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1、第第4章章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路物体导电性能分类物体导电性能分类：导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属一般，金属一般都是导体。都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。化物、氧化物等。半导体的基本知识半导体
2、的基本知识 半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：同于其它物质的特点。例如：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变能力明显改变能力明显改变(可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件，如
3、二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：光敏性：光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 (可做可做可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等)。热敏性：热敏性：热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环
4、境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强 半导体材料半导体材料共价键共共价键共用电子对用电子对（束缚电子）束缚电子）+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚束缚电子电子，绝对零度时束缚电子很难脱离共价键成为，绝对零度时束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能力很弱。半导体半导体(硅和锗硅和锗)的共价
5、键结构的共价键结构在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个，同时共价键上留下一个空位，称为空位，称为空穴空穴。（本征激发）。（本征激发）1)1)载流子：载流子：(自由电子和空穴自由电子和空穴)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子 本征半导体本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。本征半导体。本征半导体。
6、本征半导体。2)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4 *空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补来填补,相当于空穴的迁相当于空穴的迁移，可以认为空穴是载流子。移，可以认为空穴是载流子。空穴带正电荷，空穴移动形空穴带正电荷，空穴移动形成电流。成电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。*电子带负电荷，电子移电子带负电荷，电子移动形成电流动形成电流（和电流规定的（和电流规定的方向相反）方向相反）。*温度越高，载流子的温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强的导电能
7、力越强本征半导体导电能力很弱本征半导体导电能力很弱,且随环境温度而变化。且随环境温度而变化。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。也称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。导体，也称为（电子半导体）。杂质半导体杂质半
8、导体+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的载流子：型半导体中的载流子：1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中、本征半导体中成对成对产生的电子和空穴。产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），），空穴称为空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。在本征半导体中掺入少量的在本征半导体中掺入少量的五价元素磷（或锑），外层有五
9、个五价元素磷（或锑），外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电原子形成共价键，必定多出一个电子五价元素磷称为子五价元素磷称为施主原子施主原子。一一、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如 硼（或硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价与相邻的半导体原子形成共价 键时，产生一个空穴。键时，产生一个空穴。这个空穴这个空穴可能吸引束可能吸引束 缚电子来填
10、补缚电子来填补，使使得得 硼原子成为不能移动硼原子成为不能移动 的带负电的离子。的带负电的离子。由于硼原子由于硼原子接受电接受电 子，所以称为子，所以称为受主原受主原子子。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子P 型半导体中型半导体中空穴是多子空穴是多子，电子是少子电子是少子。二、二、P 型半导体型半导体三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度
11、相等。与杂质浓度相等。PNPNPNPN结的形成及特性结的形成及特性结的形成及特性结的形成及特性PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 扩散的结果使扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移这一对相反的这一对相反的这一对相反的这一对相反的运动最终达到运动最终达到运动最终达到运动最终达到动态平衡，空动态平衡，空动态平衡，空动态平衡，空间电荷区的厚间
12、电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。度固定不变。度固定不变。+形成空间电荷区形成空间电荷区 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间电荷区变薄。电荷区变薄。电荷区变薄。电荷区变薄。1.PN 1.PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（即正偏）（即正偏）（即正偏）（即正偏）PN 结变窄结变窄 P区接正极、区接正极、N区接负区接负 极极外电场外电场IF 内电场被削弱，内电场被削弱，内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强，多子的扩散加强，多子的扩散
13、加强，多子的扩散加强，形成较大的扩散形成较大的扩散形成较大的扩散形成较大的扩散电流。电流。电流。电流。PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较大，正向结变窄，正向电流较大，正向结变窄，正向电流较大，正向结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，电阻较小，电阻较小，电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。内电场内电场PN+PN结的单向导电性结的单向导电性PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏
14、置）外电场外电场外电场外电场 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 2 2、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。、温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。+1 1、PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，反结变宽，反向电流较小，反结变宽，反向电流较小，反结变宽，反
15、向电流较小，反向电阻很大，向电阻很大，向电阻很大，向电阻很大，PNPN结处于截止状态结处于截止状态结处于截止状态结处于截止状态，IR0。内电场内电场内电场内电场P PN N+正向电流是否也随温度变化？正向电流是否也随温度变化？PN结单向导电性在半导体器件中的重要性结单向导电性在半导体器件中的重要性：二极管、三极管、场效应管、可控硅二极管、三极管、场效应管、可控硅 管等元器件的特性都与此有关管等元器件的特性都与此有关。电子电路必须具有电子电路必须具有直流电源直流电源才能工作。才能工作。阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触
