模电第1讲二极管分析解析

温度升高时，正向导通压降减小，反向电流增大。

在室温附近，温度每升高 1C，正向导通压降约减小 2 ~ 2.5mV 。 温度每升高 10C，反向电 流约增大一倍。

1.2.3 二极管的主要参数
(1) 最大整流电流IF
指二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流。 (2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM
这种现象称为反向击穿。 电击穿： PN结未损坏，可逆。 热击穿： PN结烧毁，不可逆。
自学：知识拓展
1.1 复习要点
主要要求：
1. 了解本征半导体和杂质半导体的导电机理，掌握重要
概念，理解半导体器件的性能受温度影响的原因。 2. 理解PN结的工作原理，掌握PN结的单向导电性。
重点：
自由电子与空穴、载流子、N型和P型半导体、多 子与少子、扩散运动与漂移运动、扩散电流与漂 移电流、 PN结、 PN结的正偏与反偏、 PN结的单 向导电性、反向击穿等概念。
空间电荷区及其内电场
二、PN 结的形成

续
动态平衡时：扩散电流 等于漂移电流，流过PN 结的总电流为零。空间 电荷区宽度一定，内电 场强度一定。
接触电位差（或内建电 位差）的大小与半导体 材料、掺杂浓度和温度 有关。

动态平衡时的PN结中的 载流子运动及电流
三、PN 结的单向导电性
加在PN结上的电压称为偏置电压。 若P区端电位高于N区端电位，则称PN结外接正向 电压或正向偏置，简称正偏。 反之，若P区端电位高于N区端电位，则称PN结外 接反向电压或反向偏置，简称反偏。

整个半导体呈电中性。

杂质正离子不是载流子。
二、P 型半导体的结构及导电机理
晶格结构

电结构

多子：空穴；少子：自由电子。 整个半导体呈电中性。杂质负离子不是载流子。
三、杂质半导体的导电性能小结
导电性能主要取决于多子浓度。 多子浓度主要由掺杂浓度决定，其值较大且稳定， 故杂质半导体导电性能得到显著改善。 少子对杂质半导体导电性能也有影响，少子由本征
iD uD
1.2 V
VDD
可得二极管电流、电压
图解分析法 模型分析法 仿真分析法
1.3.1 理想模型分析法和恒压降模型分析法
一、理想模型和恒压降模型的建立
1. 理想模型
图形符号 iD 正偏时导通，uD = 0
O
uD
反偏时截止， iD = 0 U(BR)=
2. 恒压降模型
iD
O U D(on)
习惯画法
电路
三、二极管应用电路及其分析
续
例1.3.4 下图所示的二极管电路中，设 VA、VB 均为理想二极管， 当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时， 求输出电压 UO 的值。 解：
输入电压 UA UB 理想二极管 VA VB 正偏 正偏 导通 导通 输出 电压
解： u i 为正半周时，二极管正偏导通，u o= u i
三、二极管应用电路及其分析
续
例1.3.3 下图所示电路中，输入电压 为振幅15V的正弦波，试画 出输出电压波形。 解题分析：u i 为交变大信号，因此二极管交 替工作于导通和截止状态。u i 振幅远大于 0.7V，因此可采用理想模型分析法。



常温下导电性能差
硅(锗)的晶格结构示意图
1.1.2 杂质半导体
掺杂后的半导体称为杂质半导体 其导电能力大大增强，导电性能得到改善。 掺入五价杂质元素（如磷、砷、锑） N型半导体 掺入三价杂质元素（如硼、铝、铟） P型半导体
一、N 型半导体的结构及导电机理
晶格结构

