半导体二极管及其基本应用电路

其表达式为
UT
kT q
0.026V
第10页/共34页
10/35
2.2 PN结的形成及其单向导电 2.2.性4 PN结的电容效应
1. 势垒电容Cb
这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效的 电容称为势垒电容，通常用Cb表示。
第11页/共34页
11/35
2.2 PN结的形成及其单向导电 2.2.性4 PN结的电容效应
正离子 自由电子
在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂 质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。
第5页/共34页
5/35
2.1半导体的基础知识
2.1.3 杂质半导体
2. P型半导体
P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。
负离子 空穴
在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自 由电子是少数载流子， 由热激发形成。
—二极管安全工作时所能承受的最大反向电压.
3. 反向电流IR
—二极管未击穿时的反向电流。
4. 最高工作频率fM
—二极管工作的上限频率。
第15页/共34页
15/35
2.3 半导体二极管
2.3.4 二极管的等效电路
1. 理想模型
iD
2.恒压降模型
iD
3. 折线模型
iD
0
uD
0
Uon uD
U on
0
U on
2.4 稳压二极管
2.4.3 稳压二极管基本应用电路
3. 稳压管和普通二极管的区分
普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反向 击穿状态下工作，二者用法不同。
普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百伏 至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即反向 击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压管的反 向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大，而端电 压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态 电阻很小。
稳压管的伏安特性曲线
稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。
第25页/共34页
25/35
2.4 稳压二极管
2.4.2 稳压二极管的主要参数
1 稳定电压UZ 在规定的工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。
2 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
3 额定功耗 PZmax 4 动态电阻rZ rZ =UZ /IZ
则
rd
1 gd
UT ID
常温下（T=300K）
rd
UT ID
26(mV) ID (mA)
第18页/共34页
18/35
2.3 半导体二极管
2.3.4 二极管的等效电路
4.小信号模型
根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并求
出电阻R两端的电压和电流的表达式。
rd id
R
us
ud R uR
uR R rd us
5 温度系数
第26页/共34页
26/35
2.4 稳压二极管
2.4.3 稳压二极管基本应用电路
1. 稳压原理
IR
R
IZ
IL
UI
DZ
RL
UO
输入电压变化时：
UI
UO(UZ)
负载变化时： UO
RL
IL
IR
ud
IZ
IR
UR
UR UO（UI不变） IZ
UO
UR
第27页/共34页
IR
27/35
2.4 稳压二极管
第17页/共34页
17/35
2.3 半导体二极管
2.3.4 二极管的等效电路
4.小信号模型
过Q点的切线可以等效成一
个微变电阻
即
rd
uD iD
根据 iD IS (euD /UT 1)
得Q点处的微变电导
（a）V-I特性 （b）电路模型
gd
diD duD
Q
IS vD /VT e Q
UT
iD UT
Q
ID UT
2.3mA
uI uO
10V
ui
uI uO
10V
ui
2V 0
10V
uo
采用理想模型
t
2.7V 0
10V
t
uo
采用恒压降模型
第22页/共34页
22/35
2.3 半导体二极管
2.3.5二极管基本应用电路及分析方法
【例2.3】二极管限幅电路如图所示，求输出电压UAO。
解： 先断开D，以O为基准电位，
PN结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称PN结截止。
第9页/共34页
9/35
2.2 PN结的形成及其单向导电
2.2.性3 PN结的伏安特性
1. PN结的电流方程
uD
iD IS (eUT 1)
2. PN结的伏-安特性曲线
iD
其中
反向击穿电压
IS ——反向饱和电流
U BR
0
UT ——温度的电压当量
uD
RD
uI
VREF
uO
第21页/共34页
21/35
2.3 半导体二极管
解： （1）理想模型： UO VREF 2V
ID
UI
VREF R
5V 2V 1K
3mA
恒压降模型： UO VREF UD 2V 0.7V 2.7V
（2）
ID
UI
VREF R
UD
5V 2V 0.7V 1K
iR
us R rd
电路的交流通路
第19页/共34页
19/35
2.3 半导体二极管
2.3.5二极管基本应用电路及分析方法
1. 二极管整流电路
50Hz ~
A +
u2 ui
+ uD -
D
RL
B
（a）电路图
u2
2U2
+
O
uo
uO
2U2
O
π 2π
3π
π 2π
3π
（b）输入、输出波形
4π ωt 4π ωt
第20页/共34页
+14
+32
+4
硅原子结构示意图 锗原子结构示意图 硅原子和锗原子结构简化模型。
第2页/共34页
2/35
2.1半导体的基础知识
2.1.2本征半导体
1. 本征半导体中的共价键结构
硅原子核
共价键
第3页/共34页
3/35
2.1半导体的基础知识
2.1.2本征半导体
2. 本征半导体中的两种载流子
自由电子——电子挣脱共价键的 束缚，参与导电成为自由电子。
-
IRmin IL I zmin 10 5 15mA
Rmin (Ui UZ ) / IRmax (15 6)V / 30mA 0.3k Rmax (Ui UZ ) / IRmin (15 6)V /15mA 0.6k
第28页/共34页
IL +
IZ RL VZ
-
28/35
2. 扩散电容Cd
这种非平衡少子的浓 度随外加正向电压的变 化所等效的电容效应称 为扩散电容，通常用Cd 表示。
PN结的结电容是势垒电容和扩散电容之和： Cj Cb Cd
第12页/共34页
12/35
2.3 半导体二极管
2.3.1 二极管的结构
半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接 触型和平面型。
