第一章 晶体二极管及应用电路
晶体二极管及其基本电路
2. 曲线分段： 指数段（小电流时）、
直线段（大电流时）。
40
1-3 晶体二极管及其基本电路
1-3-1 二极管的伏安特性曲线
i /mA
30
20
10 -0.5 0
0.5 -5 -10 (A)
一、正向特性
1. 导通电压 2. 曲线分段 u/V 3. 小功率二极管正常工作 的电流范围内，管压降变 化比较小。
i
iIs(eu/U T 1)
IS为反向饱和电流。
u UT=K T/q ,温度电压当量，
0
当T=300K (室温)时,
UT=26mV。
图1-11 PN结的伏安特性
29
1-2 PN结
1-2-2 ＰＮ结的单向导电特性
PN结电流方程
Байду номын сангаас
i
iIs(eu/U T 1)
T 工程上定义了一个导通电压
UD(on)。硅管：UD(on)=0.7V。
+4
价 电 子
+4
+4
共 价 键
+4
图1-2 单晶硅和锗共价键结构示意图
4
1-1 半导体物理基础知识
１-１-１ 本征半导体
半导体导电的原因： 半导体中存在2种载流子(Carrier)，即自由电子 (Free Electron)和空穴(Hole)。
• 受外界能量激发（热、电、光），价电子获得一定的额外能 量，部分价电子能够冲破共价键的束缚,形成自由电子和空 穴对 ——本征激发。
• 根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为 N型半导体和P型半导体。
在杂质半导体中： 浓度占优势的载流子称为：多数载流子，简称多 子；反之称为少数载流子，简称少子。
模拟电子线路 第一章 晶体二极管工作原理及应用
本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
可见，掺杂后自由电子的浓度增加了100万倍。
1.1.3 载流子的运动
半导体中载流子有两种运动形式，一种叫漂移运动，一种叫扩散运动
（1）漂移运动 ——载流子在外加电场的作用下而产生的定向运动
电子
漂移速度：
空穴
v = µE
Vs 电子在电场中的运动方向和E的方向相反， 空穴在电场中的运动方向和E的方向相同。
IS
（3）PN结伏安特性表达式
I = IS (e −1)
V VT
VBR
Vth
u 当V＞0，分为两段： 当0＜V＜Vth时，IF=0，Vth称为死区电压或开启电压。 当V＞Vth时， IF>0 ，并按指数规律增长。 u 当V＜0时，也分两个区域： 当VBR＜V＜0时，基本不随反向电压的变化而变化，大小等于 当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压
——掺入杂质的半导体，杂质主要是Ⅲ族和Ⅴ族元素
在本征硅或锗中掺入少量Ⅴ族元素杂质，如磷、砷、锑等，则构成N型半导体也称为电 子型半导体； 或在砷化镓中掺入少量Ⅳ 或Ⅵ族元素杂质，也构成N型半导体。
施主原子提供的 多余电子—多子
施主正离子
因此，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。
（2）扩散运动 ——由于浓度差而引起的载流子的运动
• 载流子从浓度高的地方扩散到浓度低的地方，这样 就形成了扩散电流，电流的方向和空穴运动的方向 相同,与电子运动方向相反。
扩散电流
空穴
电子
补充说明
v 任何半导体中每时每刻都有电子和空穴的产生与消 亡，在一定温度下会达到动态平衡，即在半导体中 电子和空穴的浓度是一定的。 v 任何半导体中无论有多少电子和空穴，均是电中性 的。 v 半导体中的电子和空穴在无电场、无浓度差时作杂 乱无章的热运动；在有电场时，将作定向的漂移运 动；当同一种载流子存在浓度差时，将作扩散运动。
第1章晶体二极管及其整流电路
由波形图可见，v2 一 周期内，两组整流二极管
轮流导通产生的单方向电
流 i1 和 i2 叠加形成了 iL。 于是负载得到全波脉动直
流电压 vL。
桥式整流电路工作波形图
3．负载和整流二极管上的电压和电流
(1)负载电压 VL
(2)负载电流 IL
VL 0.9V2
IL
VL RL
0.9V2 RL
1.1.2 PN 结
二极管由半导体材料制成。
PN 结的形成
1．半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的一种物质。 如硅(Si)或锗(Ge)半导体。
半导体中，能够运载电荷的的粒子有两种：
自由电子：带负电 空穴：带与自由电子等量的正电
均可运载电荷——载流子
载流子：在电场的作用下定向移动的自由电子和空穴， 统称载流子，如图 所示。
本章学习目标
1. 理解半导体的基本常识，掌握 PN 结的单向导电性。
2. 熟悉晶体二极管的外形、图形符号、文字符号。
3. 掌握晶体二极管的伏安特性和参数，会用万用表检 测二极管。
