3 二极管及其基本电路
模拟电子技术第三章3.6 典型习题
第三章半导体二极管及其基本电路一、写出图T1所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压U D＝0.7V。
图T1解：U O1≈1.3V，U O2＝0，U O3≈－1.3V，U O4≈2V，U O5≈1.3V，U O6≈－2V。
二、已知稳压管的稳压值U Z＝6V，稳定电流的最小值I Z m i n＝5mA。
求图T2所示电路中U O1和U O2各为多少伏。
图T2解：U O1＝6V，U O2＝5V。
三、能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？解：不能。
因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V 时，管子会因电流过大而烧坏。
四、电路如图T3所示，已知u i＝10sinωt(v)，试画出u i与u O的波形。
设二极管正向导通电压可忽略不计。
图T3 解图T3 解：u i 和u o 的波形如解图T3所示。
五、 电路如图T4所示，已知u i ＝5sin ωt (V)，二极管导通电压U D ＝0.7V 。
试画出u i 与u O 的波形，并标出幅值。
图T4 解图T4 解：波形如解图T4所示。
六、 电路如图T5（a ）所示，其输入电压u I 1和u I 2的波形如图（b ）所示，二极管导通电压U D ＝0.7V 。
试画出输出电压u O 的波形，并标出幅值。
图T5解：uO 的波形如解图T5所示。
解图T5七、 电路如图T6所示，二极管导通电压U D ＝0.7V ，常温下U T ≈26mV ，电容C 对交流信号可视为短路；u i 为正弦波，有效值为10mV 。
试问二极管中流过的交流电流有效值为多少？解：二极管的直流电流 I D ＝（V －U D ）/R ＝2.6mA 其动态电阻 r D ≈U T /I D ＝10Ω 故动态电流有效值 I d ＝U i /r D ≈1mA图T6八、现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。
试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值。
模电 康华光 第六版
第十九页，共28页。
2.4.1 求差电路
从结构上看，它是反相输入和 同相输入相结合的放大电路。
vi2＋
R2 P
R3
i2 vp ip ＋ i3
vi2－vi1
vo
根据虚短、虚断和N、P点
vn in －
的KCL得：
2.1 集成电路运算放大器
当Avo(vP－vN) V＋ 时 vO＝ V＋
当Avo(vP－vN) V-时 vO＝ V-
电压传输特性 vO＝ f (vP－vN)
线性范围内 vO＝Avo(vP－vN) Avo——斜率
第七页，共28页。
2.2 理想运算放大器
1. vo的饱和极限值等于运放的电 源电压V＋和V－
▪ 输出电阻 ro 100Ω （很小）
vO＝Avo(vP－vN)
（ V－＜ vO ＜V＋ ）
注意输入输出的相位关系
第五页，共28页。
2.1 集成电路运算放大器
当Avo(vP－vN) V＋ 时 vO＝ V＋
当Avo(vP－vN) V-时 vO＝ V-
电压传输特性 vO＝ f (vP－vN)
第六页，共28页。
2. 运放的开环电压增益很高
若（vp－vn）＞0 则 vo= +Vom=V＋ 若（vp－vn）＜0 则 vo= –Vom=V－
3. 若V－< vo <V＋ 则 （vp－vn）0
4. 输入电阻ri的阻值很高 使 ip≈ 0、in≈ 0
5. 输出电阻很小， ro ≈ 0
理想：
ri≈∞ ro≈0 Avo→∞ vo＝Avo(vp－vn)
PN结的形成及特性
15
第 3章 二极管及其基本电路
形成电位势垒
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ + + +++
P
电位V
N
势垒V0
电场的的方向是从髙电位往底电位走，就是从正离子往负 离子走，于是N区一边的电位高于P区一边，如图所示。 16
漂移运动
空间电荷区， 也称耗尽层。
P 型半导体
内电场E N 型半导体
- - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ ++ +++
- - - - - -+ ++ +++ - - - - - -+ + + +++
P
N
扩散运动 扩散的结果是使空 因为在PN结上只剩下了正负离子(正负电荷)，间也电可荷以区称逐作渐空加间宽电。荷区 .N
二极管及其基本电路
二极管及其基本电路
二极管是一种具有单向导电性的电子器件，它只允许电流在一个方向上流动，而在相反的方向上则被阻止。
二极管的基本电路包括二极管本身以及与其连接的电路。
在基本电路中，二极管通常与电阻、电容等元件一起构成电路。
例如，在整流电路中，二极管被用来将交流电转换为直流电；在限幅电路中，二极管被用来限制电路中的电压或电流；在开关电路中，二极管被用来控制电路的通断。
二极管的基本工作原理是利用其单向导电性。
当正向电压加在二极管上时，二极管导通，电流可以通过；而当反向电压加在二极管上时，二极管截止，电流无法通过。
这种特性使得二极管在电路中具有重要的作用。
需要注意的是，不同类型的二极管具有不同的特性和应用。
例如，硅二极管和锗二极管的导通电压不同，硅二极管的导通电压为0.6V左右，而锗二极管的导通电压为0.2V左右。
因此，在使用二极管时，需要根据具体的电路需求选择合适的二极管类型。
电子技术基础模拟部分第六版
32
精选ppt
32
