3.二极管及其基本电路 (1)
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静态分析
ID + VD
+ VI 10V
vi VI
i 0
D
D
R
VT 26(mV) 26(mV) rd 28 I D I D (mA) 0.93(mA) vi 1V id 0.1m A R rd 10k 28
+
I
iD rd
+ vD D
A
B
V0
(a)
例题2：如果图示电路(b)中设 二极管为恒压模型。求电路中 输出的电压Vo值说明二极管处 于何种状态？
解： (b)∵将D1、D2断开， VB1A＝9V，VB2A= -12-(-9)=-3V ∴将D1、D2接入后，D1导通， D2截止，VA被D1箝位在－0.7V 上。 ∴Vo= VA= -0.7V成立。
0.7V 0.5V rD 200 1mA
注意：不同二极管的rD和 Vth是不一样的
4、小信号模型：在某一个小范围 内，认为二极管的 V-I特性为一条 直线。因此该直线的斜率为：
vD 1 VT (m V) rD iD g D I D (m A) (T 300K )
外加反向电压的电路如图3.9所示
VR IR
E0 VR
3、PN结的伏安特性 根据理论分析，PN结的伏 安特性可以表达为：
iD I S (e
vD VT
1)
图3.10
3.3 二极管
3.3.1 二极管的结构
图3.11
部分二极管实物图
图2.12
3.3.2 二极管的伏安特性
硅二极管的伏安特性
稳压管的应用
稳压管常用在整流滤波电路之后，用于稳定直流 I0 输出电压的小功率电源设备中。 R + 如图3.19是由R、Dz组 + IR V0 R 成的就是稳压电路，电路 Vi IZ L D Z 的稳定电压的原理如下： -
Vi V0 I Z & I 0 I R VR 图3.19
3.5 特殊二极管
3.5.1 齐纳二极管
K
K
齐纳二极管又称 稳压管是一种特殊的面接触 型硅晶体二极管。 由于它 有稳定电压的作用，经常应 用在稳压设备和 一些电子 线路中。 稳压管的符 号和等效电路如图2.17所示。
A A
稳压管的特性曲线 与普通二极管基本相似， 只是稳压管的反向特性 曲线比较陡。 稳压管的正 常工作范围，是在伏安 特性曲线上 的反向电流 开始突然上升的A、B段。 这一段的电 流，对于常 用的小功率稳压管来讲， 一般为几毫安 至几十毫 安。
可见，在这种稳压电路中，起自动调节作用的 主要是稳压二极管Dz，当输出电压有较小的变化时， 将引起稳压二极管电流Iz的较大变化，通过限流电阻 R的补偿作用，保持输出电压Vo基本不变。
限流电阻R的选择：
1、当I0 = I0min、VI = VImax 时 要求：
1、P型半导体：在本征半导体中掺入少量的三价元素杂 质就形成P型半导体，如图2.5所示。 受主原子 邻近的电子落入 受主的空穴留下 可移动的空穴
3
三价原子获得 一个电子而形 成一个负离子
3.1.4 杂质半导体
2、N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N 型半导体。
施主原子 五价原子提供 的多余的电子 +5
外加正向电压的电路如图2.8特性
IF
E0
E
2、外加反向电压 外电场与内电场的方向相同，内电场变 强，结果使空间电荷区（PN结）变宽。同时 空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。 这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电 压用VR表示。
在VR作用下，通过PN结的电流称为反向 电流IR或称为反向饱和电流IS。如下图所示。
图3.13
锗二极管的伏安特性
3.3.2 二极管的伏安特性
1、正向特性：二极管外加正向偏置电压时的V-I特性 门坎电压（死区电压） 硅管约0.5V
பைடு நூலகம்
锗管约0.1V
2、反向特性：二极管外加反向偏置电压时的V-I特性 硅管小nA级 只有反向饱和电流IS（大小与温度有关） 锗管大A级 3、反向击穿特性： 反向电压增大到一定值时，反向 电流急剧上升。
Vi
V01
(a)
