模电课件第2章半导体二极管及其基本电路.ppt

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1、2.1 半导体的基本知识2.2 PN结的形成及特性2.3 二极管基本电路及其分析方法2.4 特殊二极管本章基本教学要求本章基本教学要求熟练掌握二极管的外特性及主要参数正确理解PN结的单向导电性掌握二极管的大信号和小信号电路模型一般了解半导体的导电机理性本章重点内容本章重点内容半导体二极管的单向导电特性、半导体二极管的单向导电特性、伏安特性以及主要参数。伏安特性以及主要参数。二极管的应用和二极管电路的分二极管的应用和二极管电路的分析方法析方法硅稳压二极管的伏安特性、稳硅稳压二极管的伏安特性、稳压原理及主要电参数。压原理及主要电参数。本章难点内容本章难点内容器件内部的物理过程。器件内部的物理过程。

2、器件特性的物理概念。器件特性的物理概念。2.1 2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.1.1 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1.2 2.1.2 杂质半导体杂质半导体2.1.3 2.1.3 半导体的温度特性半导体的温度特性 根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cm。典型的半导。典型的半导体有体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。2.1.1 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性(1)

3、(1)本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构(2)(2)电子空穴对电子空穴对(3)空空 穴穴 的的 移移动动 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常称为，常称为“九个九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。(1)(1)本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 硅硅和和锗锗是是四四价价元元素素，在在原原子子最最外外层层轨轨道道上上的的四四个个电电子子称称为为价价电电子子。它它们们分分别别与与周周围围的的四四个个原原子子的的价价电电子子

4、形形成成共共价价键键。共共价价键键中中的的价价电电子子为为这这些些原原子子所所共共有有，并并为为它它们们所所束束缚缚，在在空空间间形形成成排排列有序的晶体。列有序的晶体。这种结构的立体和平面示意图见图这种结构的立体和平面示意图见图2.1。（2 2）电子空穴对）电子空穴对 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价自由电子产生

5、的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为键中就出现了一个空位，称为空穴空穴。原子的。原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等。电子的负电量相等。这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电子也游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为可能回到空穴中去，称为复合，复合，如图如图2.2所示。所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合在一定温度下会达到动态

6、平衡。图图2.2 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程（动画动画2-1）(3)(3)空穴的移动空穴的移动 自自由由电电子子的的定定向向运运动动形形成成电电子子电电流流。相相邻邻共共价价键键中中的的价价电电子子依依次次充充填填空空穴穴可可视视为为形形成成了了空空穴穴电电流流，它它们们的的大大小小相相等等方方向向相相反反。见见图图2.32.3的的动动画画演演示。示。（动画（动画2-2）图图2.3 空穴在晶格中的移动空穴在晶格中的移动 杂质半导体杂质半导体(1)(1)N型半导体型半导体(2)(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半

7、导体的导电性发生显著变化。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质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。(1(1）N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成可形成 N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围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的一个价电子因无共价键

8、束缚而很容易形成自由电子。电子。在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。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提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。N型半导型半导体的结构示意图如图体的结构示意图如图2.4所示。所示。图2.4 N型半导体结构示意图(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了铟等形成了P型半

9、导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺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。少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中型半导体中:空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三。三价杂质价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。P型半导体的结构示意图型半导体的结构示意图如图如图2.5所示。所示。图2.5 P型半导体的结构示意

10、图 图2.5 P型半导体的结构示意图2.1.3 2.1.3 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm32.2 PN结结2.2.1 PN结的

11、形成结的形成2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性2.2.3 PN结的电容效应结的电容效应 PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N型半型半导体和导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内内电电场场阻阻止止多多子子扩扩散散 最后最后,多子

12、的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。对于。对于P型半导体和型半导体和N型型半导体结合面，半导体结合面，离子薄层形成的离子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电。在空间电荷区，由于缺少荷区，由于缺少多子，所以也称多子，所以也称耗尽层耗尽层。图图2.6 PN结的形成过程结的形成过程 avi/2-3.AVI动画动画2-3）PN 结形成结形成的过程可参阅的过程可参阅图图2.6。PN结的单向导电性结的单向导电性 如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称简称正偏正偏；PN结

13、具有单向导电性结具有单向导电性，若外加电压使电流从，若外加电压使电流从P区流到区流到N区，区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。是高阻性，电流小。P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有外加的正向电压有一部分降落在一部分降落在PN结区，结区，方向与方向与PN结内电场方向结内电场方向相反，削弱了内电场。相反，削弱了内电场。于是于是,内电场对多子扩散内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远

14、电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，漂移电流的影响，PN结结呈现低阻性。呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如图结加正向电压时的导电情况如图2.7所示。所示。（动画（动画2-4）图图2.7 2.7 PN结加正向电压结加正向电压时的导电情况时的导电情况(2)PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时扩散电流