例R1 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 。
R
iD
+
VDD
D
vD
-
解：由电路的KVL方程，可得
iD
VDDvD R
即 iDR 1vDR 1VDD是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线
一些典型的数据如下:
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n=p
=21.掺4×杂1后010N/cm型3半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
11
精选ppt
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3.2 PN结的形成及特性
当vs为正半周时，二极管导通，且导通压降为0V，vo = vs
vs
+
D
+
vs
R
vo
-
-
（a）
O
2 3
4 t
vo
O
2 3
4 t
39
精选ppt
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2．模型分析法应用举例
（2）静态工作情况分析
当VDD=10V 时， （R=10k ） 理想模型
VD 0V
恒压模型
IDVDD /R1mA （a）简单二极管电路 （b）习惯画法
在一定的温度条件下，由本征激
反向偏 置特性
iD = -IS
-1.0
-0.5
iD/mA
发决定的少子浓度是一定的，故少
1.0
正向偏 子形成的漂移电流是恒定的，基本
chap3半导体二极管及其基本电路
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子 （价电子）。它们分别与周围的四个原子的价电子形 成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并 为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。
(c)
(a) 硅晶体的空间排列 (b) 共价键结构平面示意
硅图原子空间排列及共价键结构平面示意图
杂质 因而也称为受主杂质（接受电子）。P型半导体 的结构如图所示。
P型半导体的结构示意图
*3.1.5半导体的载流子运动和温度特性
载流子的运动
扩散运动：由于载流子浓度的差异，而形成浓 度高的区域向浓度低的区域扩散，产生扩散运 动。
漂移运动：两种载流子（电子和空穴）在电场 的作用下产生的运动。其运动产生的电流方向 一致。
4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
3.2 PN结
PN结的形成 PN结的单向导电性 PN结的击穿特性
3.2.2 PN结的形成
在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成 N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导 体的结合面上形成如下物理过程:
N型半导体结构示意图
3.1.4 杂质半导体
N型半导体
多数载流子：自由电子（它主要由杂质原子提供） 少数载流子：空穴（ 本征激发形成） 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（提供多余电 子）。N型半导体的结构示意图如图所示：
3.1.4 杂质半导体
因浓度差→多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷 区→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
3.2.2 PN结的形成
康华光《电子技术基础-模拟部分》（第5版）笔记和课后习题（含考研真题）..
目 录第1章 绪 论1.1 复习笔记1.2 课后习题详解1.3 名校考研真题详解第2章 运算放大器2.1 复习笔记2.2 课后习题详解2.3 名校考研真题详解第3章 二极管及其基本电路3.1 复习笔记3.2 课后习题详解3.3 名校考研真题详解第4章 双极结型三极管及放大电路基础4.1 复习笔记4.2 课后习题详解4.3 名校考研真题详解第5章 场效应管放大电路5.1 复习笔记5.2 课后习题详解5.3 名校考研真题详解第6章 模拟集成电路6.1 复习笔记6.2 课后习题详解6.3 名校考研真题详解第7章 反馈放大电路7.1 复习笔记7.2 课后习题详解7.3 名校考研真题详解第8章 功率放大电路8.1 复习笔记8.2 课后习题详解8.3 名校考研真题详解第9章 信号处理与信号产生电路9.1 复习笔记9.2 课后习题详解9.3 名校考研真题详解第10章 直流稳压电源10.1 复习笔记10.2 课后习题详解10.3 名校考研真题详解第11章 电子电路的计算机辅助分析与设计第1章 绪 论1.1 复习笔记一、电子系统与信号电子系统指若干相互连接、相互作用的基本电路组成的具有特定功能的电路整体。
信号是信息的载体，按照时间和幅值的连续性及离散性可把信号分成4类：①时间连续、数值连续信号，即模拟信号；②时间离散、数值连续信号；③时间连续、数值离散信号；④时间离散、数值离散信号，即数字信号。
二、信号的频谱任意满足狄利克雷条件的周期函数都可展开成傅里叶级数(含有直流分量、基波、高次谐波)，从这种周期函数中可以取出所需要的频率信号，过滤掉不需要的频率信号，也可以过滤掉某些频率信号，保留其它频率信号。
幅度频谱：各频率分量的振幅随频率变化的分布。
相位频谱：各频率分量的相位随频率变化的分布。