图（b）分析：当Vi=0时，因D3、D4均可能导通，因D4二 端承受正向电压差大于D3，故D4应导通后Vo=4v,将D3反 偏使D3截止，不难得出Vi<4v时,Vo=4v，而当Vi>4v时， D3D4均截止，Vo随Vi而变。
Vi
VO
(b )
3、开关电路 模型选择：理想、恒压 应用：高速开关；逻辑电路 右图是在逻辑电路中的应用 其逻辑关系如下表：
小信号模型分析举例（例2续）
2. 动态分析 rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ()
Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)
id = 0.625 sint 3. 总电压、电流
uD UQ ud = (0.7 + 0.005 sint ) V
iD IQ id = (3.3 + 0.625 sint ) mA
式中ID为二极管的静态工作点的电流
5、指数模型：
iD I S (e
vD VT
1)
模型分析法应用举例
VD=0V （1）使用理想模型得： ID=VDD/R 1、静态工作点分析
V 欧姆定律 : R I
VDD iD R
（2）使用恒压模型得：
（3）使用折线模型得： 能用小信号模 型分析静态工 作点吗？
VD=0.7V ID=（VDD-VD）/R VD=Vth+ IDrD
D
+ VD -
图3.16
ID=（VDD-Vth）/（R+rD）
VDDVD时，使用恒压模型较好 VDD较低时，使用折线模型较合理
根据实际情况选择合适的模型是关键
2、限幅电路 作用：让信号在预置的电平范围内有选择地传输一部分 分析方法： 2、分析二极管导通前后的电路特性
1、根据实际情况选择合适的二极管模型
3、根据电路特性分析输入、出信号之间的关系
Multisim DC Sweep
限幅电路的传输特性和输出电压波形
例题1：如果图示电路(a) 中 设二极管为恒压模型。求电路 中输出的电压Vo值说明二极管 处于何种状态？ 解：(a)假设先将A、B断开， 则VA = -10V, VB = -5V， ∴VAB= VA-VB= -5V，可见重新 接入后二极管将处于反向截止 状态：电路中电流为0（反向 电阻无穷大），∴电阻R上的 压降为0，Vo = -5V成立。
在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的
动画
3、空穴及其导电作用
由于共价键中出现空穴， 在外加电场或其他能源 的作用下，邻近的价电 子可以填补到这个空穴 上，而在这个电子的原 来位置上又留下新的空 穴，这样就使共价键中 出现一定的电荷移动。 如图2.4所示。
E
x1
x2
x3
3.1.4 杂质半导体
3.3.3 二极管的主要参数
1、最大整流电流 IF：几mA ~ 数kA 2、反向击穿电压VBR：几V ~ 数kV
3、反向电流 IR：在pA~ mA的范围内，与环境温度有关 4、极间电容 CJ：
在高频运用时必须考虑结电容的影响。二极管不同 的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同
3.4 二极管基本电路及其分析方法
vI1 0 1 0 1 vI1 0 0 1 1 v0 0 0 0 1
VCC=5V
4.7k
D1 vI1 vI2 D2 v0
小信号模型分析举例（例1）
已知：VI = 10V，vi = 1Vsint， 求vd、id。
R=10k + iD +
VD0.7V ID 0.93mA
R=10k
叠加原理
第三章 半导体二极管及其基本电路
学习要求: 1．了解半导体器件中扩散与漂移的概念、PN结形成 的原理。 2．掌握半导体二极管的单向导电特性和伏安特性。 3、掌握二极管基本电路及其分析方法。 4、熟悉硅稳压管的稳压原理和主要参数。 5、了解常用特殊二极管的特性和用途。
3.1半导体的基本知识
3.1.1半导体材料
按导电能力分类，物质材料可分为三大类： 导体： 电阻率ρ < 10-4 Ω·cm 绝缘体：电阻率ρ > 109 Ω·cm 半导体：电阻率ρ介于前两者之间。 +4 目前制造半导体器件的材料用得最 多的有：硅和锗两种。硅和锗原子 结构图可简化为图所示的原子结构 硅和锗的原子 简图。因为材料的化学性质和导电 结构模型 性质主要取决于价电子。
