模拟电子技术 3 二极管及其基本电路

在2一.定2.的2温P度N条结件下的，单由向本征导激电发性决定的
少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是 恒当定外的加，电基压本使上PN与结所中加P区反的向电电位压高的于大N小区无的关电，位，称为 加正这向个电电压流，也简称称为正反偏向；饱反和之电称流为。加反向电压，简称反偏。 (2) PN结加反向电压时
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。
提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子， 因此五价杂质原子也称为施主杂质。
2. P型半导体
因三价杂质原子 在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。
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。
• 高电阻 • 很小的反向漂移电流
iD/mm A 1.0
0.5 iD=– IS
–– 1.0
–– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
PN结的伏安特性
PN结加反向电压时的导电情况
PN结加正向电压时，呈现低电阻， 具有较大的正向扩散电流；
PN结加反向电压时，呈现高电阻， 具有很小的反向漂移电流。
由此可以得出结论：PN结具有单 向导电性。
反映了在外加正电压作 用下，载流子在扩散过 程中积累的电容效应。
扩散电容示意图
在高频、正向偏置时CD起主要作用。
半导体二极管图片
{end}
2.4 二极管基本电路及其分析方法
2.4.1 二极管V- I 特性的建模
2.4.2 应用举例
2.4.1 二极管V- I 特性的建
模
1. 理想模型
2. 恒压降模型
若负载电阻变化范围为1.5 k -- 4 k ，是 否还能稳压？
i
iL
R ui DZ
iz UZ RL uO
i
iL
R ui DZ
iz UZ RL
UZW=10V R=200
uO Izmax=12mA
ui=12V Izmin=2mA
RL=2k (1.5 k ~4 k)
iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）
（2）VDD=1V 时（自看）
V DD
+ D
例：电路如图所示，已知E=5V，ui=10sinωt V， 二极管的正向压降可忽略不计，试画出uo的波形
解： 当ui ＞5V时，二
极管才可导通
ui R
D
u0
E
ui
u0
ωt 0
2.4.2 应用举例
3.开关电路
例2.4.3 （略）
例：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管， 求输出端Y的电位并说明二极管的作用。
(4) 二极管的代表符号
阳极 a
k 阴极
D
(d) 代表符号
2.3.2 二极管的伏安特性
二极管的伏安特性曲线可用下式表示
iDIS(evD/VT1)
R
iD
+
vD
-
iD/m A
20
15
V BR
40
1 0 V th
5
30 20 10 0 0.2 0.4 0.6 0.8
10 死区
20
D/V
30
2.1.3 本征半导体
本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单 晶体形态。
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。
空穴的移动——空穴的运动 是靠相邻共价键中的价电子 依次充填空穴来实现的。
2.1.4 杂质半导体
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。
模拟电子技术 3 二极管及其基本电路
2.1 半导体的基本知识
2.1.1 半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体 2.1.4 杂质半导体
2.1.1 半导体材料
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。 半导体（Semiconductors）: 导电能力介于导体与绝缘体之间的物体，都是 半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。 三价杂质 因而也称为受主杂质。
本节中的有关概念
• 本征半导体、杂质半导体 • 施主杂质、受主杂质 • N型半导体、P型半导体 • 自由电子、空穴 • 多数载流子、少数载流子
end
2.2 PN结的形成及特性
2.2.1 PN结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性 2.2.3 PN结的反向击穿
VD 0V IDVDD /R1mA
恒压模型
VD 0.7V（硅二极管典型值） i D V D D
V DD iD
iD
ID(V D D V D )/R 0 .9m 3 A
+
+
折线模型
Vth 0.5V（硅二极管典型值） 设 rD0.2k
D VD
D
V th
rD
IDVD RD rVDth0.93m 1 AV D V th ID rD0 .6V 9
i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA）
iZ = i - iL=10-5=5 （mA）
RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）
RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）
负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起 稳压作用
1. 光电二极管 2. 发光二极管 3. 激光二极管
2.5.1 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，反向电压应大于稳压电压。
(a)符号
(b) 伏安特性
2.5.1 稳压二极管
2. 稳压二极管主要参数 (1) 稳定电压VZ
在规定的稳压管反向 工作电流IZ下，所对应的 反向工作电压。