15、大大减小。此时PN结区的少子在内电场的结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。在一定的温度条件下，在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大本上与所加反向电压的大小无关小无关，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况如图结加反向电压时的导电情况如图2.8所示。所示。图图 2.8 PN结加反向电压时的结加反向电压时

16、的导电情况导电情况 PN结加正向电压结加正向电压时，呈现低电阻，具时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电有较大的正向扩散电流；流；PN结加反向电压结加反向电压时，呈现高电阻，具时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电有很小的反向漂移电流。流。由此可以得出结由此可以得出结论：论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。avi/2-5.AVI2-5）图图 2.8 PN结加反向电压时结加反向电压时的导电情况的导电情况2.2.3 PN结的电容效应结的电容效应 PN结具有一定的电容效应，它由两方面的结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。因素决定。一是势垒电容一是势垒电容CB，二是扩散电容二是扩散电容CD

17、。(1)势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图的示意图见图2.9。图 2.9 势垒电容示意图 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面结的另一侧面积累而形成的。因积累而形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区区的电子，与

18、外电源提供的空穴相复合，形成正向电的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在流。刚扩散过来的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图如图2.10所示。所示。图图 2.10 2.10 扩散电容示意图扩散电容示意图 当外加正向电压当外加正向电压不同时，扩散电流即不同时，扩散电流即外电路电流的大小也

19、外电路电流的大小也就不同。所以就不同。所以PN结两结两侧堆积的多子的浓度侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这梯度分布也不同，这就相当电容的充放电就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电散电容均是非线性电容。容。2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管半半导导体体二二极极管管的的结结构构类类型型半半导导体体二二极极管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线2.3.3 半半导导体体二二极极管管的的参参数数半半导导体体二二极极管管的的温温度度特特性性半半导导体体二二极极管管的的型型号号2.3.1 2.3.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型 在在PN结上加上引线和封

20、装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面点接触型、面接触型和平面型型三大类。它们的结构示意图如图三大类。它们的结构示意图如图2.11所示。所示。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 图图 2.11 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 图图 2.11 二极管的结构示意图二极管的结构示意图(c)(c)平面型平面型(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制造工往往用于集成电路制造工艺中。艺中。

21、PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型 图图 2.11 二极管的结构示意图二极管的结构示意图2.3.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线 式中式中IS 为反向饱和电流，为反向饱和电流，V 为二极管两端的为二极管两端的电压降，电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，称为温度的电压当量，k为玻为玻耳兹曼常数，耳兹曼常数，q 为电子电荷量，为电子电荷量，T 为热力学温度。为热力学温度。对于室

22、温（相当对于室温（相当T=300 K），则有），则有VT=26 mV。半导体二极管的伏安特性曲线如图半导体二极管的伏安特性曲线如图2.122.12所示。所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示的伏安特性曲线可用下式表示(2.1)(2.1)图图 2.12 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线图示(1)正向特性正向特性 硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压 Vth=0.5 V左右左右 锗锗二极管的死区电压二极管的死区电压 Vth

23、=0.2 V左右。左右。当当0VVth时，正向电流为零，时，正向电流为零，Vth称为死区称为死区电压或开启电压。电压或开启电压。当当V0即处于正向特性区域。即处于正向特性区域。正向区又分为两段：正向区又分为两段：当当VVth时，开始出现正向电流，并按指数规时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。律增长。(2)反向特性反向特性当当V0时，即处于反向特性区域。时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：反向区也分两个区域：当当VBRV0时，反向电流很小，且基时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称电流也称反向饱和电流反向饱和电流I

24、IS S 。当当VVBR时，时，反向电流急剧增加，反向电流急剧增加，VBR称为称为反向击穿反向击穿电压电压。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。不同。硅硅二二极极管管的的反反向向击击穿穿特特性性比比较较硬硬、比比较较陡陡，反反向向饱饱和和电电流流也也很很小小；锗锗二二极极管管的的反反向向击击穿穿特特性性比比较较软软，过过渡渡比比较较圆圆滑滑，反反向向饱饱和和电电流流较较大大。从击穿的机理上看，硅二极管若从击穿的机理上看，硅二极管若|VBR|7V时时,主要是雪崩击穿；若主要是雪崩击穿；若|VBR|4V时时,则主要是齐纳击则主要是齐纳击穿。当在穿。当在

25、4V7V之间两种击穿都有，有可能获得之间两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。零温度系数点。2.3.3 半导体二极管的参数半导体二极管的参数 半导体二极管的主要的参数介绍如下：半导体二极管的主要的参数介绍如下：(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压VBR。为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反

