第三章半導(dǎo)體二極管及基本電路

1、模 擬 電 子 技 術(shù)二極管及基本電路二極管及基本電路3.1 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識3.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管3.4 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法3.5 特殊二極管特殊二極管3.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性模 擬 電 子 技 術(shù) 一一. 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料 根據(jù)物體導(dǎo)電能力根據(jù)物體導(dǎo)電能力( (電阻率電阻率) )的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有典型的半導(dǎo)體有硅硅SiSi和和鍺鍺GeGe以及以及砷化鎵砷化鎵GaAsGaAs等。等。 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體

2、之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體的特點半導(dǎo)體的特點: :1.半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。2.半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時，其導(dǎo)電能力將會有顯著變化。半導(dǎo)體受外界光和熱的刺激時，其導(dǎo)電能力將會有顯著變化。 3. 在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會急劇增強。在純凈半導(dǎo)體中，加入微量的雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力會急劇增強。 3.1半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識模 擬 電 子 技 術(shù)二二. 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅硅( (鍺鍺) )的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型簡化模型價電子價電子通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成通過一定的工藝過程，可

3、以將半導(dǎo)體制成晶體晶體。硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)(c)晶體：晶體： 原子排列規(guī)則、原子排列規(guī)則、 有規(guī)律的物質(zhì)有規(guī)律的物質(zhì)模 擬 電 子 技 術(shù)1.本征半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體硅硅( (鍺鍺) )的共價鍵結(jié)構(gòu)的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對三三. 本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。形成晶體。 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為在共價鍵中

4、，稱為束縛電子束縛電子，常溫，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為下束縛電子很難脫離共價鍵成為自自由電子由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。能力很弱。模 擬 電 子 技 術(shù)+4+4+4+4自由電子自由電子空空 穴穴束縛電子束縛電子2.2.本征激發(fā)本征激發(fā)載流子載流子: 可以自可以自移動的帶電粒子移動的帶電粒子 在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛 成為成為自由電子自由電子，并在共價鍵中留下一個空位并在共價鍵中留下一個空位(空穴空穴)的過程的過程。空穴的

5、出現(xiàn)使半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特征?？昭ǖ某霈F(xiàn)使半導(dǎo)體區(qū)別于導(dǎo)體的一個重要特征。本征激發(fā)動畫本征激發(fā)動畫本征半導(dǎo)體中存在本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等數(shù)量相等的兩種載流子，即的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。模 擬 電 子 技 術(shù)3.本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，來填補，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。可以認為空穴是載流子。ABC電子空穴移動電子空穴移動動畫動畫E本

6、征半導(dǎo)體中存在本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等數(shù)量相等的兩種載流子，即的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。載流子的濃度。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強，強，溫度溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點。體的一大特點。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成：本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流空穴移動產(chǎn)生的電流。模 擬

7、 電 子 技 術(shù) 結(jié)論結(jié)論：1. 1. 本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少； 2. 2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電； 3. 3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。模 擬 電 子 技 術(shù)四四. 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體1 1、P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼硼，硼原子的最外層有三個價，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時電子，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可

8、能吸引產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為接受電子，所以稱為受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是多子空穴是多子 電子是少子電子是少子P 型半導(dǎo)體形成動畫型半導(dǎo)體形成動畫模 擬 電 子 技 術(shù)2、N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷，與相鄰的半導(dǎo)體原子形在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷，與相鄰的半導(dǎo)體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)成共價鍵，必定多出一個電

9、子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為原子給出一個電子，稱為施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是少子空穴是少子， 電子是多子電子是多子。 型半導(dǎo)體形成動畫型半導(dǎo)體形成動畫模 擬 電 子 技 術(shù)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起

10、導(dǎo)電作用的主要是多子關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。相等。模 擬 電 子 技 術(shù) 摻入雜摻入雜 質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大 的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下: : T T=300 K=300 K室溫下室溫下, ,本征硅的電子和空穴濃度本征硅的電子和空穴濃度: : n = p =1.41010/cm32比摻雜前載流子增加106，即一百萬倍。 3摻雜后摻雜后 N N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: : n=51016/cm3 3. 雜雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

11、本征硅的原子濃度本征硅的原子濃度: : 4.961022/cm3 1模 擬 電 子 技 術(shù)本本 節(jié)節(jié) 小小 結(jié)結(jié) 1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。 3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。 4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。 5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)。模 擬 電 子 技 術(shù)3.2 PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性一一.PN 結(jié)的形成結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同