电结构
多子：自由电子；少子：空穴。
1.1 半导体基础知识
1.2 二极管及其特性 1.3 二极管基本应用电路及其分析方法
1.4 特殊二极管
1.1 半导体基础知识
1.1.1 本征半导体
1.1.2 杂质半导体 1.1.3 PN结
1.1.1 本征半导体
一、何谓半导体和本征半导体
半导体 — 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质
常用：硅 Si、锗 Ge、砷化镓 GaAs 本征半导体 — 纯净的单晶半导体
URM指允许施加在二极管两端的最大反向电压。
UBR/ 2
1.2.3 二极管的主要参数
(1) 最大整流电流IF
(2) 反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM (3) 反向电流IR
(4) 最高工作频率 fM
越小，则单向导电性和温度稳 定性越好。硅管的 < 0.1 A， 锗管的 为几十微安。
结电容对二极管的分流作用
3. 应用二极管时应注意什么？ 答： 限流、避免反向击穿；合理选择管子；恶劣环境 下要注意温度、光照的影响；高频高速应用时要注意 最高工作频率、开关速度。
1.2 复习要点
主要要求：
1. 了解二极管的结构、类型，掌握二极管的符号、
伏安特性和主要参数。 2. 了解温度对二极管特性的影响。
重点：
1. 二极管伏安特性。
解： u i 为正半周时，二极管正偏导通，u o= u i u i 为负半周时，二极管反偏截止，u o= 0
三、二极管应用电路及其分析
续
例1.3.3 下图所示电路中，输入电压 为振幅15V的正弦波，试画 出输出电压波形。 解题分析：u i 为交变大信号，因此二极管交 替工作于导通和截止状态。u i 振幅远大于 0.7V，因此可采用理想模型分析法。
0V 0V
0V 0V
0V
三、二极管应用电路及其分析
续
例1.3.4 下图所示的二极管电路中，设 VA、VB 均为理想二极管， 当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时， 求输出电压 UO 的值。 解：
uD 等效电路
正偏电压 UD(on) 时导通，等效为恒压源 UD(on) 否则截止，等效为开路。
二、模型的选用
例1.3.1 硅二极管电路如图所示，R = 2 k，试用二极管理想模 型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 值。 UD(on) 解： VDD R UO VDD IO R UO VDD IO R UO IO 当VDD = 2 V 时 ，采用理想模型分析法得 UO = VDD = 2 V IO = VDD / R = 2 V/ 2 kΩ = 1 mA U O 0.7 V =（ 2 54 % ）V= 1.3 V U = V – U 0.7 采用恒压降模型分析法得 O DD D(on) U O 0.7 V UO 1.3 V 7.5% IO = UO / R = 1.3 V/ 2 kΩ = 0.65 mA UO 9.3 V 当VDD =10 V 时， 采用理想模型分析法得 UO = 10V， IO =5 mA 采用恒压降模型分析法得UO = 9.3V， IO =4.65 mA
PN结正偏时导通，呈现很小的结电阻，产生较大 的正向电流；反偏时截止，呈现很大的结电阻，反向电 流近似为零。这种单方向导通特性称为单向导电性。
PN 结为何具有单向导电性？
请留意 正、反偏的接法
正偏时导通 正向电流 IF I扩散 大
反偏时截止 反向饱和电流 IR = I少子漂移 很小 0
四、PN结伏安特性表达式

*讨论：硅管和锗管的伏安特性有何异同？


硅管死区电压较大，反向电流很小，反向工作电压较高，允 许的最高结温高。实用中多用硅管。 Uth = 0.5 V (硅管) 导通 UD(on) 0.7 V 硅管 死区电压 电压 又称门坎电压 0.2 V 锗管 0.1 V (锗管)
三、温度对二极管特性的影响
1.2 二极管及其特性
1.2.1 二极管的结构与类型
1.2.2 二极管的伏安特性 1.2.3 二极管的主要参数
1.2.1 二极管的结构与类型
点接触型 适用高频、小电流
面接触型
适用低频、大电流
平面型 主要用于集成电路
常见的普通二极管外形
1.2.2 二极管的伏安特性
一、伏安方程
iD IS (e
二、模型的选用
续
由该例可见： VDD 大时可采用理想模型；
VDD 小时应采用恒压降模型。
欲得更高计算精度，可采用二极管的折线模型。
*自学
rD 称为二极管 的导通电阻
三、二极管应用电路及其分析
例1.3.2 试求图示硅二极管电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值。 IO I1 解：假设二极管断开 UP = 15 V P N R RL RL I2 UN V DD2 1 k RL R 15 V UO 3 k VDD1 VDD2 3 12V 12V 9V 31 UP N >0.7V，二极管导通， 等效为 0.7 V 的恒压源
*讨论
1. 请谈谈对二极管结构和特性的认识。
2. 你认为二极管有哪些用处？ 3. 应用二极管时应注意什么？
*讨论小结
1.请谈谈对二极管结构和特性的认识。 答：二极管本质上为一个PN结，最主要特性是单向 导电性。其特性对温度敏感。
2. 你认为二极管有哪些用处？ 答： 可用作电子开关，可获得一个基本稳定的电压等。
三、二极管应用电路及其分析
续
例1.3.2 试求图示硅二极管电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值。
解：假设二极管断开 UP = 15 V RL P N R UN V DD2 R RL R L I2 1 k 15 V UO 3 3 k VDD1 12V 9V VDD2 31 12V UP N >0.7V，二极管导通， 等效为 0.7 V 的恒压源 UO= VDD1 UD(on)= （15 0.7）V = 14.3 V