模拟电路二极管及其基本应用
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模拟电子技术基础
Fundamentals of Analog Electronic
第3章 半导体二极管及其基本应用
信息技术学院
第3章 半导体二极管及其基本应用
§3.1 半导体基础知识 §3.2 半导体二极管 §3.3 稳压二极管 §3.4 发光二极管
信息技术学院
§3.1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
信息技术学院
五、二极管的基本应用电路
1. 半波整流电路
将交流电压转换成直流电压，称为整流。
ui 2Ui sin t
近似为理想二极管
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五、二极管的基本应用电路
2. 全波整流电路
u 2 2U 2 sin t
RL中的电流方向不变
信息技术学院
3.开关电路（理想模型）
开关电路:利用二极管的单向导电性，接通和断开的电路。 分析这类电路，首先要判断电路中的二极管处于导通还是截 止的状态。 判断方法： 先将二极管断开，确定零电位点，分析二极管两端的电位。 若阳极电位高于阴极电位，二极管导通，否则截止。 如果有多个二极管，则正向电压最大者优先导通，导通后 压降为0，对其他的二极管两端的电压可能产生影响。
信息技术学院
三、PN结的形成及其单向导电性
载流子的漂移与扩散 漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。
信息技术学院
在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N 型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的 结合面上形成如下物理过程:
4、最后与静态值叠加，得到完整的结果。
信息技术学院
例3.2.2 图中，已知二极管导通电压UD＝0.6V，UT＝26mV；若 ui是有效值为20mV、频率为1kHz的正弦波信号，则输入的交 流电流有效值约为多少？注意符号说明.
解：先求出二极管的动态电阻。 ui 2Ui sin t 在交流信号为零时，二极管的直流电流为：
2Ui sin 2 ft
V UD 2 0.6 ID 0.0028A 2.8m A R 500 UT 26 rD 9.3 ID 2.8
输入的交流电流等于电阻和二极管电流之和
Ui Ui 0.02 0.02 Ii 2.2mA R rd 500 9.3
导通时△i与△u 成线性关系
理想开关 导通时 UD＝0 截止时IS＝0
近似分析 中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
误差 大小
应根据不同情况 选择不同的等效 电路！
100V？5V？1V？
？
信息技术学院
非线性->线性 用线性 电路分析方法分析
当二极管在静态基础上有一动态(小)信号作用时，则可将二 极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
击穿 电压
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
共价键被破坏，价电子脱离束缚，产生电子空穴对，反向电流剧增。
且在常温下（T=300K）
k为玻耳兹曼常数
kT UT 0.026V=26mV q
信息技术学院
从二极管的伏安特性可以反映出：
1. 单向导电性
正向特性为 指数曲线
i IS (e
u UT
信息技术学院
3.开关电路
例：设二极管的导通电压为0.6V，求VO
解：D导通， VO = - 6.6V
D R 6V 12V
D R 6V 12V
VO
VO
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3. 开关电路
uI1 0.3V
uI2 0.3V
D1 导通
D2 导通
uO 1V
0.3V通
截止 导通
截止
导通 导通
1V
5
磷（P）
由于5价杂质原子可提供自由电子, 空间电荷：磷原子失去一价电子后电离成+1 故称为施主杂质
价离子，晶格上带有+1价电荷，不能移动。
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2. P型半导体：在本征半导体中掺入微量3价元素，如硼、镓等。
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强。
电子填补空穴，使B原子成为不能移 动的负电离子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
纯净基础上掺杂，通过掺杂让导电性可控
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二、杂质半导体
1. N型半导体：在本征半导体中 掺入微量５价元素，如磷、砷等。
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
P原子失去电子，留下不能移动的正 电离子 多数载流子—电子 少数载流子—空穴
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3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反（半导体中电流 是电子电流和空穴电流之和）。 由于载流子数目很少，故导电性 很差。 温度升高，热运动 加剧，载流子浓度增 大，导电性增强。 两种载流子 热力学温度0K时不 导电。
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
材料
开启电压
导通电压
反向饱和电流
硅Si
锗Ge
0.5V
0.1V
0.5~0.8V
0.1~0.3V
1µA以下
几十µA
信息技术学院
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
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三、二极管的等效电路
1. 将伏安特性折线化
理想 二极管
伏安特性非线性，分析起来有一定困难， 近似分析时，可将其伏安特性折线化！
因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场阻止多子扩散
内电场促使少子漂移
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
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四、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
信息技术学院
低频交流小信号作用下工作情况分析时，特别注意微变电阻 rd与静态工作点Q有关。 方法： 1、分析电路的静态工作情况，求静态工作点Q 2、根据Q点算出微变电阻rd
rd UT 26( mV ) I D I D ( mA )
3、根据小信号交流电路等效模型，求出小信号作用下电 路的交流电压、电流
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
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PN
结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 必要吗？ PN结加反向电压截止： 耗尽层变窄，扩散运动加 耗尽层变宽，阻止扩散运动， 剧，由于外电源的作用，形 有利于漂移运动，形成漂移电 成扩散电流，PN结处于导通 流。由于电流很小，故可近似 状态。 认为其截止。
面接触型：结面积大， 结电容大，故结允许 的电流大，最高工作 频率低。
平面型：结面积可小、 可大，小的工作频率 高，大的结允许的电 流大。
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二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26mV)
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2、本征半导体的结构：晶体中原子在空间形成排列整齐点阵，称晶格。