26、向击穿电压一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。的一半计算。(3)反向电流反向电流I IR R(4)正向压降正向压降VF(5)动态电阻动态电阻rd 在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安(A)级。级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约平下，约0.60.8V；锗二极管约；锗二极

27、管约0.20.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，显然，rd与工作电流的大小有关，即与工作电流的大小有关，即 rd=VF/IF2.3.4 半导体二极管的温度特性半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加极管温度每增加1212，反向电流大约增加一倍。，反向电流大约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将减另外，

28、温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加小，每增加11，正向压降，正向压降VF(VD)大约减小大约减小2 2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图即具有负的温度系数。这些可以从图01.1301.13所示所示二极管的伏安特性曲线上看出。二极管的伏安特性曲线上看出。图图2.13 温度对二极管伏安特性曲线的影响温度对二极管伏安特性曲线的影响图示2.3.5 半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片2.4.1 简单二极管电路的图解分

29、析方法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，而图解分析法则较简单，但前提条件较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的是已知二极管的V V-I I 特性曲线。特性曲线。例例2.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和和电阻电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 即即

30、是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载负载线线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点2.4.2 二极管正向二极管正向V-AV-A特性的建模特性的建模 根据二极管在实际电路中工作状态和对分根据二极管在实际电路中工作状态和对分析精度的不同要求，可以为二极管建立不同析精度的不同要求，可以为二极管建立不同的模型，常用的二极管模型有以下几种：的模型，常用的二极管模型有以下几种：2.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分

31、段线性化，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V-I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型1.理想理想二极管模型二极管模型 在实际的电路中，当电源电压远比二极管的压降在实际的电路中，当电源电压远比二极管的压降大时，利用此模型来近似分析是可行的。该模型的特大时，利用此模型来近似分析是可行的。该模型的特点是：二极管反向偏置时电流为零，而正向偏置时，点是：二极管反向偏置时电流为零，而正向偏置时，其管压降为零。其管压降为

32、零。图图2.14 理想二极管等效模型理想二极管等效模型(a)电路符号电路符号 (b)VI特性特性 该模型的基本思想是当二极管正向导通后，该模型的基本思想是当二极管正向导通后，其管压降认为是恒定的且不随电流而变，典型值其管压降认为是恒定的且不随电流而变，典型值硅管为硅管为0.7V，锗管为，锗管为0.3V，但只有当二极管正向，但只有当二极管正向电流大于或等于电流大于或等于1mA时才是正确的。时才是正确的。2.恒压降恒压降模型模型图图2.15 恒压降等效模型恒压降等效模型(a)电路符号电路符号 (b)VI特性特性3.折线折线模型模型 为了较真实地描述二极管伏安特性，在恒压降等为了较真实地描述二极管伏

33、安特性，在恒压降等效模型的基础上作一定的修正，即认为二极管的管压效模型的基础上作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着流过二极管电流的增加而增降不是恒定的，而是随着流过二极管电流的增加而增加。加。图图2.16 折线等效模型折线等效模型(a)电路模型电路模型 (b)V-I特性特性4.小信号小信号模型模型 如果二极管在它的伏安（如果二极管在它的伏安（V-I）特性的某一）特性的某一小范围内工作，例如在静态工作点小范围内工作，例如在静态工作点Q(即即V-I特性特性上的一个点上的一个点,此时此时vD=VD，iD=ID)附近工作，则附近工作，则可把可把VI特性看成为一条直线，其斜率的倒数特性

34、看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。参看图中所示，微变电阻参看图中所示，微变电阻rd可直接从可直接从V-I特性上求得。通过特性上求得。通过Q点作一条点作一条V-I特性的切线，并形成一直角三角形特性的切线，并形成一直角三角形,从而得到从而得到vD和和iD，则，则 rd=vD/iDrd的数值还可以从二极管的数值还可以从二极管V-I特性表达式导出，因为：特性表达式导出，因为：图图2.17 2.17 小信号模型小信号模型（a)a)V-IV-I特性特性(b)(b)电路符号电路符号取取i iD D对对v vD D的微分，有：的微分，有：由此可得

35、由此可得例如，当例如，当Q Q点上的点上的I ID D=2mA=2mA时，时，r rd d=26mV/2mA=26mV/2mA=1313 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，时，恒压模型恒压模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设当当VDD=1V 时，时，（自学）（自学）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习

36、惯画法）习惯画法 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sin t V时，绘出相应的输时，绘出相应的输出电压出电压vO的波形。的波形。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：先断开解：先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位，即即O点为点为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-

37、12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sin t V。（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。直流通路、交流通路、静态、动态直流通路、交流通路、静态、动