vd id rd 2.8mV
小信号模型分析举例（例2） 已知： ui = 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k，
求 iD 和 uD。 对于交流信号 电路可等效为
id
R
ui
rd ud
[解] 1. 静态分析 令 ui = 0，取 UQ 0.7 V IQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mA
V0
V0 Vi VR
只要R参数选得适当，就可以基本上抵消Vi的升高 值，因而使Vo基本保持不变。
Vi V0 I Z & I 0 I R VR
V0
V0 Vi VR
I 0 V0 I Z I R VR
V0
V0 Vi VR
B1
B2
A
V0
(b )
例2：已知二极管电路及其输入波 形如图所示，忽略二极管正向压降 和正向电阻。试求VO1、VO2的波形。 解：求解此类电路的关键是要先确 定二极管在信号作用下何时处于导 通，何时处于截止状态。由二极管 的单向导电性不难求出的波形。作 图时Vo和Vi要注意上下对齐。 图（a）分析：当Vi>1v时，D1导通， Vo被钳位在1v，D2因而截止。当 Vi<1v，D1、D2均截止，Vo随Vi而变 化。
3.1.3 本征半导体及本征激发
1、本征半导体 完全纯净的、结构 完整的半导体晶体， 叫做本征半导体。 2、本征激发 在室温下，电子吸 收能量摆脱共价键 的束缚而形成一对 电子和空穴，这种 现象称为本征激发。
半导体的二维晶格结构 2个电子的 共价键
正离子
由于热激发 而产生的自 由电子
自由电子移走 后留下的空穴 本征激发示意图
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1、理想模型——理想的开关 2、恒压模型——其正向压 降为0.7V(硅管)
图3.14
图3.15
3、折线模型：认为二极管 的正向压降不是恒定的，而 是随通过二极管电流的增加 而增加。因此用一个电池Vth 和一个电阻rD来建立模型。 例如：二极管的Vth=0.5V 当IF=1mA时，VD=0.7V 则
A
IZmin
B 图2.18
IZmax
稳压管的主要参数
(1)稳定电压VZ 稳定电压就是稳压二极管在正常工作时，管子两 端的电压值。这个数值随工作电流和温度的不同略有 改变，既是同一型号的稳压二极管，稳定电压值也有 一定的分散性，例如2CW14硅稳压二极管的稳定电压 为6～7.5V。
（2）耗散功率PM 反向电流通过稳压二极管的PN结时，要产生一定的 功率损耗，PN结的温度将随功耗的增大而升高。根据PN 结允许的工作温度决定管子的耗散功率。通常小功率管 约为几百毫瓦至几瓦。 （3)稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、大稳定电流IZmax 稳定电流：工作电压等于稳定电压时的反向电流； 最小稳定电流：稳压二极管工作于稳定电压时所需 的 最 小反向电流； 最大稳定电流：稳压二极管允许通过的最大反向电 流。
3.2 PN结形成过程及特性
1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区 3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动 空间 P型 N型 P型 电荷区 N型
E
3.2.3
PN结的单向导电性
PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破， 并显示出其单向导电的特性。 1、外加正向电压 外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使 空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子 的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压 或正向偏置电压用VF表示。 在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。
