電容效應(yīng)

(1)勢(shì)壘電容CB勢(shì)壘電容示意圖擴(kuò)散電容示意圖(2)擴(kuò)散電容CD162.3半導(dǎo)體二極管2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)2.3.2二極管的伏安特性2.3.3二極管的參數(shù)PN結(jié)加上引線和封裝

二極管按結(jié)構(gòu)分類點(diǎn)接觸型面接觸型平面型17半導(dǎo)體二極管圖片點(diǎn)接觸型面接觸型平面型18半導(dǎo)體二極管圖片1920212.3.2二極管的伏安特性3.PN結(jié)方程（近似）硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流 硅：0.1

A；鍺：10A222.3.3二極管的參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CB硅二極管2CP10的V-I特性232.4二極管基本電路及其分析方法2.4.1二極管V-I特性的建模2.4.2模型分析法應(yīng)用舉例

4、應(yīng)用電路分析舉例2、二極管狀態(tài)判斷1、二極管電路的分析概述

3、等效電路（模型）分析法講課思路：241、二極管電路的分析概述應(yīng)用電路舉例例2.4.2（習(xí)題2.4.12）習(xí)題2.4.5整流 限幅習(xí)題2.4.6初步分析——依據(jù)二極管的單向?qū)щ娦訢導(dǎo)通：vO

=vI

-vDD截止：vO

=0D導(dǎo)通：vO

=vDD截止：vO

=vI左圖中圖顯然，vO

與

vI

的關(guān)系由D的狀態(tài)決定而且，D處于反向截止時(shí)最簡(jiǎn)單！25分析思路分析任務(wù)：求vD、iD目的1:確定電路功能，即信號(hào)vI傳遞到vO，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。首先，判斷D的狀態(tài)？若D反向截止，則相當(dāng)于開(kāi)路（iD

0，ROFF

∞）；若D正向?qū)?，則？正向?qū)ǚ治龇椒ǎ簣D解法等效電路（模型）法——將非線性線性先靜態(tài)（直流），后動(dòng)態(tài)（交流）靜態(tài)：vI

=0（正弦波過(guò)0點(diǎn)）動(dòng)態(tài)：vI

01、二極管電路的分析概述262、二極管狀態(tài)判斷例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD

>IF？D反向截止ID=0VD=-10VD反向擊穿iD

=

？vD

=

？二極管狀態(tài)判斷方法假設(shè)D截止(開(kāi)路)，求D兩端開(kāi)路電壓普通：熱擊穿－損壞齊納：電擊穿VD=-VBR=-40VVD>0VD正向?qū)ǎ?VBR<VD

0VD反向截止,ID=0VD

-VBRD反向擊穿,VD=-VBRD正向?qū)ǎ緿正向?qū)ǎ?7習(xí)題2.4.4試判斷圖題2.4.4中二極管導(dǎo)通還是截止，為什么?圖題2.4.4(a)例2:習(xí)題2.4.3電路如下圖所示，判斷D的狀態(tài)2、二極管狀態(tài)判斷28

3、等效電路（模型）分析法（2.4.1二極管V-I特性的建模）

(1)理想模型(3)折線模型(2)恒壓降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）29

3、等效電路（模型）分析法(4)小信號(hào)模型二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效為:微變電阻根據(jù)得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo)常溫下（T=300K）30

4、應(yīng)用電路分析舉例例2.4.1求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V時(shí)（b）VDD=1V時(shí)VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型31二極管應(yīng)用舉例

uiuoOO

t

t(b)

2

2DuiuoRL(a)++--（1）二極管整流電路32（2）二極管限幅電路

t+-RDE2Vuiuo+-+-(a)05ui

/V-5

23)(b

t02.7uo

/V-5

232.733D1

鉗位作用D2隔離作用(3)開(kāi)關(guān)電路D3.4V0.3V1D23.9k-12VABY34

例2.4.3一二極管開(kāi)關(guān)電路如圖所示。當(dāng)V1和V2為0V或5V時(shí)，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設(shè)二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-

0

035

解：(1)當(dāng)V1=0V,V2=5V時(shí),D1為正向偏置，

V0=0V,此時(shí)D2的陰極電位為5V，陽(yáng)極為0V，處于反向偏置，故D2截止。

(2)以此類推，將V1和V2的其余三種組合及輸出電壓列于下表：

V1

V2

D1

D2

V0

0V

0V導(dǎo)通導(dǎo)通

0V

0V

5V導(dǎo)通截止

0V

5V

0V截止導(dǎo)通

0V

5V

5V截止截止

5V36

由上表可見(jiàn)，在輸入電壓V1和V2中，只要有一個(gè)為0V，則輸出為0V;只有當(dāng)兩輸入電壓均為5V時(shí)，輸出才為5V，這種關(guān)系在數(shù)字電路中稱為“與”邏輯。

注意：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(kāi)，然后觀察陰、陽(yáng)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。37（4）低電壓穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電源是電子電路中常見(jiàn)的組成部分。利用二極管正向壓降基本恒定的特點(diǎn)，可以構(gòu)成低電壓穩(wěn)壓電路。38