12、一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P 型半導(dǎo)型半導(dǎo)體和體和N 型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了交界面處就形成了PN 結(jié)。結(jié)。模 擬 電 子 技 術(shù)P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運動漂移運動內(nèi)電場越強，就使漂移內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。也稱耗盡層。擴散的結(jié)果是使空間擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，電荷區(qū)逐漸加寬，結(jié)的形成動畫結(jié)的形成動畫模 擬 電 子 技 術(shù)1. 載流子的載流子的濃度差濃度差引起多子的引起多子

13、的擴散擴散2. 復(fù)合使交界面復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)形成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)特點空間電荷區(qū)特點:無載流子，無載流子，阻止擴散進行，阻止擴散進行，利于少子的漂移。利于少子的漂移。3. 擴散和漂移達到擴散和漂移達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡擴散電流擴散電流 等于漂移電流等于漂移電流， 總電流總電流 I = 0。模 擬 電 子 技 術(shù)二、二、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場外電場使多子向外電場使多子向 PN 結(jié)移動結(jié)移動,中和部分離子中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻限流電阻擴散運動加強形成正向電流擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF

14、 = I多子多子 I少子少子 I多子多子1. 外加外加正向正向電壓電壓( (正偏正偏) ) 當(dāng)外加電壓使當(dāng)外加電壓使PNPN結(jié)中結(jié)中P P區(qū)的電位高于區(qū)的電位高于N N區(qū)的電位，稱為加區(qū)的電位，稱為加正向電壓正向電壓，簡稱，簡稱正偏正偏；反之稱為加；反之稱為加反向電壓反向電壓，簡稱，簡稱反偏反偏。 PN結(jié)正偏結(jié)正偏,外電場削弱內(nèi)電場外電場削弱內(nèi)電場,PN結(jié)變窄結(jié)變窄,多子擴多子擴散運動遠大于少子漂移運動散運動遠大于少子漂移運動,形成較大的正向電流形成較大的正向電流,正向電阻很小正向電阻很小,PN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通模 擬 電 子 技 術(shù)2. 外加外加反向反向電壓電壓( (反偏反偏) )P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)

15、內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)變寬。IR漂移運動加強形成反向電流漂移運動加強形成反向電流 IR，IR = I少子少子 0PN PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大正偏導(dǎo)通，呈小電阻，電流較大; ;反偏截止，電阻很大，電流近似為零反偏截止，電阻很大，電流近似為零。PN結(jié)反偏結(jié)反偏,外電場加強內(nèi)電場外電場加強內(nèi)電場,PN結(jié)變寬結(jié)變寬,多子擴散運動削弱多子擴散運動削弱,少子漂移運動少子漂移運動相對加強相對加強,由濃度很小少子漂移運動形成很小的反向電流由濃度很小少子漂移運動形成很小的反向電流,反向電阻很反向電阻很大大,PN結(jié)截止結(jié)截止 在一定的溫度條件下

16、，在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，小無關(guān)，這個電流也稱為這個電流也稱為反向飽和電流反向飽和電流。 模 擬 電 子 技 術(shù)三、三、PN 結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性/S(e1)DTvVDiI反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量TkTVq電子電子電量電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)常溫下常溫下 T = 300K( (27 C) )：VT = 26 mVOVD /ViD /mA正向特性正向特性反向特性反向特性加正向電壓時加

17、正向電壓時加反向電壓時加反向電壓時DTVVDSiI eDSiI 表達式表達式:模 擬 電 子 技 術(shù)四四、PN 結(jié)的反向擊穿特性結(jié)的反向擊穿特性O(shè)VD /ViD /mA反向擊穿反向擊穿VBR反向擊穿類型：反向擊穿類型：電擊穿電擊穿熱擊穿熱擊穿: PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。: PN 結(jié)燒毀。結(jié)燒毀。 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)的結(jié)的反向擊穿。反向擊穿。模 擬 電 子 技 術(shù)反向擊穿原因反向擊穿原因： 齊納擊穿齊納擊穿： 反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵

18、。反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓擊穿電壓 6 V,正正溫度系數(shù)溫度系數(shù)) )反向電場使電子加速，動能增大，撞擊反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。使自由電子數(shù)突增。電電擊擊穿穿只有在雜質(zhì)濃度特別大的只有在雜質(zhì)濃度特別大的PN結(jié)中才能達到結(jié)中才能達到模 擬 電 子 技 術(shù)1.勢壘電容勢壘電容CB (PN結(jié)反偏結(jié)反偏)2.擴散電容擴散電容CD (PN結(jié)正偏結(jié)正偏)PN結(jié)高頻等效電路：結(jié)高頻等效電路：Cd =CB+CDrCd五五、PN 結(jié)的電容效應(yīng)結(jié)的電容效應(yīng)勢壘電容示意圖勢壘電容示意圖 結(jié)論：結(jié)論：1.1.低頻低頻時時，因容，因容抗抗很大，對很大，對 PN PN

19、結(jié)影響很小。結(jié)影響很小。 高頻高頻時時，因容抗減小，使，因容抗減小，使結(jié)電容分流結(jié)電容分流，導(dǎo)致導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾顔蜗驅(qū)щ娦宰儾睢?2.2.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，勢壘區(qū)是積累空間電荷的區(qū)域，當(dāng)電壓變化時，就會引起積累當(dāng)電壓變化時，就會引起積累在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，在勢壘區(qū)的空間電荷的變化，這樣所表現(xiàn)出的電容是這樣所表現(xiàn)出的電容是勢壘電容勢壘電容。為了形成正向電流（擴散電流），注入為了形成正向電流（擴散電流），注入P 區(qū)的電子在區(qū)的電子在P 區(qū)區(qū)有濃度差，越靠近有濃度差，越靠近PN結(jié)濃度越大，即在結(jié)濃度越大，即在P 區(qū)有電

20、子的積累。區(qū)有電子的積累。同理，在同理，在N區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。區(qū)有空穴的積累。正向電流大，積累的電荷多。這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容這樣所產(chǎn)生的電容就是擴散電容CD。擴散電容示意圖擴散電容示意圖模 擬 電 子 技 術(shù)3.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管一一. 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型PN 結(jié)結(jié) + 引線引線 + 管殼管殼 = 二極管二極管(Diode)符號：符號：ak 陰極陰極分類：分類：按材料分按材料分硅二極管硅二極管鍺二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型陽極陽極模 擬 電 子 技 術(shù)點接觸型二極管點接觸型二極管面接觸型二

21、極管面接觸型二極管 PN結(jié)面積大，用結(jié)面積大，用于大電流整流電路。于大電流整流電路。 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。用于檢波和變頻等高頻電路。模 擬 電 子 技 術(shù)模 擬 電 子 技 術(shù)1、PN 結(jié)的伏安特性方程結(jié)的伏安特性方程D/DS(e1)TVViI反向飽反向飽和電流和電流溫度的溫度的電壓當(dāng)量電壓當(dāng)量當(dāng)當(dāng) T = 300( (27 C) )： VT = 26 mV二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性TkTVq電子電量電子電量玻爾茲曼玻爾茲曼常數(shù)常數(shù)模 擬 電 子 技 術(shù)2、二極管的伏安特性、二極管的伏安特性O(shè)vD /ViD /mA正向特性正向特性

22、Vth門坎門坎(死區(qū)死區(qū)) 電壓電壓iD = 0Vth = 0.5 V 0.1 V( (硅管硅管) )( (鍺管鍺管) )V VthiD 急劇上升急劇上升0 V Vth VD(on) = (0.6 0.8) V(導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓)硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管鍺管 0.2 V反向特性反向特性ISV (BR)反向擊穿反向擊穿V(BR) V 0 iD = IS 0.1 A( (硅硅) ) ;幾十幾十 A ( (鍺鍺) )V V(BR)反向電流急劇增大反向電流急劇增大 ( (反向擊穿反向擊穿) )1). 正向特性正向特性2). 反向特性反向特性模 擬 電 子 技 術(shù)硅管的伏安特性硅管

23、的伏安特性鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020模 擬 電 子 技 術(shù)3).反向擊穿特性：反向擊穿特性： 當(dāng)當(dāng)PNPN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值(V(VBRBR) )時，反向時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)的結(jié)的反向擊穿。反向擊穿。熱擊穿熱擊穿不可逆不可逆 雪崩擊穿雪崩擊穿 齊納擊穿齊納擊穿 電擊穿電擊穿可逆可逆模 擬 電 子 技 術(shù)三三. 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)2.