4. 理解整流的含义，清楚典型的整流电路类型，能分析其 工作原理，能进行相应的计算。
5. 理解滤波的概念，能清楚整流滤波器件和常用的滤波 方式，掌握滤波的电路形式，理解电容滤波及电感滤 波的工作原理，了解选择滤波电容的选择要求。
解 因为 VL = 0.9V2
所以
V2
VL 0.9
60 V 0.9
66.7 V
流过二极管的平均电流
IV
1 2
IL
1 2
4A 2A
二极管承受的反向峰值电压
VRM 2V2 1.41 66.7 94 V
查晶体管手册，可选用整流电流为 3 安培，额定反向工作 电压为 100 V 的整流二极管 2CZ12A(3 A/100 V)4 只。
二极管及其特性
PN 结的电容效应
结论：结电容很小 1. 低频时，容抗较大，对PN 结影响很小。 高频时，因容抗减小，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. PN结结面积越小，结电容小，对应工作频率较高
模拟电子技术
第1章 晶体二极管及应用
作业： 思考与练习 P6、P11、P21 P28 自测题
1-1、1-2、
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) 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。
模拟电子技术
第1章 晶体二极管及应用
iD / mA
60 40 20 –50 –25 – 0.02 – 0.04 0 0.4 0.8 u / V D
– 50 – 25
第1章 晶体二极管及应用
模拟电子技术
第1章 晶体二极管及应用
二极管的命名方法----P9 （自学完成）
模拟电子技术
第1章 晶体二极管及应用
1.2.2
二极管的伏安特性及其主要参数
玻尔兹曼 常数
1、PN 结的伏安方程
iD I S (e
反向饱 和电流
uD / UT
1)
kT UT q
电子电量
模拟电子技术
第1章 晶体二极管及应用
1.2 二极管及其特性 1.2.1
构成：
半导体二极管的结构和类型及命名
PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) (cathode)
符号： A (anode)
C
阳极
VD
阴极
模拟电子技术
第1章 晶体二极管及应用
分类：
1、按材料分：
硅型二极管 锗型二极管
晶体二极管及整流电路
3．负载上的直流电压和电流
负载上的直流电压： 负载上的直流电流：
VL=0.9V2
VL
0.9
V2 RL
工程应用
●桥式整流电路变压器的选用：次级电压V2=VL/0.9，额定功率P应大于负载功 率。
●桥式整流二极管的选用：最高反向工作电压VRM不低于输入交流电的峰值电压 V2，最大整流电流IFM不低于负载上的直流电流IL。
20 L型滤波器
2．π型滤波器
C-π型滤波器 在L型滤波器的输入端再并联一个电容，这就形成了LC-π型滤 波器，如左下图所示。
RC-π型滤波器 在电流较小、滤波要求不高的情况下，常用电阻R代替π型滤 波器的电感L，构成RC-π型滤波器。
LC—π型滤波器 21
RC—π型滤波器
第五节 特种二极管及应用
动成分受到抑制1而9 变得平滑。
3．电路特点
一般情况下，电感值L愈大，滤波效果愈好。但电感的体积变大、成本上升，且 输出电压会下降，所以滤波电感常取几亨到几十亨。
三、复式滤波器
复式滤波器是由电感、电容或电阻、电容组合起来的多节滤波器。
1．L型滤波器
在滤波电容C之前串接一个铁芯电感L，这样就组成了L型滤波器。脉动直流电压 经过电交流成分 进一步滤除，就可在负载上得到更加平滑的直流电压。
稳压管的外形
电路符号
22
稳压管的伏安特性曲线如的正向特 性与普通二极管相同。
反向特性曲线在击穿区域比普 通二极管更陡直，这表明稳压管击穿后 ，通过管子的电流变化(ΔIz)很大，而 管子两端电压变化(ΔVz)很小，或说管 子两端电压基本保持一个固定值。
稳压管在电路中主要功能是起 稳压作用。
击穿特性
正向特性
●桥式整流电路变压器的选用：次级电压V2=VL/0.9，额定功率P应大于负载功 率。
第1章晶体二极管
PN结反偏动画演示
P区
N区
➢ PN结—单向导电特性（反偏截止）
内建电场E
PN结反偏 阻挡层变宽 内建电场增强 少子漂移>>多子扩散
P+
N
IR
lo
-+
V
IR与V 近似无关。
温度T 电流IR
பைடு நூலகம்
少子漂移形成微小的反向电流IR
PN结截止
总之：PN结正向电阻小，反向电阻大。
PN结具有单向导电特性。
二极管 ：一个PN结就是一个二极管。 单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源 负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号：