16、丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 二极管的结构二极管的结构二极管的结构二极管的结构阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D 二极管二极管 二极管的二极管的二极管的二极管的 V-I V-I特性特性特性特性硅管硅管硅管硅管V,V,锗管锗管锗管锗管0.1V0.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降导通压降导通压降 外加电压大于反向击穿电压外加电压大于反向击穿电压外加电压大于反
17、向击穿电压外加电压大于反向击穿电压，二二二二极管被击穿，（雪崩击穿、齐纳击穿）极管被击穿，（雪崩击穿、齐纳击穿）极管被击穿，（雪崩击穿、齐纳击穿）极管被击穿，（雪崩击穿、齐纳击穿）失去单向导电性失去单向导电性失去单向导电性失去单向导电性。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性特点：非线性特点：非线性特点：非线性特点：非线性硅硅硅硅0 0 0 0V V锗锗锗锗0 0.2V.2VUI死区电压死区电压死区电压死区电压PN+PN+反向电流在一反向电流在一反向电流在一反向电流在一定电压范围内定电压范围内定电压范围内定电压范围内保持常数。保持常数。保持常数。保持常数。VT26 mV (温度电压当
18、量）温度电压当量）伏安特性：伏安特性：1.最大整流电流最大整流电流 IF二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压给出的最高反向工作电压UWRM一般是一般是UBR的一半。的一半。二极管的参数二极管的参数3.反向电流反向电流 IR 指二极管未击穿时的反向电流。反向电流越小，单向指二极管未击穿时
19、的反向电流。反向电流越小，单向导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较导电性越好。温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流大。小，锗管的反向电流大。4.二极管的极间电容二极管的极间电容二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒势垒电容电容CB和和扩散电容扩散电容CD。势垒电容：势垒电容：势垒区是势垒区是积累空间电荷的区域，积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会当电压变化时，就会引起积累在势垒区的引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这空间电荷的变化，这样所表现出的电容是样所表现出的电容是势垒电容势垒电容。4.二极管的极间电
20、容二极管的极间电容扩散电容：扩散电容：为了形成正向电为了形成正向电流（扩散电流），注入流（扩散电流），注入P 区的区的少子（电子）在少子（电子）在P 区有浓度差，区有浓度差，越靠近越靠近PN结浓度越大，即在结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。积累的电荷多。这样所产生的这样所产生的电容就是扩散电容电容就是扩散电容CD。势垒电容势垒电容CB：在正向和反向偏置时均不能忽略。在正向和反向偏置时均不能忽略。PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电势垒电容和扩散电容的综合
21、效应容的综合效应rd扩散电容扩散电容CD：在反向偏置时，由于载流子数目在反向偏置时，由于载流子数目很少，可以忽略。很少，可以忽略。二极管基本电路及其分析方法4.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V-I I 特性曲线。特性曲线。例例4.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性
22、曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 1.理想模型理想模型 2.恒压降模型恒压降模型 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模3.3.折线模型折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 4.小信号模型小信号模型 二极管工作在正向
23、特性的某一小范围内时，二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下（常温下（T=300K）二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模RLuiuouiuott例例1：二极管半波整流二极管半波整流判断二极管导通与否的方法：判断二极管导通与否的方法：判断二极管导通与否的方法：判断二极管导通与否的方法：假想假想假想假想断开二极管，再分析二极管阳极和阴极的电位断开二极管，再分析二极管阳极和阴极的电位断开二极管，再分析二极管阳极和阴极的电位断开二极管，再分析二极管阳极和阴极的电位实际二极管：
24、实际二极管：死区电压死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 V(锗管锗管V);理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0，正向压降，正向压降=0 。二极管的应用举例二极管的应用举例例例2 2 静态工作情况分析静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，时，恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设当当VDD=1V 时，时，（自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 两个二极管的阴极接在一起取两个二极管的阴极接在一起取两个二极管的阴极接在一起取两个二极管的阴极接在一起
25、取 B B 点作参考点，断开二极管，分点作参考点，断开二极管，分点作参考点，断开二极管，分点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。析二极管阳极和阴极的电位。析二极管阳极和阴极的电位。析二极管阳极和阴极的电位。分析分析分析分析：U U1 1阳阳阳阳=6 V6 V，U U2 2阳阳阳阳=0 V=0 V，U U1 1阴阴阴阴=U U2 2阴阴阴阴=12 V12 V U UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V=12V D D1 1承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为6 V6 V根据所给电路根据所给电路根据所给电路根据所给电路,求求求求U UABAB的的的的值值值
26、值 在这里，在这里，在这里，在这里，D D2 2 起钳位作用，起钳位作用，起钳位作用，起钳位作用，D D1 1起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。BD16V12V3k AD2UAB+例例2 当当当当D D2 2 优先导通时，则优先导通时，则优先导通时，则优先导通时，则 D D1 1截止。若忽略管压降，截止。若忽略管压降，截止。若忽略管压降，截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，二极管可看作短路，二极管可看作短路，二极管可看作短路，U UABAB =0 V=0 V。特殊二极管特殊二极管特殊二极管特殊二极管 稳压二极管稳压二极管IZmax+稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二
27、极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态反向击穿状态下下,当工当工作电流作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近其两端电压近似为常数似为常数。稳定稳定电流电流正向同正向同二极管二极管稳定稳定电压电压（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗稳压二极管的参数稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻动态电阻例例 IR IZ Io
28、稳压管的稳压过程。稳压管的稳压过程。VIVoIZVoVO能够稳定能够稳定IRVR用于光电信号转换，用于光电信号转换，用于光电信号转换，用于光电信号转换，构成光伏电源构成光伏电源构成光伏电源构成光伏电源。I IU U 照度增加照度增加照度增加照度增加符号符号符号符号2.2.发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管:有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特
29、性与一般二光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十几十几十几十mAmA光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管1.1.光电二极管光电二极管光电二极管光电二极管：反向反向反向反向电流随光照强度的增加而上升。电流随光照强度的增加而上升。电流随光照强度的增加而上升。电流随光照强度的增加而上升。光电子器件光电子器件光电子器件光电子器件用于光电信号转换，用于光电信号转换，用于光电信号转换，用于光电信号转换，显示器件。显示器件。显示器件。显示器件。半导体器件命名方法半导体器件命名方法