24、 VBR 反向擊穿電壓反向擊穿電壓4. IR 反向電流反向電流( (越小單向?qū)щ娦栽胶迷叫蜗驅(qū)щ娦栽胶? )iDVDV (BR)I FO1. IF 最大整流電流最大整流電流( (最大正向平均電流最大正向平均電流) )5. 極間電容極間電容: 勢壘電容勢壘電容CB 擴散電容擴散電容CDCd =CB+CD6. fM 最高工作頻率最高工作頻率( (超過時單向?qū)щ娦宰儾畛^時單向?qū)щ娦宰儾? )3. VRM 最高反向工作電壓最高反向工作電壓，為為 V(BR) / 2 模 擬 電 子 技 術(shù)3.4 二極管基本電路及其分析方法二極管基本電路及其分析方法 3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法簡單二極管

25、電路的圖解分析方法 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法模 擬 電 子 技 術(shù)3.4.1 簡單二極管電路的圖解分析方法簡單二極管電路的圖解分析方法 二極管是一種非線性器件，因而其電路一般二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的二極管的V V - -I I 特性曲線。特性曲線。模 擬 電 子 技 術(shù)例例3.4.1 電路如圖所示，已知二極管的電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源特性曲線

26、、電源VDD和電阻和電阻R，求二極管兩端電壓，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流和流過二極管的電流iD 。 解：由電路的解：由電路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一條斜率為是一條斜率為-1/R的直線，稱為的直線，稱為負載線負載線 Q的坐標(biāo)值（的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。）即為所求。Q點稱為電路的點稱為電路的工作點工作點模 擬 電 子 技 術(shù)3.4.2 3.4.2 二極管電路的簡化模型分析方法二極管電路的簡化模型分析方法一、二極管伏安特性建模一、二極管伏安特性建模1、理想模型、理想模型vDiD代表符號代表符號:+DvDi-正偏導(dǎo)通，正

27、偏導(dǎo)通，vD = 0；反偏截止，反偏截止， iD = 0 R = 由圖可見，在正向偏置時，由圖可見，在正向偏置時，其管壓降為其管壓降為0V，而當(dāng)二極管，而當(dāng)二極管處于反向偏置時，認為它的處于反向偏置時，認為它的電阻為無窮大，電流為零。電阻為無窮大，電流為零。 在實際的電路中，當(dāng)電源電壓遠比二極在實際的電路中，當(dāng)電源電壓遠比二極管的管壓降大時，利用此法來近似分析管的管壓降大時，利用此法來近似分析是可行的是可行的.模 擬 電 子 技 術(shù)2、恒壓降模型、恒壓降模型vDiD代表符號代表符號:vD 0.7 V (Si)0.2 V (Ge)+-DvDi當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓當(dāng)二極管導(dǎo)通后，其管壓降認為是恒

28、定的，且不隨降認為是恒定的，且不隨電流而變，電流而變，只有當(dāng)二極管的電流只有當(dāng)二極管的電流iD近似等于或近似等于或大于大于1mA時與結(jié)果接近。時與結(jié)果接近。模 擬 電 子 技 術(shù)+-DvDiVthrD3、折線模型、折線模型D0.70.52001VVrmAvDiD代表符號代表符號:門坎電壓門坎電壓Vth 0.5 V (Si)0.1 V (Ge)為了較真實地描述二極管為了較真實地描述二極管V-I特性，特性，認為二極管的管壓降不是恒定的，認為二極管的管壓降不是恒定的，而是隨著通過二極管電流的增加而而是隨著通過二極管電流的增加而增加，所以在模型中增加，所以在模型中用一個電池和用一個電池和一個電阻一個電

29、阻rD來作進一步的近來作進一步的近似似。電池的電壓選定為二極管的電池的電壓選定為二極管的門坎電壓門坎電壓Vth:rD的值，當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為的值，當(dāng)二極管的導(dǎo)通電流為1mA時，時，管壓降為管壓降為0.7V，于是，于是rD的值可計算如下：的值可計算如下：模 擬 電 子 技 術(shù)vs =0 時時, Q點稱為靜態(tài)工作點點稱為靜態(tài)工作點 ，反映直流時的工作狀態(tài)。，反映直流時的工作狀態(tài)。)(11sDDDDvv VRRivs =Vmsin t 時（時（VmVDD）, 將將Q點附近小范圍內(nèi)的點附近小范圍內(nèi)的V-I 特性線性化，得到特性線性化，得到小信號模型，即以小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。點為切點