➢ PN结——伏安特性方程式
PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：
V
I IS (eVT 1)
V
正偏时：I ISeVT V反>偏>时VT： I IS V<0
其中：
热电压 VT
kT q
26mV（室温）
IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但 受温度影响很大。
PN结的数学模型中的参数说明：
半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。 硅 ( Si ) 、锗 ( Ge ) 原子结构及简化模型：
硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电 子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。
惯性核
+14 2 8 4
+32 2 8 18 4
+4
价电子
硅和锗共价键结构示意图：
共价键
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
晶体二极管及其基本电路
图1–4N型半导体原子结构示意图
P型半导体 在本征硅(或锗)中掺入少量的三价元素，如硼、铝、铟等，就得到P型半导体。这时杂质原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三个价电子和相邻的四个硅原子组成共价键时，只有三个共价键是完整的，第四个共价键因缺少一个价电子而出现一个空位，如图1--5所示。
图1–5 P型半导体原子结构示意图
图1–10反向偏置的PN结
理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为
i=IS(e qu/kT-1)= IS(e u/UT-1) (1–4)
中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。这是一个今后常用的参数。
03
图1–6半导体中载流子的浓度分布
1–2 PN结及晶体二极管
通过掺杂工艺，把本征硅(或锗)片的一边做成P型半导体，另一边做成N型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为PN结。PN结是构造半导体器件的基本单元。其中，最简单的晶体二极管就是由PN结构成的。因此，讨论PN结的特性实际上就是讨论晶体二极管的特性。
04
03
01
02
1–1–3半导体中的电流
了解了半导体中的载流子情况之后，我们来讨论它的电流。在半导体中有两种电流。
漂移电流
在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。
半导体中有两种载流子——电子和空穴，当外加电场时，电子逆电场方向作定向运动，形成电子电流In ，而空穴顺电场方向作定向运动，形成空穴电流Ip 。虽然它们运动的方向相反，但是电子带负电，其电流方向与运动方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均为空穴流动的方向。因此，半导体中的总电流为两者之和，即
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第一章晶体二极管及应用电路§1.1 知识点归纳一、半导体知识1．本征半导体·单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅（Si）和锗（Ge）（图1-2）。
前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。
·纯净（纯度>7N）且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。
在一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）（图1-3）。
本征激发产生两种带电性质相反的载流子——自由电子和空穴对。
温度越高，本征激发越强。
+载流子。
空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格·空穴是半导体中的一种等效q+电荷的空位宏观定向运动（图1-4）。
中的空位，使局部显示q·在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。
复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。
