半導(dǎo)體二極管南京理工大學(xué)模電

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1、模擬電子線路,（南京理工大學(xué) 電光學(xué)院）,主講：黃 琳,辦公室：基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)樓210/211 電 話: 84315441 E-mail: ,1. 本課程的性質(zhì),是一門技術(shù)基礎(chǔ)課,2. 研究內(nèi)容,模擬電子電路,處理模擬信號(hào)的電子電路稱為模擬電路,什么是模擬信號(hào)？,導(dǎo) 言,模擬信號(hào)舉例：,注：聲音信號(hào)、速度信號(hào)、溫度信號(hào)等都是模擬信號(hào).,模擬信號(hào)：時(shí)間連續(xù)、數(shù)值連續(xù)的信號(hào),數(shù)字電路：處理數(shù)字信號(hào)的電子電路,數(shù)字信號(hào)：一種離散的信號(hào)（包括時(shí)間離散和幅值離散兩種情況）,,,電子信息系統(tǒng),D/A 轉(zhuǎn)換,,,,,,,,提取出的信號(hào)：弱信號(hào)、噪聲大、易受干擾。,傳感器、接收器,預(yù)處理：隔離、濾波、阻抗變換、放大

2、。,加 工：運(yùn)算、轉(zhuǎn)換、比較等。,驅(qū)動(dòng)與執(zhí)行：功率放大、阻抗匹配、負(fù)載驅(qū)動(dòng)。,,模擬電路,數(shù)字電路,信號(hào) 提取,信號(hào)的 預(yù)處理,信號(hào)的 加工,信號(hào)的驅(qū) 動(dòng)與執(zhí)行,A/D 轉(zhuǎn)換,計(jì)算機(jī)或 其它數(shù)字 處理系統(tǒng),2. 研究內(nèi)容,電子元器件的工作原理（二極管、三極管和集成運(yùn)放）,基本單元電路放大器的構(gòu)成原理及互聯(lián),電子電路的分析方法,以器件為基礎(chǔ)、以“放大”為主線，以傳遞“模擬信號(hào)”為目的，研究各種模擬電子電路的工作原理、特點(diǎn)及性能指標(biāo)等。,3. 教學(xué)目標(biāo),能夠?qū)σ话阈缘?、常用的電子電路進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)較簡單的單元電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。,4. 學(xué)習(xí)方法,重點(diǎn)掌握基本概念、基本電路的結(jié)構(gòu)、基本分析方法，在此基礎(chǔ)

3、上拓展知識(shí)面，拓寬思路。 抓住“模電”的幾個(gè)特點(diǎn)，可以事半功倍：,線性要求和非線性器件的矛盾（概念、分析方法）,器件少、電路多（找出各電路之間的規(guī)律，可舉一反三）,工程估算,分立是基礎(chǔ)、集成是應(yīng)用,4 集成運(yùn)算放大電路,2 基本放大電路,1 常用半導(dǎo)體器件,3 多級(jí)放大電路,5 放大電路的頻率響應(yīng),6 放大電路中的反饋,7 信號(hào)的運(yùn)算和處理,8 波形的發(fā)生和信號(hào)的轉(zhuǎn)換,9 功率放大電路,10 直流電源,課程教學(xué)內(nèi)容簡介,* 認(rèn)真聽講，有問題及時(shí)提出* 按時(shí)獨(dú)立完成作業(yè)，答題須有解題步驟，一周交一次作業(yè)（每周二交） * 認(rèn)真做好試驗(yàn)，充分利用實(shí)驗(yàn)來消化、理解課程的理論內(nèi)容,要求：,課時(shí)安排

4、： 總課時(shí)：64 學(xué)時(shí) 其中： 理論課：56學(xué)時(shí) 實(shí) 驗(yàn)：8學(xué)時(shí),課程總成績組成： 期末考85實(shí)驗(yàn)成績15,考試方式：閉卷,第一章 常用半導(dǎo)體器件,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí) 1.2 半導(dǎo)體二極管 1.3 晶體三極管 1.4 場(chǎng)效應(yīng)管,1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),1.1.1 本征半導(dǎo)體 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 1.1.3 PN結(jié),1.1.1 本征半導(dǎo)體,概論 半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。,半導(dǎo)體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,一、 概論,1、定義：,半導(dǎo)體導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和