2.4.3 稳压二极管基本应用电路
2.稳压管应用举例
稳压管的技术参数: Uz 6V, Izmax 20mA, Izmin 5mA
负载电阻RL＝600Ω，求限流电阻R取值范围。
解：由电路可得：
IR
IR IL IZ
IL UZ / RL 6 / 600 10mA
R
+
DZ
Vi 15V
IRmax IL I zmax 10 20 30mA
空穴——共价键中的空位。
电子空穴对——由热激发而 产生的自由电子和空穴对。
本征半导体中有两种载流子——带负电的自由电子和带正 电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电 的一个重要特点。
第4页/共34页
4/35
2.1半导体的基础知识
2.1.3 杂质半导体
1. N型半导体
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。
20/35
2.3 半导体二极管
2.3.5二极管基本应用电路及分析方法
2. 二极管限幅电路
【例2.2】 图示为二极管限幅电路R=1K，VREF=2V ，二极管为硅二极管，输 入信号为uI 。 （1）若uI为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流 和输 出电压 。 （2）若uI =10sinωtV ，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形。
2.1半导体的基础知识
2.1的不同，物质可分为导体、半导 体和绝缘体。
半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性：
1.热敏特性 2.光敏特性 3.掺杂特性
第1页/共34页
1/35
2.1半导体的基础知识
2.1.2本征半导体
本征半导体是完全纯净的、晶格结构完整的半导体。
点接触型二极管
面接触型二极管
平面型二极管
第13页/共34页
13/35
2.3 半导体二极管
2.3.2 二极管的伏-安特性
反向击穿电压 U BR
iD
uD
开启电压 Uon导通压降 硅：0.5V 硅：0.7V 锗：0.1V 锗：0.3V
iD
锗
反向击穿电压 UBR 反向饱和电流 0
硅
uD
开启电压 锗：0.1V
1. PN结外加正向电压
将PN结的P区接电源正极， N区接电源负极，这种连接 方式称为PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置。
PN结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称PN结导通。
第8页/共34页
8/35
2.2 PN结的形成及其单向导电 2.2.性2 PN结的单向导电性
2. PN结外加反向电压
将PN结的P区接电源负极，N区接电源正极，这种连接方 式称为PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置。
第34页/共34页
34/35
（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线 特点：反向饱和电流与照度成正比
第31页/共34页
31/35
2.5 其它类型的二极管
2.5.2 光电二极管
Rs = 500
0 5V
脉冲串
LED
发光二极管 发射电路
光电传输系统
VCC
+5V
R
43kΩ
UO
光电二极管 接收电路
第32页/共34页
32/35
2.5 其它类型的二极管
第29页/共34页
29/35
2.5 其它类型的二极管
2.5.1发光二极管
【例2.7】 电路如图所示，已知发光二极管的导通电压 UD ＝1.6V ， 正向电流为5～20mA时才能发光。试问：
（1）开关处于何种位置时发光二极管可能发光？
（2）为使发光二极管有可能发光，电路中R的取值范围为多少？
R
解：（1）当开关断开时发光二极管有
第6页/共34页
6/35
2.2 PN结的形成及其单向导电
2.2.性1 PN结的形成
1. 载流子的扩散运动和漂移运动
电子的漂移速度： Vn n E
空穴的漂移速度 ：
2.PN结的形成
Vp p E
U ho
由载流子浓度差产生的扩散运动
在内电场的作用下产生的漂移运动
第7页/共34页
7/35
2.2 PN结的形成及其单向导电 2.2.性2 PN结的单向导电性
硅：0.5V
导通压降 锗：0.3V 硅：0.7V
二极管的伏安特性曲线
硅二极管和锗二极管 伏安特性曲线对比
温度对二极管伏安 特性曲线的影响
第14页/共34页
14/35
2.3 半导体二极管
2.3.3 二极管的主要参数
1. 最大整流电流IF —允许通过二极管的最大正向平均电流.
2. 最高反向工作电压URM
VCC
+5V
UA
R
D1
4.7kΩ
0V
UA
UO 0V
D2 UB
3V
3V
二极管工作状态
UB
D1
D2
UO
0V
导通 导通
0V
3V
导通 截止
0V
0V
截止 导通
0V
3V
导通 导通
3V
第24页/共34页
24/35
2.4 稳压二极管
2.4.1 稳压二极管的伏-安特性
DZ
阴极
阳极
D1
D2
UZ
rd
稳压管符号和等效电路
即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴 极的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。 导通后，D的压降等于0.7V，所以，AO的电压值为-6V。
第23页/共34页
23/35
2.3 半导体二极管
2.3.5二极管基本应用电路及分析方法
3.二极管开关电路
【例2.4】 二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型，当UA 和 UB分别 为0V或3V时，求解 UA 和UB不同组合时，输出电压 的值。
2.5.3 变容二极管
（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）
利用结电容随反向电压的增加而减小的原理制成
第33页/共34页
33/35
2.5 其它类型的二极管
2.5.3 肖特基二极管
（a）符号 （b）正向V-I特性
电容效应非常小，正向导通门坎电压和正向压降较低， 但反向击穿电压较低，反向漏电流大
uD
r Uon D
第16页/共34页
16/35
2.3 半导体二极管
2.3.4 二极管的等效电路
4.小信号模型
vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。
vs =Vmsint 时（Vm<<VDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到 小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。
可能发光。
（2）
VCC
SD
符号
6V
Rmax
VCC U D I D m in
6
1.6 5
kΩ
=
0.88kΩ
Rmin
VCC U D I D m ax
6
1.6 20
kΩ
=
0.22kΩ
因此，R的取值范围为220～880Ω。
第30页/共34页
30/35
2.5 其它类型的二极管
2.5.2 光电二极管