模拟 第1章 二极管课件

中和部分离子使空间电荷区变窄
内电场
。 IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
2）. 外加反向电压(反向偏置)— reverse bias
IR P 区
N区 内电场 外电场
漂移运动加强形成反向电流 IR
外电场使少子背离 PN 结移动，
IR = I少子 0 空间电荷区变宽。
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零
3. 继续扩散和漂移达到动态平衡 扩散电流 等于漂移电流，
总电流 I = 0。
此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层
二、）PN 结的单向导电性
1.定性分析
1）. 外加正向电压(正向偏置)— forward bias
IF
P区 外电场
扩散运动加强形成正向电流 外电场使多子向 PN 结移动,
IF
。
N区
导通电压 (1 2) V
特性 i /mA
O 2 u /V
2. 主要参数 电学参数：I FM ，U(BR) ，IR
光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量
发光类型： 可见光：红、黄、绿 不可见光：红外光
显示类型： 普通 LED ，七段 LED , 点阵 LED
二、光敏二极管
1．符号和特性 暗电流
2.光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关系 利用该特性可做成光敏电阻
3.掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导 电能力
利用该特性可做成半导体器件
1.1.1 本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质
。
本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体
。
1、半导体的原子结构 硅(锗)的原子结构
根据中华人民共和国国家标准——半导体器件命名方法 （GB249-74），器件型号由五部分组成，各部分的意义 如表1.６所示。但场效应管、特殊半导体器件、PIN管、 复合管和激光器件只用后三部分表示。
表1．６ 国产半导体器件的型号命名
第一部 分
第二部分
第三部分
用数字 表示器 件的电 极数目
用汉语拼音字 母表示器件材 料和极性
+
+
u1
u2
RL uo
uo
_
_
_
U2m
b
A
0
t
2. 全波整流电路
u2
VD1 a
io
U2m
+
+
+
t
u21
RL uo
0
_c
u1
+
_ uo
u22
_
b VD2
U2m
t 0
1. 5 特殊二极管
1.5.1 稳压二极管 1.5.2 光电二极管 1.5.3 变容二极管
1.5.1 稳压二极管 一、伏安特性
符号
空 穴
空穴
空穴可在共 价键内移动
本征激发：
在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共 价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一 个空位(空穴)的过程。
复 合：
自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成 对消失的过程。
漂 移：
自由电子和空穴在电场作用下的定向运动
载流。子 ：
自由与动的带电粒子
两种载流子
两种载流子的运动
。
2、定量估算
I IS (eu /UT 1)
反向饱 和电流
温度的 电压当量
当 T = 300(27C)：
UT = 26 mV
加正向电压时
加反向电压时 i≈–IS
电子电量
玻尔兹曼 常数
kT UT q
3、伏安特性
反向击穿
I /mA 正向特性
u /V O
1.2 半导体二极管
1.2.1 半导体二极管的结构和类型 1.2.2 二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的主要参数
uo
Um-Uon
Um-Uon
Um-Uon
E
0
t
0
t 0
t
E
E0时输出波形
E=0时输出波形
E0时输出波形
2. 并联限幅电路
R
+
+
VD u_+D
ui
E
uo
_
_
(a) 电路图 uo
E+Uon
0 E+Uon ui
(b) 传输特性
ui
Um E+Uon
0
t
uo
E+Uon
0
t
(c) 输出波形
3. 双向限幅电路
雪崩击穿：反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V，正温度系数)
击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。
iD / mA
60 40 20 –50 –25
0 0.4 0.8 uD / V
– 0.02
– 0.04
硅管的伏安特性
iD / mA
15 10 5
– 50 – 25
：
多数载流子 少数载流子
N型 ：
正离子
多数载流子 少数载流子
1.1.3 PN 结
一、PN 结(PN Junction)的形成 1. 载流子的浓度差引起多子的扩散
内建电场 2. 复合使交界面形成空间电荷区
产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子 的扩散促进少子产生漂移 此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流
电子(自由电子) 自由电子(在共价键以外)的运动
空穴
空穴(在共价键以内)的运动
结论： 1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；
2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；
3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
1.1.2 杂质半导体 一、N 型半导体
N型
+4
+4
+4
电子为多数载流子 空穴为少数载流子
i
O
E = 200 lx
工作条件： 反向偏置
u
符号 2. 主要参数
E = 400 lx
特性
电学参数： 暗电流，光电流，最高工作范围
光学参数：
光谱范围，灵敏度，峰值波长
实物照片
三 、变容二极管 利用二极管的电容效应，可将二极管做成—变 容二极管。 符号如图
●主要用作可变电容（受电压控制） ●必须工作在反偏状态 ●常用于高频电路中的电调谐电路。
补充：选择二极管限流电阻
步骤： 1. 设定工作电压(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ ) 2. 确定工作电流(如 1 mA；10 mA；5 mA) 3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID (R 要选择标称值)
1.6. 二极管应用电路的测试
1.6.1 我国半导体器件的命名方法
第 1 章 半导体二极管 及其基本电路
1.1 半导体的基础知识
1.2 半导体二极管 1.3 二极管电路的分析方法 1.4 半导体二极管的应用 1.5 特殊二极管
小结
1.1 半导体的基础知 识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体
1.1.3 PN结
半导体的特点
1.热敏性：半导体的导电能力与温度有关 利用该特性可做成热敏电阻
用汉语拼音字母表示器件的类别
第四部 分