30、的一條直線。4、小信號模型、小信號模型模 擬 電 子 技 術(shù)vDiDQ代表符號代表符號:DiDv+-DrDvDi求微變電阻求微變電阻rD:DDDvri1ddgrTDDVrI 二極管工作在正向特二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效成一個正向特性可以等效成一個微變電阻。微變電阻。常溫下（常溫下（T=300K）:)mA()mV(26DDdIIVrT DDQdidv/(1)DTvvSDQd Iedv/DTvvSTQIeVDTIV)1(/SDD TVveIi據(jù)據(jù)得得Q點處的微變電導(dǎo)點處的微變電導(dǎo)模 擬 電 子 技 術(shù)1.1.整流電路整流電路（a）電路圖）電路圖

31、（b）vs和和vo的波形的波形二、模型分析法應(yīng)用舉例二、模型分析法應(yīng)用舉例模 擬 電 子 技 術(shù)2、二極管電路靜態(tài)工作分析、二極管電路靜態(tài)工作分析例例: 硅二極管，硅二極管，R = 10 k ，分別用二極管理想模，分別用二極管理想模型、恒壓降模型和折線模型求出型、恒壓降模型和折線模型求出 （1）VDD = 10 V 、（2） VDD = 10 V 時時 ID 和和 VD 的值。的值。DiDVDDvD+-RRVDDDiD+-vD模 擬 電 子 技 術(shù)0DV 10110DDDDVVVImARk理想模型理想模型:恒壓模型恒壓模型:0.7DV (100.7)0.9310DDDDVVVImARk100.

32、50.931100.2DDthDDVVVVImARrkk折線模型折線模型:(1) VDD=10V(2) VDD=1V0.50.9310.20.69DthD DVVI rVmAkV理想模型理想模型:0DV 10.110DDDDVVVImARk恒壓模型恒壓模型:0.7DV (1 0.7)0.0310DDDDVVVImARk折線模型折線模型:10.50.049100.2DDthDDVVVVImARrkk0.50.030.20.51DthD DVVI rVmAkVVDD 大，大， 采用理想或恒壓降采用理想或恒壓降 模型模型VDD 小，小， 采用采用折線折線模型模型DiDVDDvD+-R模 擬 電 子

33、技 術(shù)3.3.限幅電路限幅電路 電路如圖，電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)解，當(dāng)vI = 6sin t V時，繪出相應(yīng)的輸出電壓時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。的波形。 模 擬 電 子 技 術(shù)例例 一二極管開關(guān)電路如下圖所示。用理想模型分析當(dāng)一二極管開關(guān)電路如下圖所示。用理想模型分析當(dāng)vI1和和vI2為為0V或或5V時，求時，求vI1和和vI2的值不同組合情況下，輸出電壓的值不同組合情況下，輸出電壓vO的值。的值。5 V4. 開關(guān)電路開關(guān)電路D1D24.7KVcc5VvI1vI2+

34、-+-vI1vI24.7KD1D2Vcc5VvI1vI2二極管工作情況二極管工作情況vOD1D20 V 0 V0 V 5 V5 V 0 V5 V 5 V導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止截止截止截止截止截止截止0 V 0 V 0 V 5 V 模 擬 電 子 技 術(shù)例：例：電路如圖所示，求電路如圖所示，求AO的電壓值的電壓值解：解： 先斷開先斷開D，以，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，為基準(zhǔn)電位， 即即O點為點為0V。 則接則接D陽極的電位為陽極的電位為-6V，接，接 陰極的電位為陰極的電位為-12V。 陽極電位高于陰極電位，陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，導(dǎo)通后，D的壓降

35、等于零，即的壓降等于零，即A點的電位就是點的電位就是D陽極的電位。陽極的電位。所以，所以，AO的電壓值為的電壓值為-6V。模 擬 電 子 技 術(shù)5. 低電壓穩(wěn)壓電源低電壓穩(wěn)壓電源DiDVIvD+-RiDvD+-RVI+-VIiD=ID+iDvD=VD+vDiDR+-vOrd+-vI例例: :在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓在圖所示的低電壓穩(wěn)壓電路中，直流電源電壓V VI I的正常值為的正常值為10V10V，R=10K,R=10K,若若V VI I 變化變化1V1V時，問相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？時，問相應(yīng)的硅二極管電壓（輸出電壓）的變化如何？解解：當(dāng)當(dāng) V VI I的正

