模电第三章

3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
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3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采 用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图
解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I
特性曲线。
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例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD 和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。
IZmin ≤ IZ ≤ IZmax # 不加R可以吗？
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。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。 热力学温度0K时不导电。 两种载流子
为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？
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3.1.4 杂质半导体
当PN结的反向电压增加 到一定数值时，反向电流突 然快速增加，此现象称为PN 结的反向击穿。 雪崩击穿 齐纳击穿
电击穿——可逆
热击穿——不可逆
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3.2.5 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。
(a)N 型半导体
(b) P 型半导体
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杂质半导体的简化表示法
3.2 PN结的形成及特性
3.2.1 载流子的漂移与扩散
3.2.2 PN结的形成
3.2.3 PN结的单向导电性
3.2.4 PN结的反向击穿
3.2.5 PN结的电容效应
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3.2.1 载流子的漂移与扩散
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。
在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可 使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主 要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称 为杂质半导体。 多数载流子 1. N型半导体
空穴比未加杂质时的数目多了？ 少了？为什么？
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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。
特别注意： 小信号模型中的微变电阻rd与静态工作点Q有关。 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT 。
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3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
2．模型分析法应用举例
（1）整流电路
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（2）静态工作情况分析
当VDD=10V 时， （R=10k） 理想模型
VD 0 V
恒压模型
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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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。
漂移运动 因电场作用所产 生的运动称为漂移 运动。
3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性
3.3 半导体二极管
3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.5 特殊二极管
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3.1 半导体的基本知识
3.1.1 半导体材料
3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体
3.1.4 杂质半导体
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3.1.1 半导体材料
1、什么是半导体？
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
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即 rd 根据
v D i D
iD IS (evD /VT 1)
diD dv D I S vD / VT e VT
i D VT ID VT
得Q点处的微变电导
gd
Q

Q
Q

则 rd
VT 1 ID gd
常温下（T=300K） r VT 26(mV ) d
ID
I D (mA )
3.3.3 二极管的主要参数
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3.3.1 半导体二极管的结构
在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极 管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大 类。 (1) 点接触型二极管
PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。
二极管的结构示意图
(a)点接触型
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(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用于工频大 电流整流电路。
反向特性
60 40 20
15 10 5 0 10 20 30
30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 死区 20 30 40
VBR
0.2 0.4 0.6
D/V
②
Vth
反向击穿特性
③
40
iD/ A
iD/ A
硅二极管2CP10的V-I 特性
电路模型
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（3）折线模型 等效的电池为：门坎电压 硅管约为0.5V
V-I特性
等效的电阻为：当二极管导 通电流为1毫安，管子压降 为0.7V时，电阻rD大约为 200欧姆
电路模型
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（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。
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
必要吗？
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(2) PN结加反向电压时 PN结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩 散运动，有利于漂移运 动，形成漂移电流。由 于电流很小，故可近似 认为其截止。
在一定的温度条件下，由本征激 发决定的少子浓度是一定的，故少子 形成的漂移电流是恒定的，基本上与 所加反向电压的大小无关，这个电流 也称为反向饱和电流。 • 高电阻 • 很小的反向漂移电流
管特性的等效模型。 （1）理想模型 应用条件：电源电压远比二极管的管压降大。
正向偏置时的电路模型
反向偏置时的电路模型
V-I特性
代表符号
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(2)恒压降模型
导通压降： Von硅 0.7 V
（硅二极管典型值） （锗 二极管典型值）
Von锗 0.2 V
V-I特性
应用条件：二极管的电流近似等于或 大于1mA。
I D VDD / R 1 mA
（a）简单二极管电路 （b）习惯画法
VD 0.7 V （硅二极管典型值） I D (VDD VD ) / R 0.93 mA
折线模型
Vth 0.5 V（硅二极管典型值）
设 rD 0.2 k
VDD Vth ID 0.931 mA R rD
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
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3.2.3 PN结的单向导电性
当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加 正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 (1) PN结加正向电压时 PN结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运 动加剧，由于外电源的 作用，形成扩散电流， PN结处于导通状态。
解：由电路的KVL方程，可得 iD VDD vD
即 iD
1 1 vD VDD 是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线 R R
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R
Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
1.二极管V-I 特性的建模 将指数模型 iD IS (e vD VT 1) 分段线性化，得到二极
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（5）小信号工作情况分析
图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sint V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。
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3.5 特殊二极管
3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管)
1.符号及稳压特性
利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向 电击穿状态。Байду номын сангаас
(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 结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程 度，则失去单向导电性！
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3.3 半导体二极管
3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性
VBR
D/V
②
若反向电压vD VT，则i IS
反向特性为横轴的平行线
材料 硅Si 开启电压 0.5V 导通电压 0.5~0.8V
Vth
iD/ A
反向饱和电流 1µA以下
锗Ge
0.1V
0.1~0.3V
几十µA
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3.4 二极管基本电路及其分析方法
3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法
锗二极管2AP15的V-I 特性
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从二极管的伏安特性可以反映出：单向导电性
i IS (e
vD VT
1)
正向特性为 指数曲线
vD VT
60 40
iD/mA
20 15 10 20 5 0 10 20 30 ③ 40 0.2 0.4 0.6 ①
若正向电压 vD VT，则i ISe