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1、半导体基础知识ppt第1页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1-1-1本征半导体本征半导体1-1-2杂质半导体杂质半导体1-1-3半导体中的电流半导体中的电流1-2PN结结1-2-1PN结的形成结的形成1-2-2正反向偏置的正反向偏置的PN结的导电特性结的导电特性1-2-3PN结电流的解析描述结电流的解析描述 1-2-4PN结的击穿特性、电容特性和温度特结的击穿特性、电容特性和温度特性性1-3晶体二极管晶体二极管1-3-1二极管的伏安特性二极管的伏安特性1-3-2二极管的电参数二极管的电参数1-3-3二极管的电路模
2、型二极管的电路模型1-4二极管电路二极管电路1-4-1二极管整流电路二极管整流电路1-4-2二极管限幅电路二极管限幅电路1-4-3二极管电平选择电路二极管电平选择电路1-4-4稳压二极管电路稳压二极管电路1-5其它二极管简介其它二极管简介本章内容结构本章内容结构第第 1-1-2 2 页页前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页第2页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3 3 页页1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识依照导电性能，可以把媒质分为导体、绝缘体和半导体。导体有良好的导电能力，常见的有铜、铝等金属材料；绝缘体基本上不能导电，常见的
3、有玻璃、陶瓷等材料；半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的有硅(Si)、锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料。媒质半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化，这些特点决定了半导体在电子线路中的广泛用途。铜导线铜导线(左上左上)、玻璃绝缘体、玻璃绝缘体(左下左下)和硅晶体和硅晶体(上上)前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页第3页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4 4 页页1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1-1-1本征半导体本征半导体本征半导体：无掺杂的纯净的单晶半导体，包括本征硅和锗。本征半导体中存
4、在本征激发和复合。本征半导体受外界能量(热能、电能和光能)激发，产生电子空穴对的过程是本征激发；电子空穴对在运动中相遇，电子添入空穴，从而消失电子空穴对的过程是复合。动画动画相邻电子过来填补空穴相邻电子过来填补空穴本征激发本征激发自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴的自由移动空穴的自由移动前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页第4页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-5 5 页页1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1-1-1本征半导体本征半导体前一页前一页本章结构本章结构下一页下一
5、页本征半导体中的自由电子和空穴统称为本征载流子，当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为其中，ni为自由电子浓度(cm3)；pi为空穴浓度(cm3)；T为热力学温度(K)；EG0征为T=0K时的禁带宽度(硅为1.21eV，锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数(8.63106V/K)；A0是与半导体材料有关的常数(硅为3.871016cm3K3/2，锗为1.761016cm3K3/2)。第5页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-6 6 页页1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1-1-2杂质半导体杂质半导体前一页前一页本章结构本章结构下
6、一页下一页杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子(施主原子)提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。P型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，为多数载流子(多子)，自由电子为少数载流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由电子自由电子+4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴空穴第6页，本讲稿共4
7、6页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-7 7 页页1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1-1-2杂质半导体杂质半导体前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页N型半导体中的载流子浓度：自由电子(多子)浓度nn施主原子浓度ND由nnpn=ni2得，空穴(少子)浓度pn=ni2/nnP型半导体中的载流子浓度：空穴(多子)浓度pp受主原子浓度NA由nppp=ni2得，空穴(少子)浓度np=ni2/pp杂质半导体中载流子浓度的特点：多子浓度由掺杂浓度决定，基本上不受温度变化的影响；少子浓度受本征载流子浓度影响，温度变化影响ni时，少子浓度变化明显。第7页，本讲稿
8、共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-8 8 页页1-1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1-1-3半导体中的电流半导体中的电流前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页半导体中的电流包括漂移电流和扩散电流。漂移电流：在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流。扩散电流：在载流子浓度梯度作用下，半导体中的载流子从高浓度区向低浓度区扩散形成的电流。空穴空穴自由电子自由电子N型半导体型半导体电场方向电场方向自由电子浓度分布自由电子浓度分布空穴浓度分布空穴浓度分布漂移电流是电子漂移电流和空穴漂移电流之和。扩散电流正比于载流子的浓度梯度即浓度差。第8
9、页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-9 9 页页1-2PN结结1-2-1PN结的形成结的形成前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图17(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图17(b)所示。P(a)N(b)U-+PN-+空
10、间电荷区内电场B 图图17PN结的形成结的形成第9页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1010页页 1-2PN结结1-2-1PN结的形成结的形成前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图17(b)所示。由
11、于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。第10页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1111页页 1-2PN结结1-2-1PN结的形成结的形成前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页实际中，如果P区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，见图17(b)。如果一边掺杂浓度大(重掺杂)，一边掺杂浓度小(轻掺杂)，则称为不对称结，用P+N或PN+表示(+号表示重掺杂区)。这时耗尽区主要伸向轻掺杂区一边，如图18(a)，(b)所示。P
12、N+-+耗尽区耗尽区 图图18不对称的不对称的PN结结(b)P+N-+耗尽区耗尽区(a)第11页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1212页页 1-2PN结结1-2-2正反向偏置的正反向偏置的PN结的导电特性结的导电特性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向偏置(简称正偏)，如图19所示。+内电场UUBURE图图19 正向偏置的正向偏置的PN结结 PN-+耗尽区使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图110所示。内电场UUBURE图图110 反向偏置的
