最新二极管及其基本电路
第02章 半导体二极管及基本电路
一、N 型半导体：
N型
电子为多数载流子
+4 +4 +4
空穴为少数载流子
+4 +5 +4 自由电子
磷原子 施主原子
载流子数 电子数
N型杂质半导体的特点：
1、与本征激发不同，施主原子在提供多余电子的同时 并不产生空穴，而成为正离子被束缚在晶格结构 中，不能自由移动，不起导电作用。
2、在室温下，多余电子全部被激发为自由电子，故N
特性 符号及等效模型：
iD
uD
S
S
正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。 反向偏置时： 电流为0，电阻为∞。
正偏导通，uD = 0； 反偏截止， iD = 0 R =
二、二极管的恒压降模型
iD U (BR) URM O IF uD
iD UD(on) uD
uD = UD(on)
0.7 V (Si) 0.2 V (Ge)
iD 急剧上升
死区 电压
UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V (0.1 0.3) V 锗管 0.2 V iD = IS < 0.1 A(硅) 几十 A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
U(BR) U 0 U < U(BR)
反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。 反向击穿原因： 齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V) 反向电场使电子加速，动能增大，撞击 雪崩击穿： 使自由电子数突增。 (击穿电压 > 6 V)
t
例: ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。 1、 0.7 V < ui < 0.7 V
稳压二极管基本稳压电路
稳压二极管基本稳压电路
稳压二极管是一种具有稳定电压的电子元器件，一般用于保护电路中的负载免受电压波动的影响，以确保负载电路的稳定工作。
其基本稳压电路如下：
1.电压调整器：稳压二极管的正极被连接到电路的正极，负极被连接到电路的负极。
这个电路可以通过调整输入电压来控制输出电压的大小，从而实现稳压的目的。
2.稳压二极管的特性：稳压二极管具有常数电压降，因此无论输入电压如何变化，它的电压降总是保持不变。
当输入电压变化时，稳压二极管会自动改变其电流，使其电压降保持恒定，从而保护负载电路。
3.限流电阻：限流电阻的作用是限制稳压二极管的电流，以确保其工作在安全区域。
如果电流过大，稳压二极管可能会被损坏。
4.负载：负载可以是任何需要稳定电压的电路，例如模拟电路、数字电路、传感器等等，它们都需要稳定的电压来保证其正常工作。
总之，稳压二极管基本稳压电路是非常常见且实用的电路，可以对输入电压进行稳定控制，确保负载电路的稳定工作。
二极管基本电路与分析方法
二极管基本电路与分析方法二极管是一种最简单的半导体器件，具有只能单向导电的特点。
在电子电路中，二极管通常用于整流、限流、调制和混频等功能。
本文将介绍二极管的基本电路和分析方法。
一、二极管基本电路1.正向偏置电路正向偏置电路是将二极管的P端连接到正电压，N端连接到负电压的电路。
这种电路可以使二极管处于导通状态，实现电流流动。
2.逆向偏置电路逆向偏置电路是将二极管的P端连接到负电压，N端连接到正电压的电路。
这种电路可以使二极管处于截止状态，即不导电。
二、二极管分析方法1.静态分析静态分析是指在稳态条件下分析二极管的工作状态。
在正向偏置电路中，如果二极管被接入电路且正向电压大于二极管的正向压降时，二极管处于导通状态；反之，二极管处于截止状态。
在逆向偏置电路中，无论接入电路与否，二极管都处于截止状态。
2.动态分析动态分析是指在变化条件下分析二极管的工作状态。
例如，当正向电压瞬时增加时，二极管可能处于导通状态。
此时，需要考虑二极管的导通压降和电流变化情况。
三、常见二极管电路1.整流电路整流电路是将交流信号转换为直流信号的电路。
常见的整流电路有半波整流电路和全波整流电路。
半波整流电路只利用了交流信号的一半，而全波整流电路则利用了交流信号的全部。
整流电路中的二极管起到了只允许电流在一个方向上流动的作用。
2.限流电路限流电路是通过限制电流的大小来保护其他元件不受损坏的电路。
常见的限流电路有稳压二极管电路和过载保护电路。
稳压二极管电路利用二极管的电流-电压特性，使得二极管具有稳定的电流输出能力；过载保护电路则通过限制电流大小来保护负载电路。
3.调制电路调制电路是将低频信息信号调制到高频载波信号上的电路。
常见的调制电路有调幅电路和调频电路。
在调制电路中，二极管起到了快速改变电流或电压的作用，实现信号的调制效果。
4.混频电路混频电路是将两个不同频率的信号进行混合，得到新的频率信号的电路。