40
反向击穿特性
iD / A
iD/m A
正向特性
20
反向特性
15
①
10
60
V BR
5 40 20 0
②
10
20
0.2 0.4 0.6
V th
D/V
30
③
40
iD / A
硅二极管2CP10的V-I 特性
锗二极管2AP15的V-I 特性
2.3.3 二极管的参数
(1) 最大整流电流IF (2) 反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM
容小，用于检波和变频等
高频电路。
(1) 点接触型二极管
二极管的结构示意图
(a)点接触型
(2) 面接触型二极管
PN结面积大，用 于工频大电流整流电路。
(b)面接触型
(3) 平面型二极管
阳极 阴极 引线 引线
P N P型支持衬底
(c)平面型
往往用于集成电路制造 工艺中。PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。
将束缚电子分离出来造成电子空穴对，使反向电流急剧增大。
2.3 半导体二极管
2.3.1 半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数
2.3.1 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PN、结面面接积触小型，结和电平
面型三大类。
2.2.2 PN结的单向导电性
(3) PN结V- I 特性表达式
iDIS(evD/VT1)
其中 IS ——反向饱和电流 VT ——温度的电压当量
iD/mm A 1.0
0.5 iD=– IS
–– 1.0
–– 0.5
0
0.5
且在常温下（T=300K）
VT
kT0.026V26mV q
PN结的伏安特性
1.0 D/V
2.2.3 PN结的反向击穿
当PN结的反向电压增加
iD
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。
热击穿——不可逆
V BR
O
D
PN结的电流和温升不断增
加，使PN结的发热超过它
的耗散功率。
电击穿——可逆
雪崩击穿：由于碰撞电离使载流子产生倍增效应，使反向电流急剧增大。
齐纳击穿：在杂质浓度特别大的PN结中加有较高的反向电压，破坏共价键
解： DA优先导通，则
A DA
VF=3–0.3=2.7V
B
DA导通后, DB因反偏而截止, DB 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。
规律：共阳极接法，电压低者先导通；
F
R
–12V
共阴极接法，电压高者先导通。
4.低电压稳压电路 （略）
2.5 特殊体二极管
2.5.1 稳压二极管 2.5.2 变容二极管 2.5.3 光电子器件
N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 （Negative负的字头 ）
P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。 （Positive 正的字头 )
1. N型半导体
因五价杂质原子中 只有四个价电子能与周 围四个半导体原子中的 价电子形成共价键，而 多余的一个价电子因无 共价键束缚而很容易形 成自由电子。
3. 折线模型
2.4.1 二极管V- I 特性的建
模
4. 小信号模型
二极管工作在正向特性的某一小范围内时，
其正向特性可以等效成一个微变电阻。
常温下（T=300K）
rd
VT ID
26(mV) ID(mA)
2.4.2 应用举例
1. 二极管的静态工作情况分析
（1）VDD=10V 时 （R=10k） 理想模型
空间电荷区形成内电场
内电场促使少子漂移
内电场阻止多子扩散
最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。
2.2.1 PN结的形成
1. 扩散运动
P区
N区
＋ ＋＋ ＋ ＋＋ ＋ ＋＋
载流子的扩散运动
2. PN 结 P 区 3. 漂移运动
空间电荷区
＋＋ ＋＋ ＋＋
N区
＋ ＋ ＋
内电场方向 PN 结及其内电场
2.2.2 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
• 低电阻 • 大的正向扩散电流
iD/m A 1.0
0.5
– 1.0
– 0.5
0
0.5
1.0 D/V
PN结的伏安特性
PN结加正向电压时的导电情况
(2) 动态电阻rZ rZ =VZ /IZ
(3)最大耗散功率 PZM
(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin
(5)稳定电压温度系数——VZ
稳压二极管
3 稳压电路
正常稳压时 VO =VZ
R
+
IR
IO
IZ
+
VI
DZ
VO
RL
-
-
（1）.设电源电压波动(负载不变)
wk.baidu.com
U↑→UO↑→UZ↑→ IZ↑ ↓
(3) 反向电流IR
(4) 正向压降VF (5) 极间电容CB
PN结的电容效应
(A) 势垒电容CB
（Barrier Capacitance)
用来描述势垒区的空 间电荷随电压变化而 产生的电容效应。
势垒电容示意图
在高频、反向偏置时CB起主要作用。
PN结的电容效应
(B) 扩散电容CD
（Diffusion Capacitance)
# 不加R可以吗？
UO↓←UR ↑ ← IR ↑
# 上述电路VI为正弦波，且幅 值大于VZ ， VO的波形是怎样
（2）.设负载变化(电源不变) 略 的？
例：稳压二极管的应用
稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V， Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入 电压ui=12V，限流电阻R=200 。
在对一于块P本型征半半导导体体和在N两型侧半通导过体扩结散合不面同，的离杂
质子,分薄别层形形成成N的型空半间导电体荷和区P型称半为导PN体结。。此时将在 N型半导在体空和间P电型荷半区导，体由的于结缺合少面多上子形，成所如以下也物 理称过耗程尽: 层。
因浓度差
多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区