13、反向偏置的PN结结 PN-+耗尽区第12页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1313页页 1-2PN结结1-2-3PN结电流的解析描述结电流的解析描述前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为i=IS(equ/kT1)=IS(eu/UT1)(14)式中，IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时，UT=26mV。这是一个今后常用的参数。第13页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极
14、管及其基本电路第第 1-1-1414页页 1-2PN结结1-2-3PN结电流的解析描述结电流的解析描述前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页由式(14)可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/UT，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。因此，式(14)的结果与上述的结论完全一致。由式(14)可画出PN结的伏安特性曲线，如图111所示。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。ui0TTUBR图图111 PN结的伏安特性结的伏安特性 第14页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章
15、晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1515页页 1-2PN结结1-2-4PN结的击穿特性、电容特性和温度特性结的击穿特性、电容特性和温度特性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页一、PN结的击穿特性由图111看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。1 雪崩击穿雪崩击穿在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共价键，产生电子、空穴对。新产生
16、的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。2齐纳击穿齐纳击穿在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子、空穴对，使反向电流急剧增大。这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿；UBR5V时为齐纳击穿；UBR介于57V时，两种击穿都有。第15页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1616页页 1-2PN结结1-2-4PN结的击穿特性、电容特性和温度特性结的击穿特性、电容特
17、性和温度特性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页二、PN结的电容特性结的电容特性PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。1 势垒电容势垒电容 从PN结的结构看，在导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似。当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的电荷量增加。因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表示为第16页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及
18、其基本电路第第 1-1-1717页页 1-2PN结结1-2-4PN结的击穿特性、电容特性和温度特性结的击穿特性、电容特性和温度特性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页(15)式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。2扩散电容扩散电容正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用图112中P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。第17页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1818页页 1-2PN结结1-2-4PN结
19、的击穿特性、电容特性和温度特性结的击穿特性、电容特性和温度特性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示。如果引起Qn,Qp的电压变化量为u，则(16)对PN+结，可以忽略Qp/u项。经理论分析可得第18页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-1919页页 1-2PN结结1-2-4PN结的击穿特性、电容特性和温度特性结的击穿特性、电容特性和温度特性前一页前一页本章结构本章结构
20、下一页下一页式中：n为P区非平衡电子的平均命；I为PN结电流，由式(14)确定。由式(15)、(16)可知，CT、CD都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj=CT+CD。正偏时以CD为主，CjCD，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主，CjCT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。第19页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2020页页 1-2PN结结1-2-4PN结的击穿特性、电容特性
21、和温度特结的击穿特性、电容特性和温度特性性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页三、三、PN结的温度特性结的温度特性PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图111中虚线所示。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV，即u/T(22.5)mV/(17)温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时，IS=IS1；温度为T2时，IS=IS2，则(18)当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工
22、作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约为(75100)。第20页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2121页页 1-3晶体二极管晶体二极管前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页晶体二极管是由PN结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如图113(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极)。利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广。本节
23、主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。PN正极负极(a)负极正极(b)图图113 晶晶体体二二极极管管结结构构示示意意图图及及电电路路符符号号(a)结结构示意图；构示意图；(b)电路符号电路符号第21页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2222页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-1二极管的伏安特性二极管的伏安特性前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图
24、可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点：一、正向特性一、正向特性正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用UD(on)表示。室温下，硅管的UD(on)=(0.50.6)V，锗管的UD(on)=(0.10.2)V。二、反向特性二、反向特性于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多。而且反向电压加大时，反向电流也略有增大。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安。u/V0i/mA1020305100.50.5图图114 二极管伏安二极管伏安特性曲线特性曲线 第22页，本讲稿共46页第一章晶体二极
25、管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2323页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-2二极管的电参数二极管的电参数前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义：一、直流电阻RDRD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压增大而增大。RD的几何意义见图115(a)，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD。(19)第23页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-24