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升 高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与 空穴对的浓度加大。
不至于损坏的最大电流
动态电阻rd＝ΔUZ /ΔIZ
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三、基本电路的组成
若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！
例3.3.1
限流电阻必不可少！
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例 电路如图，UI=12V，UZ=6V，R=0.15KΩ，IZmin=5mA， IZmax=30mA，保证电路正常工作时RL的取值范围。
2. 微变等效电路
注意符号说明
ui=0时直流电源作用
uD U T 根据电流方程， rd iD ID
i D di D d [ I S ( e 1)] I S UD I e T D rd uD duD duD UT UT 1
uD UT u
小信号作用 Q越高，rd越小。 静态电流
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？ 由于3价杂质原子可吸收自由电子, 故称为受主杂质
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3
硼（B）
多子—空穴 少子—电子
空间电荷：硼原子空穴被价电子填补后带有 1个电量的负电荷，不能移动。
三、PN结的形成及其单向导电性
信息技术学院
讨论一
什么情况下应选用二极管的什么等效电路？ 如何求解回路电流？静态工作点Q的确定.
若V与uD可比，如V=2V， R=500Ω，则需图解： ID
Q
实测特性 uD=V-iR UD
V uD iD R
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四、二极管的主要参数
最大整流电流IF：最大正向平均电流值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS。IR越小，二极管单向导电性 越好，IR对温度非常敏感。 最高工作频率fM：因PN结有电容效应 上限频率
信息技术学院
一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
1)
u UT
若正向电压 u UT，则i ISe
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
信息技术学院
二、二极管的伏安特性及电流方程
1V 3.7V
二极管导通压降：0.7V
3V
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§3.3 稳压二极管
一、伏安特性 二、主要参数 三、基本电路的组成
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一、稳压二极管的伏安特性
由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，为稳定电 压。
进入稳压区的最小电流
二、 主要参数
稳定电压UZ 稳定电流IZ 最大功耗PZM＝ IZM UZ
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
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PN
结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 耗尽层 漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容： C j Cb Cd 结电容一般很小，但不是常量！低频信号作用可忽略， 高频信号考虑结电容作用。若PN结外加电压频率高到 一定程度，则失去单向导电性！
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路
四、二极管的主要参数
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一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
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一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
点接触型：结面积小， 结电容小，故结允许 的电流小，最高工作 频率高。
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讨论一
为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成 本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善 导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是 少子是影响温度稳定性的主要因素？
少子浓度受温度影响大，多子浓度主要由掺杂决定。
为什么半导体器件有最高工作频率？
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§3.2 半导体二极管
Fundamentals of Analog Electronic
第3章 半导体二极管及其基本应用
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第3章 半导体二极管及其基本应用
§3.1 半导体基础知识 §3.2 半导体二极管 §3.3 稳压二极管 §3.4 发光二极管
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§3.1 半导体基础知识
一、本征半导体 二、杂质半导体 三、PN结的形成及其单向导电性 四、PN结的电容效应
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五、二极管的基本应用电路
1. 半波整流电路
将交流电压转换成直流电压，称为整流。
ui 2Ui sin t
近似为理想二极管
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五、二极管的基本应用电路
2. 全波整流电路
u 2 2U 2 sin t
RL中的电流方向不变
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3.开关电路（理想模型）
开关电路:利用二极管的单向导电性，接通和断开的电路。 分析这类电路，首先要判断电路中的二极管处于导通还是截 止的状态。 判断方法： 先将二极管断开，确定零电位点，分析二极管两端的电位。 若阳极电位高于阴极电位，二极管导通，否则截止。 如果有多个二极管，则正向电压最大者优先导通，导通后 压降为0，对其他的二极管两端的电压可能产生影响。
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三、PN结的形成及其单向导电性
载流子的漂移与扩散 漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。
扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。
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在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N 型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的 结合面上形成如下物理过程:
4、最后与静态值叠加，得到完整的结果。
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例3.2.2 图中，已知二极管导通电压UD＝0.6V，UT＝26mV；若 ui是有效值为20mV、频率为1kHz的正弦波信号，则输入的交 流电流有效值约为多少？注意符号说明.