3、几点说明： 由于掺入杂质是微量的，所以不会改变硅的晶体结 构，只是在某些位置上的杂质原子取代了Si原子。 由于P型半导体的多子是空穴，故杂质原子成为受 主原子。当杂质原子给出多余的空穴后，本身即因 失去空穴而成为负离子（整个半导体仍然是中性）。 虽然杂质是微量的，但对半导体的导电能力影响很 大，可以通过控制掺杂浓度来获得不同导电能力半 导体。
ID + VD
+ VI 10V
vi VI
i 0
D
D
R
VT 26(mV) 26(mV) rd 28 I D I D (mA) 0.93(mA) vi 1V id 0.1m A R rd 10k 28
+
I
iD rd
+ vD D
A
B
V0
(a)
例题2：如果图示电路(b)中设 二极管为恒压模型。求电路中 输出的电压Vo值说明二极管处 于何种状态？
解： (b)∵将D1、D2断开， VB1A＝9V，VB2A= -12-(-9)=-3V ∴将D1、D2接入后，D1导通， D2截止，VA被D1箝位在－0.7V 上。 ∴Vo= VA= -0.7V成立。
0.7V 0.5V rD 200 1mA
注意：不同二极管的rD和 Vth是不一样的
4、小信号模型：在某一个小范围 内，认为二极管的 V-I特性为一条 直线。因此该直线的斜率为：
vD 1 VT (m V) rD iD g D I D (m A) (T 300K )
外加反向电压的电路如图3.9所示
VR IR
E0 VR
3、PN结的伏安特性 根据理论分析，PN结的伏 安特性可以表达为：
iD I S (e
vD VT
1)
图3.10
3.3 二极管
3.3.1 二极管的结构
图3.11
部分二极管实物图
图2.12
3.3.2 二极管的伏安特性
硅二极管的伏安特性
稳压管的应用
稳压管常用在整流滤波电路之后，用于稳定直流 I0 输出电压的小功率电源设备中。 R + 如图3.19是由R、Dz组 + IR V0 R 成的就是稳压电路，电路 Vi IZ L D Z 的稳定电压的原理如下： -
Vi V0 I Z & I 0 I R VR 图3.19
3.5 特殊二极管
3.5.1 齐纳二极管
K
K
齐纳二极管又称 稳压管是一种特殊的面接触 型硅晶体二极管。 由于它 有稳定电压的作用，经常应 用在稳压设备和 一些电子 线路中。 稳压管的符 号和等效电路如图2.17所示。
A A
稳压管的特性曲线 与普通二极管基本相似， 只是稳压管的反向特性 曲线比较陡。 稳压管的正 常工作范围，是在伏安 特性曲线上 的反向电流 开始突然上升的A、B段。 这一段的电 流，对于常 用的小功率稳压管来讲， 一般为几毫安 至几十毫 安。
可见，在这种稳压电路中，起自动调节作用的 主要是稳压二极管Dz，当输出电压有较小的变化时， 将引起稳压二极管电流Iz的较大变化，通过限流电阻 R的补偿作用，保持输出电压Vo基本不变。
限流电阻R的选择：
1、当I0 = I0min、VI = VImax 时 要求：
1、P型半导体：在本征半导体中掺入少量的三价元素杂 质就形成P型半导体，如图2.5所示。 受主原子 邻近的电子落入 受主的空穴留下 可移动的空穴
3
三价原子获得 一个电子而形 成一个负离子
3.1.4 杂质半导体
2、N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价元素杂质就形成N 型半导体。
施主原子 五价原子提供 的多余的电子 +5
外加正向电压的电路如图2.8特性
IF
E0
E
2、外加反向电压 外电场与内电场的方向相同，内电场变 强，结果使空间电荷区（PN结）变宽。同时 空间电荷区中载流子的浓度减小，电阻变大。 这时的外加电压称为反向电压或反向偏置电 压用VR表示。
在VR作用下，通过PN结的电流称为反向 电流IR或称为反向饱和电流IS。如下图所示。
图3.13
锗二极管的伏安特性
3.3.2 二极管的伏安特性
1、正向特性：二极管外加正向偏置电压时的V-I特性 门坎电压（死区电压） 硅管约0.5V
பைடு நூலகம்
锗管约0.1V