5、絕緣體之間的物質(zhì),2、半導(dǎo)體的特殊性質(zhì),熱敏性:半導(dǎo)體受熱時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。,光敏性:半導(dǎo)體光照時(shí)，其導(dǎo)電能力增強(qiáng)。,摻雜性:在純凈的半導(dǎo)體材料中，摻雜微量雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。（可增加幾十萬至幾百萬倍）,制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%，常稱為“九個(gè)9”。 它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。,二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,本征半導(dǎo)體化學(xué)成分純凈的、具有單晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。,慣性核,原子由帶正電荷的原子核和分層圍繞原子核運(yùn)動(dòng)的 電子組成。其中處于最外層的電子稱為價(jià)電子，它受原子 核的束縛力最小。 價(jià)電子數(shù)決定了物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)。 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性質(zhì)也與價(jià)電子數(shù)有關(guān)。,本

6、征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,硅和鍺是四價(jià)元素，在原子最外層軌道上的四個(gè)電子為價(jià)電子。它們分別與周圍的四個(gè)原子的價(jià)電子形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵中的價(jià)電子為這些原子所共有，并為它們所束縛，在空間形成排列有序的晶體。,這種結(jié)構(gòu)的立體和平面示意圖如圖所示。,(c),本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,當(dāng)本征半導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K和沒有外界影響時(shí)，它的價(jià)電子束縛在共價(jià)鍵中，不存在自由運(yùn)動(dòng)的電子，此時(shí)它是良好的絕緣體。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，價(jià)電子能量增高，有的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。,自由電子產(chǎn)生的同時(shí)，在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負(fù)電量

7、相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴。 （動(dòng)畫1-1）,這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子空穴對(duì)。,自由電子的定向運(yùn)動(dòng)形成了電子電流，空穴的定向運(yùn)動(dòng)形成空穴電流，它們的方向相反。只不過空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。,,（動(dòng)畫1-2）,空穴的移動(dòng),空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。為了區(qū)別于自由電子的運(yùn)動(dòng)，就把價(jià)電子的運(yùn)動(dòng)虛擬為空穴運(yùn)動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)方向相反。從這個(gè)意義上來說，可將空穴看成一個(gè)帶正電的粒子。,本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,負(fù)電荷載流子,正電荷載流子,自由電

8、子的定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流,空穴的定向運(yùn)動(dòng)形成空穴電流,皆為載流子，所帶電量相等,電荷極性相反,,運(yùn)載電荷的粒子稱為載流子,載流子的濃度,,載流子復(fù)合：自由電子與空穴在熱運(yùn)動(dòng)中相遇，使兩者同時(shí)消失的現(xiàn)象。,載流子的動(dòng)態(tài)平衡：在一定溫度下，單位時(shí)間內(nèi)本征激發(fā)所產(chǎn)生的自由電子-空穴對(duì)的數(shù)目與復(fù)合而消失的自由電子-空穴對(duì)的數(shù)目相等，就達(dá)到了載流子的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，使本征半導(dǎo)體中載流子的濃度一定。,載流子的濃度,當(dāng)溫度一定時(shí)，激發(fā)和復(fù)合會(huì)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。 這時(shí)，載流子的濃度可用公式表示為：,,可見本征載流子濃度和溫度有關(guān)，溫度升高，本征載流子濃度就增加，當(dāng)溫度一定時(shí)，對(duì)固定的一塊半導(dǎo)體材料，本征載流子濃度是

9、一定的。,T為熱力學(xué)溫度,k為玻爾茲曼常數(shù)，EG0為熱力學(xué)零度時(shí)破壞共價(jià)鍵所需的能量，K1為與半導(dǎo)體材料載流子有效質(zhì)量、有效能級(jí)密度有關(guān)的常量,（1）空穴與電子成對(duì)出現(xiàn)。,（2）自由電子在晶格中運(yùn)動(dòng)，空穴在共價(jià)鍵內(nèi)運(yùn)動(dòng)。,（4）溫度升高時(shí)，載流子濃度增大，導(dǎo)電能力增強(qiáng)， 因此，本征半導(dǎo)體可以制成熱敏元件和光敏元件。,本征激發(fā)小結(jié)：,（3）溫度一定時(shí)，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。,一、N型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中

10、摻入五價(jià)雜質(zhì)元素，例如磷，可形成 N型半導(dǎo)體,也稱電子型半導(dǎo)體。,在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子,它主要由 雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子, 由本征激發(fā)形成。,提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。,(2) P型半導(dǎo)體,在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等形成了P型半導(dǎo)體，也稱為空穴型半導(dǎo)體。,P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，主要由摻雜形成； 電子是少數(shù)載流子，由本征激發(fā)形成。,空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì) 因而也稱為受主雜質(zhì)。,P型半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖,本征半導(dǎo)體中摻入微量雜質(zhì)元素構(gòu)成雜質(zhì)半導(dǎo)體。,