2．杂质半导体·在本征硅（或锗）中渗入微量5价（或3价）元素后形成N型（或P型）杂质半导体（N型：图1-5，P型：图1-6）。
·在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。
·由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。
·在常温下，多子>>少子（图1-7）。
多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；两少子浓度是温度的敏感函数。
·在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少子浓度。
3．半导体中的两种电流在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。
4．PN结·在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层——PN 结（图1-8）。
·PN结是非中性区（称空间电荷区），存在由N区指向P区的内建电场和内建电压；PN结内载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；PN结内的电场是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻挡层）。
·正偏PN结（P区外接高于N区的电压）有随正偏电压指数增大的电流；反偏PN结（P区外接低于N区的电压），在使PN结击穿前，只有其值很小的反向饱和电流S I。
即PN结有单向导电特性（正偏导通，反偏截止）。
·PN 结的伏安方程为：/(1)Tv V S i I e=-，其中，在T=300K 时，热电压26T V mV 。
·非对称PN 结有P N +结（P 区高掺杂）和PN +结（N 区高掺杂），PN 结主要向低掺杂区域延伸（图1-9）。
二、二极管知识·普通二极管内芯片就是一个PN 结，P 区引出正电极，N 区引出负电极（图1-13）。
·在低频运用时，二极的具有单向导电特性，正偏时导通，Si 管和Ge 管导通电压典型值分别是0.7V 和0.3V ；反偏时截止，但Ge 管的反向饱和电流比Si 管大得多（图1-15）。
·低频运用时，二极管是一个非线性电阻，其交流电阻不等于其直流电阻。
二极管交流电阻d r 定义：1D d D Qdi r dv -⎛⎫= ⎪⎝⎭二极管交流电阻d r 估算：d T D r V I ≈·二极管的低频小信号模型就是交流电阻d r ，它反映了在工作点Q 处，二极管的微变电流与微变电压之间的关系。
·二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有理想开关、恒压源模型和折线模型三种近似（图1-20）。
三、二极管应用1．单向导电特性应用·整流器：半波整流（图1-28），全波整流（图P1-8a ），桥式整流（图P1-8b ）·限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅（图P1-9） ·钳位电路*·通信电路中的应用*：检波器、混频器等 2．正向导通特性及应用二极管正向充分导通时只有很小的交流电阻，近似于一个0.7V （Si 管）或0.3V （Ge 管）的恒压源。
3．反向击穿及应用·二极管反偏电压增大到一定值时，反向电流突然增大的现象即反向击穿。
·反向击穿的原因有价电子被碰撞电离而发生的“雪崩击穿”和价电子被场效激发而发生的“齐纳击穿”。
·反向击穿电压十分稳定，可以用来作稳压管（图1-33）。
·稳压管电路设计时，要正确选取限流电阻，使稳压管在一定的负载条件下正常工作。
4．高频时的电容效应及应用·高频工作时，二极管失去单向导电特性，其原因是管内的PN 结存在电容效应（结电容）。
·结电容分为PN 结内的势垒电容T C 与PN 结两侧形成的扩散电容D C 。
·T C 随偏压的增大而增大，D C 与正偏电流近似成正比。
·反偏二极管在高频条件下，其等效电路主要是一个势垒电容T C 。
利用这一特性的二极管称为变容二极管。
变容二极管在通信电路中有较多的应用。
§1.2 习题解答1-1 某N 型Si 材料的施主密度1510D N =/cm 3。
在T=300K 和T=550K 时Si 的本征浓度i n 分别为101.510⨯/cm 3和1015/cm 3。
计算在这两种温度下的自由电子浓度和空穴浓度并说明材料导电特性的变化。
[解] （1）T=300KD i N n >>，肯定成立00n n n P >>此时，01510n D n N =/cm 3，222050152.2510 2.251010i i n n D n n P n N ⨯===⨯/cm 3。