2、反向特性：二极管外加反向偏置电压时的V-I特性 硅管小nA级 只有反向饱和电流IS（大小与温度有关） 锗管大A级 3、反向击穿特性： 反向电压增大到一定值时，反向 电流急剧上升。
Vi
V01
(a)
图（b）分析：当Vi=0时，因D3、D4均可能导通，因D4二 端承受正向电压差大于D3，故D4应导通后Vo=4v,将D3反 偏使D3截止，不难得出Vi<4v时,Vo=4v，而当Vi>4v时， D3D4均截止，Vo随Vi而变。
Vi
VO
(b )
3、开关电路 模型选择：理想、恒压 应用：高速开关；逻辑电路 右图是在逻辑电路中的应用 其逻辑关系如下表：
小信号模型分析举例（例2续）
2. 动态分析 rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 ()
Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)
id = 0.625 sint 3. 总电压、电流
uD UQ ud = (0.7 + 0.005 sint ) V
iD IQ id = (3.3 + 0.625 sint ) mA
式中ID为二极管的静态工作点的电流
5、指数模型：
iD I S (e
vD VT
1)
模型分析法应用举例
VD=0V （1）使用理想模型得： ID=VDD/R 1、静态工作点分析
V 欧姆定律 : R I
VDD iD R
（2）使用恒压模型得：
（3）使用折线模型得： 能用小信号模 型分析静态工 作点吗？
VD=0.7V ID=（VDD-VD）/R VD=Vth+ IDrD
D
+ VD -
图3.16
ID=（VDD-Vth）/（R+rD）
VDDVD时，使用恒压模型较好 VDD较低时，使用折线模型较合理
根据实际情况选择合适的模型是关键
2、限幅电路 作用：让信号在预置的电平范围内有选择地传输一部分 分析方法： 2、分析二极管导通前后的电路特性
1、根据实际情况选择合适的二极管模型
3、根据电路特性分析输入、出信号之间的关系
Multisim DC Sweep
限幅电路的传输特性和输出电压波形
例题1：如果图示电路(a) 中 设二极管为恒压模型。求电路 中输出的电压Vo值说明二极管 处于何种状态？ 解：(a)假设先将A、B断开， 则VA = -10V, VB = -5V， ∴VAB= VA-VB= -5V，可见重新 接入后二极管将处于反向截止 状态：电路中电流为0（反向 电阻无穷大），∴电阻R上的 压降为0，Vo = -5V成立。
在本征半导体内，自由电子和空穴总是成对出现的
动画
3、空穴及其导电作用
由于共价键中出现空穴， 在外加电场或其他能源 的作用下，邻近的价电 子可以填补到这个空穴 上，而在这个电子的原 来位置上又留下新的空 穴，这样就使共价键中 出现一定的电荷移动。 如图2.4所示。
E
x1
x2
x3
3.1.4 杂质半导体
3.3.3 二极管的主要参数
1、最大整流电流 IF：几mA ~ 数kA 2、反向击穿电压VBR：几V ~ 数kV
3、反向电流 IR：在pA~ mA的范围内，与环境温度有关 4、极间电容 CJ：
在高频运用时必须考虑结电容的影响。二极管不同 的工作状态，其极间电容产生的影响效果也不同
3.4 二极管基本电路及其分析方法
vI1 0 1 0 1 vI1 0 0 1 1 v0 0 0 0 1
VCC=5V
4.7k
D1 vI1 vI2 D2 v0
小信号模型分析举例（例1）
已知：VI = 10V，vi = 1Vsint， 求vd、id。
R=10k + iD +
VD0.7V ID 0.93mA
R=10k
叠加原理
第三章 半导体二极管及其基本电路
学习要求: 1．了解半导体器件中扩散与漂移的概念、PN结形成 的原理。 2．掌握半导体二极管的单向导电特性和伏安特性。 3、掌握二极管基本电路及其分析方法。 4、熟悉硅稳压管的稳压原理和主要参数。 5、了解常用特殊二极管的特性和用途。
3.1半导体的基本知识
3.1.1半导体材料
