2.半导体二极管及其基本电路

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
ID=（VDD-VD）/R VD=Vth+ IDrD 图3.16
（3）使用折线模型得： I =（V -V ）/（R+r ） D DD th D 能用小信号模 型分析静态工 作点吗？
VDD>>VD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
3.4.2 模型分析法应用举例 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
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
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 例题1 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。
外加反向电压的电路如图3.9所示 外加反向电压的电路如图 所示
VR IR
E0 + VR
3、PN结的伏安特性 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半导体二极管 3.3半导体二极管
3.3.1半导体二极管的结构 半导体二极管的结构
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 举例（例1） 举例
已知： 已知：VI = 10V，vi = 1Vsinωt， ， ω， 求vd、id。
R=10k + iD +
VD≈0.7V ID ≈0.93mA
0.7V 0.5V rD = = 200 1mA
注意：不同二极管的rD和 Vth是不一样的
3.4.2二极管正向特性的数学模型 二极管正向特性的数学模型 4、小信号模型：在某一个小范围 、小信号模型： 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 (mV ) rD = = = iD g D I D (mA) (T = 300 K )
小信号模型分析举例 举例（例2续） 举例
2. 动态分析 rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 ≈ 8 () Idm= Udm/ rd= 5 /8 ≈ 0.625 (mA) id = 0.625 sinωt 3. 总电压、电流 总电压、
uD = U Q + ud = (0.7 + 0.005 sinωt ) V
3.4.2 二极管正向特性的数学模型
1、理想模型——理想的开关 、理想模型 2、恒压模型——其正向压 、恒压模型 降为0.7V(硅管)
图3.14
图3.15
3.4.2二极管正向特性的数学模型 二极管正向特性的数学模型
3、折线模型：认为二极管 、折线模型： 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
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， 分析： 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。
R=10k
叠加原理
+
ID + VD
静态分析
vi VI
υi = 0
D
VI 10V
υD
R
26(mV) 26(mV) V rd = T = = = 28 I D I D (mA) 0.93(mA) vi ± 1V id = = ≈ ±0.1mA R + rd 10k + 28
+
υI
iD rd
+ vD υD
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
Vi
V01
(a )
图（b）分析：当Vi=0时，因D3、D4均可能导通，因D4二 分析 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)
3.4.2 模型分析法应用举例 3、开关电路 、 模型选择：理想、恒压 模型选择 应用： 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：
第三章 半导体二极管及其基本电路
学习要求: 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半导体的基本知识
式中ID为二极管的静态工作点的电流 5、指数模型： 、指数模型
i D = I S (e
vD VT
1)
3.4.2 模型分析法应用举例 1、静态工作点分析 VD=0V （1）使用理想模型得： ID=VDD/R （2）使用恒压模型得： VD=0.7V
V 欧姆定律: R = I
VDD iD D R + VD -
3.1.1半导体材料 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 cm 绝缘体：电阻率ρ > 109 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。
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。
(1)稳定电压 (1)稳定电压VZ 稳定电压 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； 稳定电流 最小稳定电流：稳压二极管工作于稳定电压时所需 最小稳定电流 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 最大稳定电流 流。
i D = I Q + id = (3.3 + 0.625 sinωt ) mA
3.5 特殊二极管
3.5.1 齐纳二极管 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。
K
K
PN结及其形成过程 3.2 PN结及其形成过程
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
PN结的单向导电性 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。