解：先求出二极管的动态电阻。 ui 2Ui sin t 在交流信号为零时，二极管的直流电流为：
2Ui sin 2 ft
V UD 2 0.6 ID 0.0028A 2.8m A R 500 UT 26 rD 9.3 ID 2.8
输入的交流电流等于电阻和二极管电流之和
Ui Ui 0.02 0.02 Ii 2.2mA R rd 500 9.3
导通时△i与△u 成线性关系
理想开关 导通时 UD＝0 截止时IS＝0
近似分析 中最常用
导通时UD＝Uon 截止时IS＝0
误差 大小
应根据不同情况 选择不同的等效 电路！
100V？5V？1V？
？
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非线性->线性 用线性 电路分析方法分析
当二极管在静态基础上有一动态(小)信号作用时，则可将二 极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。
击穿 电压
反向饱 和电流
开启 电压
温度的 电压当量
共价键被破坏，价电子脱离束缚，产生电子空穴对，反向电流剧增。
且在常温下（T=300K）
k为玻耳兹曼常数
kT UT 0.026V=26mV q
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从二极管的伏安特性可以反映出：
1. 单向导电性
正向特性为 指数曲线
i IS (e
u UT
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3.开关电路
例：设二极管的导通电压为0.6V，求VO
解：D导通， VO = - 6.6V
D R 6V 12V
D R 6V 12V
VO
VO
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3. 开关电路
uI1 0.3V
uI2 0.3V
D1 导通
D2 导通
uO 1V
0.3V通
截止 导通
截止
导通 导通
1V
5
磷（P）
由于5价杂质原子可提供自由电子, 空间电荷：磷原子失去一价电子后电离成+1 故称为施主杂质
价离子，晶格上带有+1价电荷，不能移动。
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2. P型半导体：在本征半导体中掺入微量3价元素，如硼、镓等。
多数载流子
P型半导体主要靠空穴导电， 掺入杂质越多，空穴浓度越高， 导电性越强。
电子填补空穴，使B原子成为不能移 动的负电离子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
纯净基础上掺杂，通过掺杂让导电性可控
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二、杂质半导体
1. N型半导体：在本征半导体中 掺入微量５价元素，如磷、砷等。
多数载流子 杂质半导体主要靠多数载流 子导电。掺入杂质越多，多子 浓度越高，导电性越强，实现 导电性可控。
P原子失去电子，留下不能移动的正 电离子 多数载流子—电子 少数载流子—空穴
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3、本征半导体中的两种载流子
运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电 子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反（半导体中电流 是电子电流和空穴电流之和）。 由于载流子数目很少，故导电性 很差。 温度升高，热运动 加剧，载流子浓度增 大，导电性增强。 两种载流子 热力学温度0K时不 导电。
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
材料
开启电压
导通电压
反向饱和电流
硅Si
锗Ge
0.5V
0.1V
0.5~0.8V
0.1~0.3V
1µA以下
几十µA
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国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
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三、二极管的等效电路
1. 将伏安特性折线化
理想 二极管
伏安特性非线性，分析起来有一定困难， 近似分析时，可将其伏安特性折线化！
因浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场阻止多子扩散
内电场促使少子漂移
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
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四、PN 结的电容效应
1. 势垒电容
PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变 化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相 同，其等效电容称为势垒电容Cb。
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低频交流小信号作用下工作情况分析时，特别注意微变电阻 rd与静态工作点Q有关。 方法： 1、分析电路的静态工作情况，求静态工作点Q 2、根据Q点算出微变电阻rd
rd UT 26( mV ) I D I D ( mA )
3、根据小信号交流电路等效模型，求出小信号作用下电 路的交流电压、电流
参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态 平衡，就形成了PN结。
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PN
结的单向导电性
PN结加正向电压导通： 必要吗？ PN结加反向电压截止： 耗尽层变窄，扩散运动加 耗尽层变宽，阻止扩散运动， 剧，由于外电源的作用，形 有利于漂移运动，形成漂移电 成扩散电流，PN结处于导通 流。由于电流很小，故可近似 状态。 认为其截止。
面接触型：结面积大， 结电容大，故结允许 的电流大，最高工作 频率低。
平面型：结面积可小、 可大，小的工作频率 高，大的结允许的电 流大。
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二、二极管的伏安特性及电流方程
二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。
i f (u )
i IS (e
u UT
1)
(常温下 UT 26mV)
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2、本征半导体的结构：晶体中原子在空间形成排列整齐点阵，称晶格。
共价键
由于热运动，具有足够能量 的价电子挣脱共价键的束缚 而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中 留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 动态平衡 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升 高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与 空穴对的浓度加大。