按导电能力分类，物质材料可分为三大类： 导体： 电阻率ρ < 10-4 Ω·cm 绝缘体：电阻率ρ > 109 Ω·cm 半导体：电阻率ρ介于前两者之间。 +4 目前制造半导体器件的材料用得最 多的有：硅和锗两种。硅和锗原子 结构图可简化为图所示的原子结构 硅和锗的原子 简图。因为材料的化学性质和导电 结构模型 性质主要取决于价电子。
vd id rd 2.8mV
小信号模型分析举例（例2） 已知： ui = 5sint (mV)，VDD= 4 V，R = 1 k，
求 iD 和 uD。 对于交流信号 电路可等效为
id
R
ui
rd ud
[解] 1. 静态分析 令 ui = 0，取 UQ 0.7 V IQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mA
V0
V0 Vi VR
只要R参数选得适当，就可以基本上抵消Vi的升高 值，因而使Vo基本保持不变。
Vi V0 I Z & I 0 I R VR
V0
V0 Vi VR
I 0 V0 I Z I R VR
V0
V0 Vi VR
B1
B2
A
V0
(b )
例2：已知二极管电路及其输入波 形如图所示，忽略二极管正向压降 和正向电阻。试求VO1、VO2的波形。 解：求解此类电路的关键是要先确 定二极管在信号作用下何时处于导 通，何时处于截止状态。由二极管 的单向导电性不难求出的波形。作 图时Vo和Vi要注意上下对齐。 图（a）分析：当Vi>1v时，D1导通， Vo被钳位在1v，D2因而截止。当 Vi<1v，D1、D2均截止，Vo随Vi而变 化。
3.1.3 本征半导体及本征激发
1、本征半导体 完全纯净的、结构 完整的半导体晶体， 叫做本征半导体。 2、本征激发 在室温下，电子吸 收能量摆脱共价键 的束缚而形成一对 电子和空穴，这种 现象称为本征激发。
半导体的二维晶格结构 2个电子的 共价键
正离子
由于热激发 而产生的自 由电子
自由电子移走 后留下的空穴 本征激发示意图
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1、理想模型——理想的开关 2、恒压模型——其正向压 降为0.7V(硅管)
图3.14
图3.15
3、折线模型：认为二极管 的正向压降不是恒定的，而 是随通过二极管电流的增加 而增加。因此用一个电池Vth 和一个电阻rD来建立模型。 例如：二极管的Vth=0.5V 当IF=1mA时，VD=0.7V 则
A
IZmin
B 图2.18
IZmax
稳压管的主要参数
(1)稳定电压VZ 稳定电压就是稳压二极管在正常工作时，管子两 端的电压值。这个数值随工作电流和温度的不同略有 改变，既是同一型号的稳压二极管，稳定电压值也有 一定的分散性，例如2CW14硅稳压二极管的稳定电压 为6～7.5V。
（2）耗散功率PM 反向电流通过稳压二极管的PN结时，要产生一定的 功率损耗，PN结的温度将随功耗的增大而升高。根据PN 结允许的工作温度决定管子的耗散功率。通常小功率管 约为几百毫瓦至几瓦。 （3)稳定电流IZ、最小稳定电流IZmin、大稳定电流IZmax 稳定电流：工作电压等于稳定电压时的反向电流； 最小稳定电流：稳压二极管工作于稳定电压时所需 的 最 小反向电流； 最大稳定电流：稳压二极管允许通过的最大反向电 流。
3.2 PN结形成过程及特性
1、载流子的浓度差产生的多子的扩散运动 2、电子和空穴的复合形成了空间电荷区 3、空间电荷区产生的内电场E又阻止多子的扩散运动 空间 P型 N型 P型 电荷区 N型
E
3.2.3
PN结的单向导电性
PN结在外加电压的作用下，动态平衡将被打破， 并显示出其单向导电的特性。 1、外加正向电压 外电场与内电场的方向相反，内电场变弱，结果使 空间电荷区（PN结）变窄。同时空间电荷区中载流子 的浓度增加，电阻变小。这时的外加电压称为正向电压 或正向偏置电压用VF表示。 在VF作用下，通过PN结的电流称为正向电流IF。
3、几点说明： 由于掺入杂质是微量的，所以不会改变硅的晶体结 构，只是在某些位置上的杂质原子取代了Si原子。 由于P型半导体的多子是空穴，故杂质原子成为受 主原子。当杂质原子给出多余的空穴后，本身即因 失去空穴而成为负离子（整个半导体仍然是中性）。 虽然杂质是微量的，但对半导体的导电能力影响很 大，可以通过控制掺杂浓度来获得不同导电能力半 导体。