11、綜 上：,在常溫下，雜質(zhì)原子均已電離，載流子濃度就大大增加，,使半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力大大提高。,摻雜是提高半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的有效方法。,多數(shù)載流子的濃度主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度；,而少數(shù)載流子的濃度主要取決于溫度。,在雜質(zhì)半導(dǎo)體中：,2、兩種濃度不等的載流子： 多子由摻雜形成（主要取決于摻入的雜質(zhì)濃度） 少子由熱激發(fā)形成（主要取決于溫度）,N型半導(dǎo)體中，多子為自由電子，少子為空穴；,3、微量摻雜就可形成大量的多子。故雜質(zhì)半導(dǎo)體導(dǎo)電率高。,4、雜質(zhì)半導(dǎo)體呈電中性。 在N型半導(dǎo)體中， 自由電子數(shù)（摻雜+熱激發(fā)）=空穴數(shù)（熱激發(fā)）+正離子數(shù)在P型半導(dǎo)體中， 空穴數(shù)（摻雜+熱激發(fā)）=自由電子數(shù)（熱激發(fā)）+

12、負(fù)離子數(shù),雜質(zhì)半導(dǎo)體小結(jié)：,1、兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體： N型本征硅或鍺摻微量五價(jià)雜質(zhì)元素 P型本征硅或鍺摻微量三價(jià)雜質(zhì)元素,P型半導(dǎo)體中，多子為空穴，少子為自由電子。,,PN結(jié)的形成,PN結(jié)的單向?qū)щ娦?,1.1.3 PN結(jié),PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式,,PN結(jié)的擊穿特性及電容效應(yīng),,1、PN結(jié)的形成,PN結(jié)的形成過程,（動(dòng)畫1-3）,在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:,因濃度差（電子和空穴） 多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū), 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng), 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移, 內(nèi)電

13、場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,在出現(xiàn)了空間電荷區(qū)后， 由于正負(fù)電荷間的相互作用， 在空間電荷區(qū)中形成了一個(gè)電場(chǎng)，稱為內(nèi)電場(chǎng)，其方向是 從帶正電的N區(qū)指向帶負(fù)電的P區(qū)。,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于 P型半導(dǎo)體和N型 半導(dǎo)體結(jié)合面， 離子薄層形成的 空間電荷區(qū)稱為 PN結(jié)。空間電 荷區(qū)也稱耗盡層。,PN結(jié)的形成過程,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：由濃度高到濃度低 （多子的運(yùn)動(dòng)）,漂移運(yùn)動(dòng)：載流子在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)（少子的運(yùn)動(dòng)）,PN結(jié)：穩(wěn)定后的空間電荷區(qū),2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓 時(shí)的導(dǎo)電情況,（動(dòng)畫1-4）,a、 PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,外加的正向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與P

14、N結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向相反，削弱了內(nèi)電場(chǎng)。于是,內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙減弱，擴(kuò)散電流加大。擴(kuò)散電流遠(yuǎn)大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。,（動(dòng)畫1-4）,PN結(jié)加正向電壓 時(shí)的導(dǎo)電情況,當(dāng)外加正向電壓時(shí)：,b、 PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,（動(dòng)畫1-5）,外加的反向電壓有一部分降落在PN結(jié)區(qū)，方向與PN結(jié)內(nèi) 電場(chǎng)方向相同，加強(qiáng) 了內(nèi)電場(chǎng)，內(nèi)電場(chǎng)對(duì) 多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙 增強(qiáng)，擴(kuò)散電流大大減小。此時(shí)PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場(chǎng)的作用 下形成的漂移電流大 于擴(kuò)散電流，可忽略 擴(kuò)散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)

15、 高阻性,PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,當(dāng)外加反向電壓時(shí)：,（動(dòng)畫1-5）,在一定的溫度條件下， 由本征激發(fā)決定的少子濃 度是一定的，故少子形成 的漂移電流是恒定的，基 本上與所加反向電壓的大 小無關(guān)，這個(gè)電流也稱為 反向飽和電流。,PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況,（動(dòng)畫1-5）,PN結(jié)加正向電壓時(shí)，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流，PN處于導(dǎo)通狀態(tài)；,PN結(jié)加反向電壓時(shí)，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流， PN處于截止?fàn)顟B(tài)。,結(jié) 論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?3、PN結(jié)的伏安特性及其表達(dá)式,根據(jù)半導(dǎo)體物理的原理，從理論上可分析得到PN結(jié)的伏安特性表達(dá)式：,式中IS 在數(shù)值上等于反向飽和電流，