36、常值為的正常值為10V10V，利，利用恒壓降模型，用恒壓降模型，V VD D0.7V 0.7V ?？伞？傻玫肣 Q點上的電流為點上的電流為: :100.70.9310DVVImAK26280.93TdDVm VrIm A在此在此Q Q點上，二極管的微變電阻為點上，二極管的微變電阻為VIVI有有1V1V的波動，可視為一峰的波動，可視為一峰- -峰峰值為值為2V2V的交流信號作用于由的交流信號作用于由R R和和r rD D組組成的分壓器上成的分壓器上d(-d3r2 VR + r2 82 V5.5 8 m V1 01 02 8dv峰峰 值 ）二極管電壓二極管電壓vdvd的變化范圍為的變化范圍為2.9

37、mV2.9mV。小信號小信號等效電路等效電路VI 波動后波動后的電路的電路模 擬 電 子 技 術(shù)6.6.小信號工作情況分析小信號工作情況分析圖示電路中，圖示電路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒壓降模型的，恒壓降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sin t V。（1）求輸出電壓）求輸出電壓vO的交流量和總量；（的交流量和總量；（2）繪出）繪出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。概念，在放大電路的分析中非常重要。模 擬 電 子 技 術(shù)3.5特殊二極管一、齊納二極管一、齊納二極管(穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管)符號符號+

38、 -工作條件：工作條件：反向擊穿反向擊穿Vz 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 (穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓)穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓作用: 電流增量電流增量 IZ很很大只引起很小大只引起很小的電壓的電壓 VZ變化變化模 擬 電 子 技 術(shù)主要參數(shù)主要參數(shù)3) 最大工作電流最大工作電流 IZM (Imax) 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾 幾十幾十 1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 VZ 流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。兩端的反向電壓值。2) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 小

39、于小于 Imin 時不穩(wěn)壓時不穩(wěn)壓, 大于大于Imax時燒毀。時燒毀。模 擬 電 子 技 術(shù)5.) 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CTZZTVV100%CT 一般，一般，VZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 ( (為雪崩擊穿為雪崩擊穿) )具有正溫度系數(shù)；具有正溫度系數(shù)；4 V VZ 7 V，CTV 很小。很小。模 擬 電 子 技 術(shù)并聯(lián)式穩(wěn)壓電路并聯(lián)式穩(wěn)壓電路oIoVRIRIZIVIVORRLILIRIZ(Io)LRoVRIzIiVoVoV穩(wěn)壓原理穩(wěn)壓原理:RV模 擬 電 子 技 術(shù)穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例Zmin10V, P1 ,2mA ,R=100ZzVW I25

40、0LR (max)110010ZzZPWImAVV例例:穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù)穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):VoiZDZRViRL(1)若若 ,試求試求Vi允許的變化范圍允許的變化范圍(2)若若 Vi=22V ,試求試求RL允許的變化范圍允許的變化范圍解：解：(1) DZ管允許的最大電流為管允許的最大電流為(max)24iVV(max)(max)izZZLVVVIRRVi(max)應(yīng)滿足應(yīng)滿足:(min)14.2iVV(min)minizZZLVVVIRRVi(min)應(yīng)滿足應(yīng)滿足:(max)(max)izZZLVVVIRR(min)(min)izZZLVVVIRR RLmax 、RLnin 應(yīng)分別滿足應(yīng)分別滿足:14.2Vi 24V5085LR (2)模 擬 電 子 技 術(shù)VIVORRLILIRIZ例例 : :一穩(wěn)壓電路如圖一穩(wěn)壓電路如圖所示，其中的直流輸所示，其中的直流輸入電壓入電壓V VI I系由汽車上系由汽車上鉛酸電池供電，電壓鉛酸電池供電，電壓在在121213.6V13.6V之間波之間波動。負載為一移動式動。負載為一移動式9V9V半導(dǎo)體收音機，當(dāng)半導(dǎo)體收音機，當(dāng)它的