在混频电路中，二极管可以起到信号选择和调谐的作用，实现频率混合。
二极管基本电路
3.参数计算
4.特点
桥式整流电路比半波整流电路复杂，但输出电压脉动比 半波整流小一半，变压器的利用率也较高，因此桥式整流电 路得到了广泛应用。
将桥式整流电路的4只二极管制作在一起，封装成为一个 器件就称为整流桥，其实物及外形分别如图1-23（a）、图123(b)所示。a、b端接交流输入电压，c、d端为直流输出端，c 端为正极性端，d端为负极性端。
2.工作原理
3.特点
串联型稳压电源工作电流较大，输出电压一般可连续调 节，稳压性能优越。目前这种稳压电源已经制成单片集成电 路，广泛应用在各种电子仪器和电子电路之中。串联型稳压 电源的缺点是损耗较大、效率低。
1.电路结构
（四）并联型稳压电路
图1-30所示为并联型稳压电路，虚线框内为稳压电路，R为 限流电阻，V为稳压二极管。不论是电网电压波动还是负载电阻 RL的变化，并联型稳压电路都能起到稳压作用，原因是UZ基本 恒定，UO=UZ。
当u2为负半周期时，即a点为负，b点为正时，VD1、 VD3因反偏而截止，VD2、VD4因正偏而导通，此时有电 流流过RL，电流路径为b—VD2—RL—VD4—a。这时RL 上得到的半波电压如图1-22（b）所示，若略去二极管的正 向压降，uo≈－u2，由此可得输出电压波形，它是单方向 的脉动电压，上述电路称为桥式整流电路。
二极管基本电路
一、二极管整流电路
1.电路结构
（一）单相半波整流电路
单相半波整流电路由整流二极管、电源变压器和用电负 载构成，如图1-20（a）所示。T为电源变压器，VD为整流二 极管，RL为负载电阻。
2.工作原理
3.参数计算
4.特点
单相半波整流电路简单、元件少，但输出电流脉动很 大，变压器利用率低。因此半波整流仅适用于要求不高的 场合。
二极管原理及其基本电路
二极管原理及其基本电路二极管是一种最简单的半导体器件，它具有非常重要的功能和应用。
本文将介绍二极管的原理以及其基本电路。
一、二极管的原理二极管是由一种带有p型半导体和n型半导体的材料组成的。
在p-n 结的区域内，因为半导体的材料特性，会形成一个电势垒。
当外加电压的极性与电势垒形成的方向相反时，电势垒将变得更大，称为反向偏置；当外加电压的极性与电势垒形成的方向一致时，电势垒将变得更小，称为正向偏置。
在二极管的工作中，主要有以下几个重要的特性。
1.正向电压特性：当二极管处于正向偏置状态时，在两端加上正向电压时，电势垒逐渐缩小，直到消失。
在这个过程中，二极管的导电性变得很好。
正向电压越大，二极管导通越好。
2.反向电压特性：当二极管处于反向偏置状态时，在两端加上反向电压时，电势垒逐渐增加。
当反向电压超过反向击穿电压时，二极管就会发生击穿，电流急剧增大，此时二极管就会损坏。
3.导通和截止特性：当二极管处于正向偏置状态时，正向电压不超过一定限制时，二极管会导通。
当正向电压超过这个限制时，二极管截止，不导通。
而当二极管处于反向偏置状态时，无论外加电压的大小，其表现都是开路状态，不导通。
二、二极管的基本电路二极管广泛地应用于各种电路中，下面介绍几个常见的二极管基本电路。
1.正向电压特性测试电路：这是一个测试二极管正向电压特性的电路。
它由一个电压源、一个限流电阻和一个二极管组成。
通过改变电压源的电压，可以测量二极管在不同电压下的电流。
当电压逐渐增加时，电流也逐渐增加，直到达到二极管的最大电流。
2.整流电路：整流电路主要用于将交流电转换为直流电。
它由一个二极管和负载组成。
当二极管处于正向偏置状态时，它允许正向电流通过，从而将正半周期的交流信号变为直流信号。
而当二极管处于反向偏置状态时，它阻止反向电流通过。
3.限流电路：限流电路主要用于限制电流的大小。
它由一个电压源、一个电阻和一个二极管组成。
二极管起到了稳压和限流的作用。
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
2二极管及其基本电路
• 随着反向电压的增大，阻挡层内部的电场增强，阻挡层中 载流子的漂移速度相应加快，致使动能加大。当反向电压 增大到一定数值时，载流子获得的动能足以把束缚在共价 键中的价电子碰撞出来，产生自由电子—空穴对。新产生 的载流子在强电场作用下，再去碰撞其它中性原子，又产 生新的自由电子－空穴对。如此连锁反应使得阻挡层中载 流子的数量急剧增多，因而流过PN结的反向电流也就急 剧增大。因增长速度极快，象雪崩一样，所以将这种碰撞 电离称为雪崩击穿(Avalanche Multiplication )
门坎电压Vth（在正向电压的起始部分，由于正向电压较小， 外电场还不足以克服PN结的内电场，因而这时的正向电 压几乎为零，二极管呈现出一个大电阻，好像有一个门坎） 硅管的Vth 约为0.5V，锗管的Vth 约为0.1V 当正向电压大于Vth时，内电场大为削弱，电流因而迅速增 长，二极管正向导通。硅管的正向导通压降约为0.7V，锗 管约为0.2V