26、24页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-2二极管的电参数二极管的电参数前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页二、交流电阻二、交流电阻rDrD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即(110)rD的几何意义见图115(b)，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。rD可以通过对式(14)求导得出，即(111)第24页，本讲稿共46页可见rD与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K):通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电
27、阻不同，同一点处交流和直流电阻也不相同。(112)第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2525页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-2二极管的电参数二极管的电参数前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页第25页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2626页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-2二极管的电参数二极管的电参数前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页0UDuIDu(a)iQ1Q20u(b)iQi 图图115二极管电阻的几何意义二极管电阻的几何意义 (a)直流电阻直流电阻RD；(b)交流电阻交流电阻
28、rD第26页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2727页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-2二极管的电参数二极管的电参数前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页三、最大整流电流三、最大整流电流IF IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用时，流过二极管的平均电流不能超过此值。四、最大反向工作电压四、最大反向工作电压URMURM指二极管工作时所允许加的最大反向电压，超过此值容易发生反向击穿。通常取UBR的一半作为URM。五、反向电流五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用
29、时应注意IR的温度条件。六、最高工作频率六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。第27页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2828页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-3二极管的电路模型二极管的电路模型前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页对电子线路进行定量分析时，电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效，根据分析手段及要求的不同，器件模型将有所不同。例如，借助计算机辅助分析，则允许模型复杂，以保证分析结果尽可能精确。而在工程分析中，则力求模型简单、实用，以突出电路的功能及主要特性。
30、下面我们将依据二极管的实际工作条件，引出工程上便于分析的二极管模型。二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的。第28页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-2929页页 1-3晶体二极管晶体二极管1-3-3二极管的电路模型二极管的电路模型前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页图图116二极管特性的折线近似及电路模型二极管特性的折线近似及电路模型第29页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3030页页 1-4二极管电路二极管
31、电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页二极管的最重要的应用是作为“开关”。由此而引申出来的有整流、限幅及电平选择等诸多方面的应用。在任何应用电路中，最核心的问题是如何判断二极管是处于导通或是截止状态。如果是导通的，二极管即可视为短路或0.7V(锗材料为0.3V)，反之，是截止的，即可视为为开路。第30页，本讲稿共46页一、二极管整流电路一、二极管整流电路把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图117(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)，uo=0。其输入、输
32、出波形见图117(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3131页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-1二极管整流电路二极管整流电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页第31页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3232页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-1二极管整流电路二极管整流电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a)图117二极管半波整流电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系第32页，本讲
33、稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3333页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-2二极管限幅电路二极管限幅电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图118所示.ui0UILuoUomaxUominUIH图图118 限幅电路的传输特性限幅电路的传输特性第33页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3434页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-2二极管
34、限幅电路二极管限幅电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页一个简单的上限幅电路如图119(a)所示。利用图116(c)的 二 极 管 模 型 可 知，当uiE+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui2.7V时，V截止，二极管支路开路，uo=ui。图119(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。tVuiuoR(a)E2Vui/V0(b)55tuo/V052.7图图119二极管上限幅电路及波形二极管上限幅电路及波形(a)电路；电路；(b)输入、输出波形关系输入、输出波形关系第
35、34页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3535页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-3二极管电平选择电路二极管电平选择电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页三、二极管电平选择电路三、二极管电平选择电路从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图120(a)所示。设两路输入信号u1,u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1u2，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2u1，则V2导通，使V1截止。只有当u1=u2时，V1,V2才能都导通。可见，
36、该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图120(b)画出了当u1,u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作为逻辑0，由图120(b)可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。第35页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3636页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-3二极管电平选择电路二极管电平选择电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页V1u1uo(a)V2ERu2ttt(b)uo/V03.7u1/V30u2/