16、U為PN結(jié)所加端電壓，UT =kT/q 稱為溫度電壓當(dāng)量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q 為電子電荷量，T 為熱力學(xué)溫度。對(duì)于室溫（相當(dāng)T=300 K），則有UT=26 mV。,PN結(jié)的伏安特性,4、 PN結(jié)的擊穿特性及電容效應(yīng),當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。,(1)PN結(jié)的反向擊穿,反向擊穿類型：,電擊穿,熱擊穿,反向擊穿原因：,齊納擊穿：,反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。 (摻雜濃度高，擊穿電壓 < 6 V，負(fù)溫度系數(shù)),雪崩擊穿：,反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊 使自由電子數(shù)突增。, PN 結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)。, PN 結(jié)燒毀。,(

17、摻雜濃度低，擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù)),擊穿電壓在 6 V 左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。,,,,勢(shì)壘電容示意圖,,電容是電荷在兩個(gè)極板間的積累效應(yīng)。,外加電壓變化 勢(shì)壘層寬度變化 積累在勢(shì)壘層的電荷變化,勢(shì)壘電容Cb ：當(dāng)外加電壓使PN結(jié)上壓降發(fā)生變化時(shí)，離子薄層的厚度也相應(yīng)地隨之改變，這相當(dāng)PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量也隨之變化，猶如電容的充放電。,正偏和反偏時(shí)都有Cb。,(2) PN結(jié)的電容效應(yīng),擴(kuò)散電容示意圖,擴(kuò)散電容Cd：擴(kuò)散電容是由多子擴(kuò)散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。載流子向?qū)Ψ絽^(qū)域的擴(kuò)散，必須有濃度差，即P(N)區(qū)有電荷的積累。,外加電壓變化 P(N)區(qū)濃度差變化 正偏時(shí)才存在Cd

18、。正向電流越大， Cd越大,Cj=Cb+Cd,1.2 半導(dǎo)體二極管,1.2.1 半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu),1.2.2 二極管的伏安特性,1.2.3 二極管的主要參數(shù),1.2.4 二極管電路分析,1.2.5 穩(wěn)壓二極管,1.2.6 其它類型二極管,1.2.1 半導(dǎo)體二極管的幾種常見結(jié)構(gòu),在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個(gè)二極管。,1、點(diǎn)接觸型二極管,PN結(jié)面積小，結(jié)電容小， 用于檢波和變頻等高頻電路。,2、面接觸型二極管,PN結(jié)面積大，用于工作 頻率低，大電流整流電路。,(b)面接觸型,二極管符號(hào)：,往往用于集成電路制造工 藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用 于大功率整流和開關(guān)電路中。,1.2.

19、2 二極管的伏安特性,處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。,I = f (U),二極管的伏安特性,1、正向特性,硅二極管的死區(qū)電壓Uth=0.5 V左右， 鍺二極管的死區(qū)電壓Uth=0.2 V左右。,當(dāng)0UUth時(shí)，正向電流為零，Uth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。,當(dāng)U0即處于正向特性區(qū)域。 正向區(qū)又分為兩段：,當(dāng)UUth時(shí)，開始出現(xiàn)正向 電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。,2、反向特性,當(dāng)U0時(shí)，即處于反向特性區(qū)域 反向區(qū)也分兩個(gè)區(qū)域：,當(dāng)UBRU0時(shí)，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時(shí)的反向電流也稱反向飽和電流IS 。,當(dāng)UUBR時(shí)， 反向電流急劇增加，U

20、BR稱為反向擊穿電壓,在反向區(qū)，硅二極管和鍺二極管的特性有所不同。 硅二極管的反向擊穿特性比較硬、比較陡，反向飽和電流也很小；鍺二極管的反向擊穿特性比較軟，過渡比較圓滑，反向飽和電流較大。,反向電流特點(diǎn)：,1、隨溫度的上升增長 很快。 2、在反向電壓不超過 一定范圍時(shí)，反向電流 的大小基本恒定，而與 反向電壓的高低無關(guān)。,二極管長期工 作時(shí)，允許通過二 極管的最大正向平均 電流。,1.2.3 二極管的主要參數(shù),半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓UR、反向峰值電流IR等。,1、 最大整流電流IF,2、 反向擊穿電壓UBR 和最大反向工作電壓UR,