用数字 表示器 件序号
第五部分
用汉语拼 音字母表 示规格号
符意 符 号义 号
意义
符号
意义
A N型锗材 P
B料
V
C P型锗材 W
二 D料
C
2极
N型硅材 Z
管
料
L
P型硅材 S
料
N
U
K
普通管 微波管 稳压管 参量管 整流管 整流堆 隧道管 阻尼管 光电器件 开关管
第一部分
uD
1. IF — 最大整流电流(最大正向平均电流) 2. URM — 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR — 反向电流(越小单向导电性越好)
4. fM — 最高工作频率(超过时单向导电性变差)
影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应
结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。
特性
UZ
IZ UZ
工作条件：反向击穿
iZ /mA
O IZminuZ/V IZ IZmax
二、主要参数 1. 稳定电压 UZ
流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。
2. 稳定电流 IZ
越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。
3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM
P ZM = UZ IZM
1.4.1 二极管在限幅电路中的应用
限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、 并联限幅电路和双向限幅电路三种 。
1. 串联限幅电路
电路组成 E0时传输特性
VD
+ +_
+
uD R
ui
uo
E
_
_
uo E
0 E+Uon ui
工作原理
ui
ui
ui
Um
Um
Um
E+Uon
Uon
t
t
t
0
0
0
E+Uon
uo
uo
–0.01 0 0.2 0.4 uD / V
–0.02
锗管的伏安特性
温度对二极管特性的影响
iD / mA 90C
60
20C
40
20 –50 –25
0 0.4
– 0.02
uD / V
T 升高时，
UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降
1.2.3 二极管的主要参数
iD IF
U (BR) URM O
iD /mA
U (BR) IS 反向特性 O
正向特性 Uth uD /V
0 U Uth iD V (锗管)
U Uth iD 急剧上升
反向击穿
死区 电压
UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.1 0.3) V 锗管 0.2 V
高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。
1.3 二极管的模型
1.3.1 理想二极管模型 1.3.２ 二极管恒压源模型 1.3.３ 二极管的交流小信号模型
1.3.1 理想二极管模型
特性
iD uD
符号及
等效模型
S
S
正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) =
+4
+5
+4
磷原子
自由电子
载流子数 电子数
二、 P 型半导体
P型
+4
+4
+4
+4
+3
+4
硼原子
空穴
空穴 — 多子 电子 — 少子
载流子数 空穴数
三、杂质半导体的导电作用
I
IP
IN
I = IP + IN
N 型半导体 I IN P 型半导体 I IP
四、P 型、N 型半导体的简化图示
P型
负离子
U(BR) U 0 U < U(BR)
iD = IS < 0.1 A(硅)几十 A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。
反向击穿原因： 齐纳击穿：反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V，负温度系数)
4. 动态电阻 rZ 几 几十
rZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。
5. 稳定电压温度系数 CT
UZ
一般，
CT
UZ T
100%
UZ < 4 V，CTV < 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数；
UZ > 7 V，CTV > 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数 ；
4 V < UZ < 7 V，CTV 很小。
例 1.5.1 分析简单稳压电路的工作原理， R 为限流电阻。
R IR IL
UI
IZ RL
UO
IR = IZ + IL UO= UI – IR R
1.5.2 发光二极管与光敏二极管
一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)
1. 符号和特性
符号
工作条件：正向偏置
一般工作电流几十 mA ，
第二部分
第三部分
第四 部分
第五 部分
三 3极
管
A PNP型锗材
X
B料
G
C NPN型锗材 D
D料
A
E PNP型硅材
U
料
K
NPN型硅材
料
I
化合物材料
R
ui
+
+
Um
VD1
VD2
E1+Uon
ui
uo
0
_
E1
E2
_
E2Uon
t
(a) 电路图
uo
E1+Uon
uo
E2Uon 0
E1+Uon ui
E1+Uon 0
t
E2Uon
E2Uon
(b) 传输特性
(c) 输出波形
1.4.2 二极管在整流电路中的应用 1. 单相半波整流电路
u2 U2m
a
VD io
0
t
+
1.3.1二极管的恒压降模型
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
1.3.３ 二极管的交流小信号模型
rd
U I
图解法
公式法： rd u / I
dI dU
I S eu / uT UT
I UT
rd
UT I DQ
1.4 半导体二极管的应用
❖ 二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单 向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可 做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。
N型锗
金锑 合金
负极引线
底座
负极
面接触型
引线
P N
P 型支持衬底
集成电路中平面型
1.2.2 二极管的伏安特性 一、PN 结的伏安方程
iD IS (euD /UT 1)
反向饱 和电流
温度的 电压当量
玻尔兹曼 常数
UT
kT q
电子电量
当 T = 300(27C)：
UT = 26 mV
二、二极管的伏安特性
1.2.1 半导体二极管的结构和类型
构成： PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)
符号：A (anode)
C (cathode)
分类：
硅二极管 按材料分
锗二极管
点接触型 按结构分 面接触型
平面型
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
铝合金 小球
正极引线 PN 结
外壳
触丝
点接触型
正极 引线
简化 模型
惯性核
价电子 (束缚电子)
2、本征半导体的晶体结构 硅(锗)的共价键结构