37、V300.7图120二极管低电平选择电路及波形(a)电路；(b)输入、输出波形关系第36页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3737页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-4稳压二极管电路稳压二极管电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。一、稳压二极管的特性一、稳压二极管的特性稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图121所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(I
38、ZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。(a)ui0IZminIZmaxUZ(b)图图1-21 稳压二极管及其特性曲线稳压二极管及其特性曲线(a)电路符号；电路符号；(b)伏安特性曲线伏安特性曲线第37页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3838页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-4稳压二极管电路稳压二极管电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页二、稳压二极管的主要参数二
39、、稳压二极管的主要参数1.稳定电压稳定电压UZUZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管，UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。2.额定功耗额定功耗PZPZ是由管子结温限制所限定的参数。PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。第38页，本讲稿共46页3.稳压电流稳压电流IZIZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于
40、此值时，稳压二极管将失去稳压作用。4.动态电阻动态电阻rZrZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。rZ随工作电流增大而减小。rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。5.温度系数温度系数是反映稳定电压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常，UZ7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数)；而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小。第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-3939页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-4稳压二极管电路稳压二极管电路前一页前一页本章结构本章结
41、构下一页下一页第39页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4040页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-4稳压二极管电路稳压二极管电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页三、稳压二极管稳压电路三、稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路如图122所示。图中Ui为有波动的输入电压，并满足UiUZ。R为限流电阻，RL为负载。VZUiUoRRLILIZ图图122稳压二极管稳压电路稳压二极管稳压电路 第40页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4141页页 1-4二极管电路二极管电路1-4-4稳压二极
42、管电路稳压二极管电路前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页下面来说明限流电阻R的选择方法。由图121可知，当Ui,RL变化时，IZ应始终满足IzminIZRmax的结果，则说明在给定条件下，已超出了VZ管的稳压工作范围。这时，需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管，以满足RminRmax。第41页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4242页页 1-5其它二极管简介其它二极管简介前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页一、变容二极管一、变容二极管如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的
43、二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图123所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系由式(15)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。图图123变容二极管符号变容二极管符号第42页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4343页页 1-5其它二极管简介其它二极管简介前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页二、肖特基二极管肖特基二极管当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对应的电路符号如图124所示。N型半导体(a)金属(
44、b)图图124 肖特基二极管结构与符号肖特基二极管结构与符号(a)结构示意图；结构示意图；(b)电路符号电路符号+第43页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4444页页 1-5其它二极管简介其它二极管简介前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页三、光电二极管光电二极管光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图125示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。前级后级 图图125 光电二极管符号光电二极管符号 第44页，本讲稿共46页第一章晶体
45、二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4545页页 1-5其它二极管简介其它二极管简介前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页四、发光二极管发光二极管发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成，其电路符号如图126所示。当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。图图126 发光二极管符号发光二极管符号第45页，本讲稿共46页第一章晶体二极管及其基本电路第一章晶体二极管及其基本电路第第 1-1-4646页页 本章小节本章小节前一页前一页本章结构本章结构下一页下一页1N型型半半导导体体和和P型型半半导导体体是是本本征征
46、半半导导体体分分别别加加入入五五价价元元素素和和三三价价元元素素的的杂杂质质半半导导体体。N型型半半导导体体中中，电电子子是是多多子子而而空空穴穴是是少少子子；P型型半半导导体体中中，空空穴穴是是多多子子而而电电子子是是少少子子。多多子子浓浓度度由由掺掺杂杂浓浓度度决决定定，少少子子浓浓度度很很小小且且随随温温度度的的变变化化而而变化。变化。2P型型和和N型型半半导导体体结结合合，在在交交界界面面处处形形成成PN结结。PN结结是是构构成成半半导导体体器器件件的的基基本单元，它具有单向导电特性、击穿特性和电容特性。本单元，它具有单向导电特性、击穿特性和电容特性。3晶晶体体二二极极管管由由PN结结
47、构构成成。大大信信号号运运用用时时表表现现为为开开关关特特性性，即即正正偏偏时时导导通通，反反偏偏时时截截止止。理理想想情情况况下下，相相当当于于开开关关闭闭合合与与断断开开。二二极极管管的的主主要要应应用用电电路路有有整整流流、限限幅幅及及电平选择等。电平选择等。4 利利用用PN结结的的击击穿穿特特性性可可制制作作稳稳压压二二极极管管。用用稳稳压压二二极极管管构构成成稳稳压压电电路路时时，首首先先应应保保证证稳稳压压管管反反向向击击穿穿，另另外外必必须须串串接接限限流流电电阻阻。当当输输入入电电压压波波动动或或负负载载电电阻阻改改变变时时，稳稳压二极管通过调整自身电流的大小以维持其端电压基本稳定。压二极管通过调整自身电流的大小以维持其端电压基本稳定。第46页，本讲稿共46页