三、放大电路模型信号放大电路是最基本的模拟信号处理电路，所谓放大作用，其放大的对象是变化量，本质是实现信号的能量控制。
放大电路有以下4种类型：1．电压放大电路电路的电压增益为考虑信号源内阻的电压增益为2．电流放大电路电路的电流增益为考虑信号源内阻的电压增益为3．互阻放大电路电路的互阻增益为4．互导放大电路电路的互导增益为四、放大电路的主要性能指标1输入电阻：输入电压与输入电流的比值，即对输入为电压信号的放大电路，R i越大越好；对输入为电流信号的放大电路，R i越小越好。
二极管及其基本电路
vD
nV T
指数 关系
D
当加反向电压时： v
vD<0，当|vD|>>|V T |时 e 则 iD IS
常数
nV T
1
4、PN结的反向击穿
二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过 PN结的电流很小，但电压超过某一数值(反向击穿电压)时， 反向电流急剧增加，这种现象就称为PN结的反向击穿。
+4 +4 +4
+4
+3
+4
+4
+4
+4
自 由 电 子 空 穴 对
P型半导体的示意方法
空穴 受 主 离 子
－ － －
－ － －
－ － －
－ －
－
2.N型半导体
在硅（或锗）的晶体中掺入少量的五价元素杂质。(磷、锑)
硅原子
多余电子
+4
+4
+4
磷原子多余的电子易受 热激发而成为自由电子， 使磷原子成为不能移动的 正离子。 磷→施主杂质、N型杂质
正偏时，结电容较大，CJ≈CD 反偏时，结电容较小，CJ≈CB
§1.2 二极管
1.2.1 二极管的结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
（Anode）
1、二极管的电路符号：
2、分类
（Kathode）
按结构分：点接触型，面接触型，平面型。
按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，„„。 按材料分：硅二极管，锗二极管。
（3）PN结的V--I 特性及表达式
i D I S (e
vD
nV T
1)
vD ：PN结两端的外加电压
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例6：画出理想二极管电路的传输特性（Vo~VI）。
解：① VI<25V，D1、D2均截止。 VO=25V
② VI >25V ，D1导通，D2截止。
VO
100V 75V 50V
2 25 VO VI 3 3
③VI>137.5V，D1、D2 均导通。
VO=100V
(VI 25) 200 VO 25 300
PN结的单向导电性
1. PN结加正向电压时的导电情况 P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；
外电场方向与PN结
内电场方向相反，削弱了 内电场。内电场对多子扩
外
散运动的阻碍减弱，扩散
电流加大。扩散电流远大 于漂移电流，可忽略漂移 内
电流的影响。
PN结呈现低电阻。
2. PN结加反向电压时的导电情况
价电子递补空穴形成的
与外电场方向相同
本征半导体载流子的浓度：
电子浓度ni :表示单位体积的自由电子数 空穴浓度pi :表示单位体积的空穴数。
ni pi BT e
B—与材料有关的常数 Eg—禁带宽度 T—绝对温度 k—玻尔曼常数
3
2 E g / 2 kT
结论
1. 本征半导体中 电子浓度ni = 空穴浓度pi
ui
uR u
D
uo
0
2
t
uo /V
3 0
二极管箝位电路
2
34
t
※
例3：判别二极管是导通还是截止。
解：
+
+ + + + +
9V
+
12.5V
-
14V
-
18V
+
12.5V
-
14V
-
1V
+
截止
+
2V
+
导通
+
2.5V
-
1V
-
2.5V
-
1V
-
例4:
解:
求：UAB 取 B 点作参考点 6V
D2
D1
3.2 PN结的形成及特性
内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流
扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡
内电场
载流子浓度差
多子扩散
杂质离子形成空间电荷区
空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 扩散运动 漂移运动 动态平衡 PN 结 内电场阻止多子扩散
P型半导体:
在本征半导体中掺入的三价元素如B。 因留下的空穴很容易 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。
由本征激发形成
+4
+4 +3
+4
+4
+4
+4
+4
+4 +3
+4
杂质原子提供
空穴是多数载流子
自由电子是少数载流子
讨论：
若使P型半导体和N型半导体“亲密接触”， 会发生什么现象？
3.1.2 本征半导体来自本征半导体 完全纯净、结构完整的半导体晶体。
纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。
常用的本征半导体
Si
+14
2 8 4
Ge
+32
2 8 18 4
+4
本征半导体的原子结构和共价键:
共价键内的电子 称为束缚电子 挣脱原子核束缚的电子 价带中留下的空位 称为自由电子 +4 +4 +4 称为空穴
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
ID
VDD Vth 0.931 mA R rD
2. 载流子的浓度与T、Eg有关
载流子的产生与复合:
g——载流子的产生率
即每秒成对产生的电子空穴的浓度。