（2）T=550K此时iD n N =，应联立20000n n i n D n n P n n N P ⎧=⎪⎨=+⎪⎩求解0n n 和0n P 。
将i n ，D N 代入上二方程可得：215300010100n n n n --= 由上式解出50 1.6210n n =⨯/cm 3 ∴ 15000.6210n n D P n N =-=⨯/cm 3。
结论：在T=300K 时，00n n n P >>，是杂质导电特性。
在T=550K 时，00n n n P ，此时，材料已呈现本征导电特性。
1-2 在T=300K 时，某Si 管和Ge 管的反向饱和电流分别是0.5pA 和1μA 。
两管按如图所示的方式串联，且电流为1mA 。
试用二极管方程估算两管的端电压Si V 和Ge V 。
[解]S I I >>，两管已充分导通，故V A 关系为/T V V S I I e =，由此lnT S IV V I =，取26T V =mV （T=300K ）∴10000.026ln0.181Ge V ==V图P1-29100.026ln 0.5570.5Si V ==V 。
1-3 在T=300K 时，利用PN 结伏安方程作以下的估算：（1）若反向饱和电流10S I =μA ，求正向电压为0.1V ，0.2V 和0.3V 时的电流。
（2）当反向电流达到反向饱和电流的90%时，反向电压为多少？（3）若正反向电压均为0.05V ，求正向电流与反向电流比值的绝对值。
[解]（1）V =0.1伏时，0.1/0.026110(1)458I eμ=-=A ；V =0.2伏时，0.2/0.026210(1)21.9I e=-=mA ； V =0.3伏时，0.3/0.026310(1) 1.026I e =-=A ； （2）按题意/0.0260.9(1)V S S I I e-=- 由上式解出0.026ln 0.10.06V ==-（V ）（3）0.05/0.0260.05/0.0261 5.846.8410.54I e I e +---===-1-4 试分析图示电路中的二极管2AP15的状态（导通还是截止）。
[解]去掉2AP15，以O 点为参考点，则251015 3.5182255AO V =⨯+⨯=++V 1015114010BO V =⨯=+VBO AO V V <，∴二极管反偏，2AP15截止。
图P1-4 1-5 试估算图示Si 二极管电路中的二极管工作点电流D I 。
[解]将二极管支路的外电路用戴维南定理等效为图P1-5-1。
取0.7DV V ；∴40.711 2.3DI -=+mA 。
图P1-5-1 图P1-51-6 试判断图示电路中二极管D 1和D 2是导通状态还是截止状态，并求出电压AOV （AO A O V V V =-）。
（提示：D 1和D 2的状态共有22即4种组合。
分析每一种组合，当导通管只有正向电流，截止管只有反向电压时，该状态即为所求。
该方法称为假定状态分析法）[解]（1）设D 1、D 2均截止，此时12OA V =V ，加在D 1上的电压是正向电压，故该假设不成立。
（2）设D 1、D 2均导通，导通的D 1使0AO V =，D 2应有反向电压，故该假设不成立。
（3）设D 2导通D 1截止，此时，加在D 1上的电压是正向电压，故假设仍不成立。
图P1-6（4）设D 1导通，D 2截止。
D 1导通，正向电流12V43k ==ΩmA此时，5BA V =-V ，使D 2截止。
∴此假设成立。
结论：D 1导通，D 2截止。
1-7 在图示Si 二极管电路中，低频正弦电压i v 的有效值5I V =mV ，电容C 是耦合电容。
试估算1R 上的电压1R v 的交流成分的有效值1r V （T=300K ）。
[解]令0i v =，由D 的直流通路估算静态D I 160.71.0395.1DDE V I R --=mA图P1-7-1 图P1-7 交流电阻25TdDVr I =Ω0i V ≠时，画出交流通路如图P1-7-1所示。
∴1121//24.8852.49//2524.88d r i d R r V V R R r ⨯===++mV 。
1-8 图（a ）和图（b ）分别是二极管全波整流电路和桥式整流电路。
假设二极管为理想开关，试分析对于输入信号的正半周和负半周，每支二极管的状态，并画出输出电压O v 的波形。
[解]图P1-8输入正半周时，D 1导通，D 2截止。
输入正半周时，D 1D 3导通，D 2D 4截止。
输入负半周时，D 2导通，D 1截止。
输入负半周时，D 2D 4导通，D 1D 3截止。
（a ）（b ）两整流电路0v 波形相同（图P1-8-1）：图P1-8-11-9 （1）假设二极管D 1和D 2是理想开关，试画出图示并联型双向限幅器的输出电压O v 的波形。
图中i v 是振幅为12V 的正弦电压。