（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。
（2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高，但对温度、 光照十分敏感。
（3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征 半导体中载流子浓度小得多。
§3.2 PN结的形成及特性
漂移电流与扩散电流
1、漂移电流 载流子在电场作用下有规则的运动-------漂移运动 形成的电流-------漂移电流
+4
+4
空穴运动的实质是共有电 子依次填补空位的运动。
+4
+4
二、本征半导体
2、本征半导体的导电机理 （3）结论
①电子和空穴总是成对出现的------本征激发。 电子和空穴也可以复合而消失。
②本征半导体在外电场的作用下，形成两种电流------空穴电 流和电子电流，外电路的总电流等于两种电流的代数和。 ③电子--空穴对的数目对温度、光照十分敏感。 ④本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
6电第03章二极管及其基本电路(康华光) (2)共49页文档
－ －－ － － － + + + + + +
I
外电场
R
内电场
E
当内外电场相互抵消时,PN相当于短接:正向电流I≈E/（R1-11）
2、PN 结反向偏置(加反向电压) ——P区加负、N 区加正电压。
PN结变厚
内电场被加强，扩散受抑 制。漂移加强，形成较小
－ － － － － － + + + 的现+反高向电+ 漂阻+移，电PN流结≈0截。止呈。
极管反向击穿电压VBR的一半或三分之二。二极管击穿 后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
3. 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电
流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响， 温度越高IRM越大。硅管的反向电流较小( nA级)，锗管 的反向电流较大(A级)，为硅管的几十到几百倍。
（1-14）
其中iD、
vD
的关系为：
iD
vD
IS(e VT
1)
vD ——PN结两端的电压降 iD——流过PN结的电流 IS ——为反向饱和电流
VT =kT/q ——称为温度的电压当量
其中k为玻耳兹曼常数：1.38×10－23 J/K q 为电子电荷量1.6×10－9 C T 为热力学温度,单位为K 对于常温(相当T=300 K)时：则有VT=0.026V
二极管相同。
IZmax
稳压管反向击穿时,
只要IZ＜IZmax
,
就不会永久击穿。 （1-41）
3、实际稳压管工作原理
I
(1)当稳压管正向偏置时
E
E ＜ 0.5V时：
I ＝0，处在死区。稳压管尚未导通。
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性曲线。
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 。
解：即由i电D路的R 1KvVDL方R 1程V，DD 可是得一i条D 斜V率DD为R-v1D/R的直线，称为负载线 Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点
（3）扩散和漂移动态平衡：PN结（空间电荷区、耗尽层、势垒区）
3.2.3 PN结的单向导电性
• 外加电压才显示出来 • 外加正向电压： P 区接电源正极，或使 P 区的
电位高于N 区。P(＋) N(－)
• 外加反向电压 ： N 区接电源正极，或使得 N 区
的电位高于 P 区。P(－) N(＋)
PN结的单向导电性
阳极 a
k 阴极
二极管的伏安特性及电流方程
i f (u)
v
击穿
iIS(eV T1) (常温 V T下 2m 6 V电) 压
温度的 电压当量
材料 硅Si 锗Ge
开启电压 0.5V 0.1V
导通电压 0.5~0.8V 0.1~0.3V
反向饱 开启 和电流 电压
反向饱和电流 1µA以下 几十µA
3.3.3 二极管的主要参数
• 最大整流电流（平均值）IF：是指管子长期运行时允许通过
的最大正向平均电流，电流太大会烧坏。如2AP1最大整流电流为 16mA。
• 反向击穿电压 VBR和最大反向工作电压VRM :VRM约为击穿
电压的一半 。
• 反向电流IR：指管子未击穿时的反向电流,其值愈小,则管子的
单向导电性愈好 。
• 最高工作频率fM ：当频率大到一定程度时，二极管的单向导