R——载流子的复合率
即每秒成对产生的电子空穴的浓度。 当达到动态平衡时 g =R
3.1.3杂质半导体
掺入的三价元素如B、Al、In等，
形成P型半导体
杂质半导体
掺入杂质的本征半导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高
+4 +4
外电场E
+4
自由电子定向移动 形成电子流 束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流
+4
+4
+4
本征半导体中的载流子：
1. 本征半导体中有两种载流子 — 自由电子和空穴 它们是成对出现的 2. 在外电场的作用下，产生电流 — 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的
与外电场方向相反
空穴流
(1) 势垒电容CB
当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应 地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化 ，就像电容充放电一样。
P － － －
空 间电 荷 区
N + + +
－ － －
+ + +
EW
R
(2) 扩散电容CD
当外加正向电压 不同时，PN结两 侧堆积的少子的 数量及浓度梯度 也不同，这就相 当电容的充放电 过程。
-22 -14 -1 绝缘体 — 导电率为10 -10 S.cm 量级， 如：橡胶、云母、塑料等。
半导体 — 导电能力随条件变化。 如：硅、锗、砷化镓等。
半导体特性
掺杂特性 温度特性 光照特性
掺入杂质则导电率增加几百倍
温度增加使导电率大为增加
半导体器件 光敏器件 光电器件 热敏器件
光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势
例5:
R
已知ui ，画出uo波形。
D1 E
3V
ui / V
6 3 0 -3
ui
解:
uR u
D
E
3V
uo
2
t
D2
uo /V
3 0 -3
1）两个D反向并联，将两个 D都断开，分区间讨论
ui D1 D2
t
uo
>3V <-3V -3V<ui<3V
导通 截止 截止
截止 导通 截止
=3V =-3V =ui
P区 耗尽层 N区
+
－
P 区中电子 浓度分布
N 区中空穴 浓度分布
极间电容（结电容）
Ln
x
Lp
电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来
击穿可逆。 掺杂浓度小的 反向击穿 PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。 二极管容易发生 当反向电压增高时，少子获得能量高速运动， 雪崩击穿 击穿可逆。 在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。 掺杂浓度大的 二极管容易发生 形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。 齐纳击穿 当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电 子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。 不可逆击穿 — 热击穿 PN结的电流或电压较大，使PN 结耗散功率超过极限值，使结温 升高，导致PN结过热而烧毁。
多子从浓度大向浓度小的区域运动，称为扩散。 扩散运动产生扩散电流。
少子向对方运动，称为漂移。 漂移运动产生漂移电流。
扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。 稳定的空间电荷区，又称为高阻区、 耗尽层，…
PN结的接触电位
内电场的建立，使PN结中 产生电位差。从而形成接触 电位V
V
接触电位V决定于材料及掺杂浓度 锗： V=0.2～0.3 硅： V=0.6～0.7
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；
外 电 场 与 PN 结 内 电
场方向相同，增强内电 场。内电场对多子扩散运 动阻碍增强，扩散电流大 大减小。少子在内电场的 作用下形成的漂移电流加 大。 PN结呈现高电阻。 内
外
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。 结论：PN结具有单向导电
性。
PN结电流方程
由半导体物理可推出： I 式中
IS (e
v VT
1)
Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；
T=300K（室温）时 VT= 26mV
当加正向电压时： 当加反向电压时：
I ISe
v VT
(v>>VT)
I IS
PN结电容效应
2）二极管可看作短路，UAB =－ 6V
在这里，二极管起钳位作用。
33
例2：下图中D为理想二极管, ui = 6 Sin tV, E= 3V,画出 uo波形。 解： 将D断开
uD = ui –3
R
ui >3 时D导通 uo =3V ui <3 时D截止 uo = ui ui / V
D E
3V 6 3
3k
1）两个D同向并联时，将两个 D都断开，求D断开后的uD，
12V
+ UAB –B
A
UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。
2）二极管可看作短路，UAB = 0 V
流过 D2 的电流为 I 12 4mA D2 3