例：在如圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓V

的正常值為10V，R=10k,當(dāng)V

變化±1V時(shí)，問(wèn)相應(yīng)的硅二極管電壓(輸出電壓)的變化如何？

39

解：(1)當(dāng)V

的正常值為10V時(shí)，利用二極管恒壓降模型有VD≈0.7V，

由此可得二極管的電流為

此電流值可證實(shí)二極管的管壓降為0.7V的假設(shè)。

(2)在此Q點(diǎn)上，40

(3)按題意，V

有±1V的波動(dòng)，它可視為峰-峰值為2V的交流信號(hào)，該信號(hào)作用于由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應(yīng)的二極管的信號(hào)電壓可按分壓比來(lái)計(jì)算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二極管電壓Vd的變化為±2.79mV。41

4、應(yīng)用電路分析舉例例2.4.4求

vD、

iD。VI=

10V，vi=

1Vsin

t解題步驟:(1)靜態(tài)分析(令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)動(dòng)態(tài)分析(令VI=0）由小信號(hào)模型得42分析方法小結(jié)2.4二極管基本電路及其分析方法假設(shè)D截止（開(kāi)路）求D兩端開(kāi)路電壓VD

0.7VD正向?qū)?VBR<VD

0.7VD反向截止ID=0(開(kāi)路)VD

-VBRD反向擊穿VD=-VBR(恒壓)VD=0.7V(恒壓降)狀態(tài)等效電路條件將不同狀態(tài)的等效電路（模型）代入原電路中，分析vI和vO

的關(guān)系畫出電壓波形和電壓傳輸特性特殊情況：求

vD（波動(dòng)）小信號(hào)模型和疊加原理恒壓降模型432.5特殊二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管（齊納）2.5.2變?nèi)荻O管2.5.3光電子器件1.光電二極管2.發(fā)光二極管3.激光二極管反向擊穿狀態(tài)反向截止，利用勢(shì)壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正向?qū)òl(fā)光必須掌握“齊納二極管”，其它了解。請(qǐng)自學(xué)！442.5.1穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)及穩(wěn)壓特性(a)符號(hào)(b)伏安特性利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)（齊納擊穿）。45(1)穩(wěn)定電壓VZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=

VZ/

IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——

VZ2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)2.5.1穩(wěn)壓二極管462.5.1穩(wěn)壓二極管3.穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時(shí)VO=VZ#

穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？自動(dòng)調(diào)整過(guò)程：47

例：如圖所示是一個(gè)簡(jiǎn)單的并聯(lián)穩(wěn)壓電路。

R為限流電阻，求R上的電壓值VR和電流值

。R48解：假定輸入電壓在（7--10V）內(nèi)變化。R49習(xí)題與預(yù)習(xí)習(xí)題2.4.12.4.32.5.4預(yù)習(xí)3.1半導(dǎo)體BJT50一、判斷下列說(shuō)法是否正確，用“√”和“×”表示判斷結(jié)果填入空內(nèi)。（1）在N型半導(dǎo)體中如果摻入足夠量的三價(jià)元素，可將其改型為P型半導(dǎo)體。（）（2）因?yàn)镹型半導(dǎo)體的多子是自由電子，所以它帶負(fù)電。（）（3）PN結(jié)在無(wú)光照、無(wú)外加電壓時(shí)，結(jié)電流為零。（）自測(cè)題解：（1）√（2）×（3）√

51

1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)，空間電荷區(qū)將

。

A.變窄B.基本不變C.變寬

2）設(shè)二極管的端電壓為U，則二極管的電流方程是

。

A.ISeUB.

C.3）穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓區(qū)是其工作在

狀態(tài)。

A.正向?qū)˙.反向截止C.反向擊穿解：（1）A（2）C（3）C

二、選擇正確答案填入空內(nèi)。52三、寫出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值，設(shè)二極管導(dǎo)通電壓UD＝0.7V。解：UO1≈1.3V，UO2＝0，UO3≈－1.3V，

UO4≈2V，UO5≈1.3V，UO6≈－2V。圖T1.353四、已知穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ＝6V，穩(wěn)定電流的最小值IZmin＝5mA。求圖T1.4所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

圖T1.4541.1

選擇合適答案填入空內(nèi)。（1）在本征半導(dǎo)體中加入

元素可形成N型半導(dǎo)體，加入

元素可形成P型半導(dǎo)體。

A.五價(jià)B.四價(jià)C.三價(jià)（2）當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的反向飽和電流將

。

A.增大B.不變C.減小習(xí)題解：（1）A，C（2）A

551.2能否將1.5V的干電池以正向接法接到二極管兩端？為什么？

解：不能。因?yàn)槎O管的正向電流與其端電壓成指數(shù)關(guān)系，當(dāng)端電壓為1.5V時(shí)，管子會(huì)因電流過(guò)大而燒壞。56

1.7

現(xiàn)有兩只穩(wěn)壓管，它們的穩(wěn)定電壓分別為6V和8V，正向?qū)妷簽?.7V。試問(wèn)：（1）若將它們串聯(lián)相接，則可