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（理想模型）
半波整流电路
（a）电路图
（b）vs和vo的波形
2．模型分析法应用举例 开关电路（理想模型）
电路如图所示，求AO的电压值
解： 先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。 则接D阳极的电位为-6V，接阴
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 iDIS(e分vD段VT线性1)化，得到二极管特性的 等效模型。
（1）理想模型
在实际电路中,当电源电压远比二极管 的管压降大时,利用此法是可行的。
（a）V-I特性 （b）代表符号 （c）正向偏置时的电路模型 （d）反向偏置时的电路模型
电性将明显地变差。
二极管应ห้องสมุดไป่ตู้问题
• 种类、型号选择－－查器件手册。 • 正负极判断（P72 3.3.2）
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 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法
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
• PN结正偏时，具有较大的正向扩散电流， 呈现低电阻； PN结导通
• PN结反偏时，仅有很小的反向漂移电流， 呈现高电阻。 PN结截止
∴ PN结具有单向导电性。
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 3.3.3 二极管的主要参数
半导体二极管图片
二极管的代表符号
进 入 夏 天 ，少 不了一 个热字 当头， 电扇空 调陆续 登场， 每逢此 时，总 会想起 那 一 把 蒲 扇 。蒲扇 ，是记 忆中的 农村， 夏季经 常用的 一件物 品。 记 忆 中 的故 乡 ， 每 逢 进 入夏天 ，集市 上最常 见的便 是蒲扇 、凉席 ，不论 男女老 少，个 个手持 一 把 ， 忽 闪 忽闪个 不停， 嘴里叨 叨着“ 怎么这 么热” ，于是 三五成 群，聚 在大树 下 ， 或 站 着 ，或随 即坐在 石头上 ，手持 那把扇 子，边 唠嗑边 乘凉。 孩子们 却在周 围 跑 跑 跳 跳 ，热得 满头大 汗，不 时听到 “强子 ，别跑 了，快 来我给 你扇扇 ”。孩 子 们 才 不 听 这一套 ，跑个 没完， 直到累 气喘吁 吁，这 才一跑 一踮地 围过了 ，这时 母 亲总是 ，好似 生气的 样子， 边扇边 训，“ 你看热 的，跑 什么？ ”此时 这把蒲 扇， 是 那 么 凉 快 ，那么 的温馨 幸福， 有母亲 的味道 ！ 蒲 扇 是 中 国传 统工艺 品，在 我 国 已 有 三 千年多 年的历 史。取 材于棕 榈树， 制作简 单，方 便携带 ，且蒲 扇的表 面 光 滑 ， 因 而，古 人常会 在上面 作画。 古有棕 扇、葵 扇、蒲 扇、蕉 扇诸名 ，实即 今 日 的 蒲 扇 ，江浙 称之为 芭蕉扇 。六七 十年代 ，人们 最常用 的就是 这种， 似圆非 圆 ， 轻 巧 又 便宜的 蒲扇。 蒲 扇 流 传 至今， 我的记 忆中， 它跨越 了半个 世纪， 也 走 过 了 我 们的半 个人生 的轨迹 ，携带 着特有 的念想 ，一年 年，一 天天， 流向长
1.二极管V-I 特性的建模
（4）小信号模型
过Q点的切线可以等效成
一个微变电阻
即
rd
vD iD
常温下（T=300K）rd
VT ID
26(mV) ID(mA)
（a）V-I特性
（b）电路模型
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。
交流电路
▪ 该模型用于二极管处于正向偏置条件下，且vD>>VT 。
长 的 时 间 隧 道，袅
二极管及其基本电路
3.1 半导体的基本知识
半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间，当受
外界光和热刺激或加入微量掺杂,导电能力显著增加。
典型的半导体材料
元素 化合物 掺杂元素
硅（Si）、锗（Ge）
砷化镓（GaAs） 硼（B）、磷（P）
3.2.2 PN结的形成
（1）两边的浓度差引起载流子的扩散运动 （2）复合形成内电场：阻挡扩散，促使漂移
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
（2）恒压降模型
（3）折线模型
典型值是0.7V （只a）有V当-I特二性极（管b）的电电路模流型iD 近似等于或大于1mA时 才是正确的。
Vth约为0.5V；
（arD ） V-0I特.71性m 0（A .5b）电2路0模 0型
3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法