38、态等概念，在放大电路的分析中非常重要。等概念，在放大电路的分析中非常重要。2.4 特殊特殊 二极管二极管 除了前面所讨论的普通二极管外，在电除了前面所讨论的普通二极管外，在电子器件的发展过程中还研制了若干种特殊二子器件的发展过程中还研制了若干种特殊二极管，如稳压二极管、光敏二极管、发光二极管，如稳压二极管、光敏二极管、发光二极管、变容二极管等，介绍如下：极管、变容二极管等，介绍如下：1.稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳

39、压二极管伏安特性曲线的反特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图向区、符号和典型应用电路如图2.18所示。所示。图见下页 图图 2.18 稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 (a)符号符号 (b)伏安特性伏安特性 (c)应用电路应用电路(b)(c)图示 从稳压二极管的伏从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。稳压二极管的参数。(1)稳定电压稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工在规定的稳压管反向工作电流作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。(2)动态电阻动态电阻rZ 其概念与一般二极管的动态其概念与一般

40、二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击穿特愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。性愈陡。rZ=VZ/IZ (3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗稳压管的最大功率损耗取决于取决于PN结的面积和散热等结的面积和散热等条件。反向工作时条件。反向工作时PN结的功结的功率损耗为率损耗为 PZ=VZ IZ，由，由 PZM和和VZ可以决定可以决定IZmax。(4)(4)最大稳定工作最大稳定工作电流电流 IZmax 和最小稳和最小稳定工作电流定工作电流IZmin 稳压

41、管的最大稳定工作稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，电流取决于最大耗散功率，即即PZmax=VZIZmax。而。而Izmin对对应应VZmin。若若IZIZmin则不能则不能稳压。稳压。(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ 温度的变化将使温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当改变，在稳压管中当 VZ 7 V时，时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当当 VZ 4 V时，时，VZ具有负温度系数，反向击穿具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。是齐纳击穿。当当4 V VZ 7 V时，稳压管可以获得接近零时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳

42、压二极管可以作为标准稳压管的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。使用。稳压二极管在工作时应反接，稳压二极管在工作时应反接，应串入一只电阻。应串入一只电阻。电阻的作用一是起电阻的作用一是起限流作用限流作用，以保护稳压，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用稳压作用。(c)3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ2.发光二极管发光二极管 发光二极管是一种将电能直接转化为光发光二极

43、管是一种将电能直接转化为光能的器件，简称能的器件，简称LEDLED。常用元素周期表中。常用元素周期表中、族元素的化合主物族元素的化合主物,如砷化镓、磷化镓等所如砷化镓、磷化镓等所制成的。当管子通以电流时将发光制成的。当管子通以电流时将发光,这是由于这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果，发光电子与空穴直接复合而放出能量的结果，发光颜色由所用材料决定，目前有白、红、绿、黄、颜色由所用材料决定，目前有白、红、绿、黄、橙、蓝等颜色。发光二极管常用作显示器件，橙、蓝等颜色。发光二极管常用作显示器件，省电。也可在光电传输系统中将电信号转化为省电。也可在光电传输系统中将电信号转化为光信号。光信号。工作

44、电流工作电流10mA、电压、电压2v左右。左右。注意限流、分压。注意限流、分压。发光二极管发光二极管3.光电二极管光电二极管 光电二极管又称光敏二极管，它的结构与光电二极管又称光敏二极管，它的结构与PNPN结二极管类似，结二极管类似，但在它的但在它的PNPN结处，通过管壳上的玻璃窗口能接受外部的光照。其结处，通过管壳上的玻璃窗口能接受外部的光照。其主要特点是，它的主要特点是，它的反向电流与光照成正比反向电流与光照成正比 光电二极管可用作光的测量，是将光信号转换为电信号的常光电二极管可用作光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。当制成大面积的光电二极管时，可作为一种能源，称为用器件。当制成大

45、面积的光电二极管时，可作为一种能源，称为光电池。光电池。图图2.19 光电二极管光电二极管（a)电路符号电路符号 （b)特性曲线特性曲线4.变容二极管变容二极管 二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关二极管结电容的大小除了与本身的结构和工艺有关外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减外，还与外加电压有关。结电容随反向电压的增加而减少，这种效应显著的二极管称为变容二极管。其电容量少，这种效应显著的二极管称为变容二极管。其电容量最大值大概为最大值大概为5 5300pF300pF，最大电容与最小电容之比约为，最大电容与最小电容之比约为5151。变容二极管在高频技术中应用较多如彩电电子调。变容二极管在高频技术中应用较多如彩电电子调谐器。谐器。图图2.20 变容二极管变容二极管（a)电路符号电路符号 （b)结电容与电压的关系结电容与电压的关系肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性激光二极管激光二极管（a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号