不至于损坏的最大电流
动态电阻rd＝ΔUZ /ΔIZ
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三、基本电路的组成
若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会 因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电 流的限流电阻！
例3.3.1
限流电阻必不可少！
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例 电路如图，UI=12V，UZ=6V，R=0.15KΩ，IZmin=5mA， IZmax=30mA，保证电路正常工作时RL的取值范围。
2. 微变等效电路
注意符号说明
ui=0时直流电源作用
uD U T 根据电流方程， rd iD ID
i D di D d [ I S ( e 1)] I S UD I e T D rd uD duD duD UT UT 1
uD UT u
小信号作用 Q越高，rd越小。 静态电流
在杂质半导体中，温度变化时， 载流子的数目变化吗？少子与多 子变化的数目相同吗？少子与多 子浓度的变化相同吗？ 由于3价杂质原子可吸收自由电子, 故称为受主杂质
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3
硼（B）
多子—空穴 少子—电子
空间电荷：硼原子空穴被价电子填补后带有 1个电量的负电荷，不能移动。
三、PN结的形成及其单向导电性
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讨论一
什么情况下应选用二极管的什么等效电路？ 如何求解回路电流？静态工作点Q的确定.
若V与uD可比，如V=2V， R=500Ω，则需图解： ID
Q
实测特性 uD=V-iR UD
V uD iD R
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四、二极管的主要参数
最大整流电流IF：最大正向平均电流值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS。IR越小，二极管单向导电性 越好，IR对温度非常敏感。 最高工作频率fM：因PN结有电容效应 上限频率
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一、本征半导体
1、什么是半导体？什么是本征半导体？
导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。 导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原 子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导 电。 半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原 子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。 无杂质 稳定的结构
1)
u UT
若正向电压 u UT，则i ISe
若反向电压u UT，则i IS
2. 伏安特性受温度影响
反向特性为横轴的平行线
T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓ →反向饱和电流IS↑，U(BR) ↓ 增大1倍/10℃
T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移
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二、二极管的伏安特性及电流方程
1V 3.7V
二极管导通压降：0.7V
3V
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§3.3 稳压二极管
一、伏安特性 二、主要参数 三、基本电路的组成
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一、稳压二极管的伏安特性
由一个PN结组 成，反向击穿后 在一定的电流范 围内端电压基本 不变，为稳定电 压。
进入稳压区的最小电流
二、 主要参数
稳定电压UZ 稳定电流IZ 最大功耗PZM＝ IZM UZ
物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气 体、液体、固体均有之。
P区空穴 浓度远高 于N区。 N区自由电 子浓度远高 于P区。
扩散运动 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面 N区的自由电子浓度降低，产生内电场。
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PN
结的形成
由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成 内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P 区、自由电子从P区向N 区运动。 耗尽层 漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
2. 扩散电容
PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子 的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的 过程，其等效电容称为扩散电容Cd。
结电容： C j Cb Cd 结电容一般很小，但不是常量！低频信号作用可忽略， 高频信号考虑结电容作用。若PN结外加电压频率高到 一定程度，则失去单向导电性！
一、二极管的组成 二、二极管的伏安特性及电流方程 三、二极管的等效电路
四、二极管的主要参数
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一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
小功率 二极管
大功率 二极管
稳压 二极管
发光 二极管
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一、二极管的组成
将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。
点接触型：结面积小， 结电容小，故结允许 的电流小，最高工作 频率高。
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讨论一
为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成 本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善 导电性能？ 为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是 少子是影响温度稳定性的主要因素？
少子浓度受温度影响大，多子浓度主要由掺杂决定。
为什么半导体器件有最高工作频率？
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§3.2 半导体二极管