21、使器件損壞的參數(shù),使器件的某個(gè)特性消失的參數(shù),二極管長期工 作時(shí)，允許通過二 極管的最大正向平均 電流。,1.2.3 二極管的主要參數(shù),半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)包括最大整流電流IF、反向擊穿電壓UBR、最大反向工作電壓UR、反向峰值電流IR等。,1、 最大整流電流IF,2、 反向擊穿電壓UBR 和最大反向工作電壓UR,使器件損壞的參數(shù),使器件的某個(gè)特性消失的參數(shù),3、 反向峰值電流IR,4、 正向壓降UF,在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，一般是最大反向工作電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí)；鍺二極管在微安(A)級(jí)。,在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正

22、向壓降在中等電流水平下，約0.60.8V；鍺二極管約0.20.3V。,5、 最高工作頻率fM,fM 值主要取決于PN結(jié)結(jié)電容的大小。使用時(shí)，如果信號(hào)頻率超過fM ，二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?，甚至不?fù)存在。結(jié)電容越大，則二極管允許的最高工作頻率越低。,半導(dǎo)體二極管圖片,半導(dǎo)體二極管圖片,半導(dǎo)體二極管圖片,1.2.4 二極管的等效電路,二極管的應(yīng)用范圍很廣。主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴?它可以用于整流、檢波、元件保護(hù)及在數(shù)字電路中作為 開關(guān)元件。,非線性元件的認(rèn)識(shí),（1）線性元件回顧,電阻：元件兩端的電壓是元件通過的電流的線性函數(shù),（2）線性電阻的伏安特性,即是歐姆定律,數(shù)學(xué)模型方法 圖解分析方法

23、 模型簡化方法折線化或其他簡化模型 小信號(hào)線性化方法,（4）含非線性元件的電路一般分析方法,其本質(zhì)是對(duì)非線性元件伏安特性的模型再構(gòu)建,1、二極管U- I 特性的建模,設(shè)有如右圖含二極管的非線性電路，電路分析要解出iD 和vD,(1) 采用數(shù)學(xué)模型方法，需解非線性方程,,由：iD=(VDD-uD)/R,（2）應(yīng)用圖解分析方法,uD 0 時(shí) iD=VDD/R,iD 0 時(shí) uD =VDD,則在兩線的交叉點(diǎn)上為所求,,（3）應(yīng)用簡化模型方法, 由伏安特性折線化得到的等效電路,(a)理想二極管,(b)正向?qū)〞r(shí)端電壓為常量,(c)正向?qū)〞r(shí)端電壓與電流成線性關(guān)系,,得Q點(diǎn)處的微變電導(dǎo),常溫下（T=30

24、0K）, 小信號(hào)模型,二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時(shí)，其正向特性可以等效成一個(gè)微變電阻。,二極管的微變等效電路圖,2、 二極管電路分析,例題1：已知：,求 ：,的波形,解：求解這類電路的思路是確定二極管D在信號(hào)作用下所 處的狀態(tài)。,二極管削波（限幅）作用,解：分析此電路的關(guān)鍵是判斷二極管是否導(dǎo)通。 判斷的方法是將二極管拿開，通過比較兩個(gè)二極管的正向開路電壓 的大小來判斷二極管是否導(dǎo)通，正向開路電壓大的二極 管搶先導(dǎo)通。,例題2：如圖所示電路，輸入端A的電位,B的電位,，求輸出端F的電位,電阻R接負(fù)電壓-12V。,由此，二極管A優(yōu)先導(dǎo) 通。如果二極管的正向 壓降是0.3V，則F端的

25、 電壓為2.7V。 當(dāng)二級(jí)管A導(dǎo)通后，二 極管B上加的是反向電 壓，因而截止。,在這里，二極管A起鉗位作用。 它將F端的電壓鉗在2.7V；二極管B起隔離作用， 把輸入端B和輸出端F隔離開來。,例3 ：試求電路中電流 I1、I2、IO 和輸出電壓 UO 的值(二極管采用恒壓源模型)。,解：假設(shè)二極管斷開,UP = 15 V,UP UN,二極管導(dǎo)通,等效為 0.7 V 的恒壓源,UO = VDD1 UD(on)= 14.3 (V),IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA),I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA),I

26、1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA),3、二極管的應(yīng)用,（1）單相半波整流電路,電路結(jié)構(gòu)及工作原理,,正的半個(gè)周期：二極管導(dǎo)通,負(fù)的半個(gè)周期：二極管截止,,正的半個(gè)周期：二極管導(dǎo)通,負(fù)的半個(gè)周期：二極管截止,交流電壓,單向脈動(dòng)電壓,,（2）單相橋式整流電路,電路結(jié)構(gòu)及工作原理,當(dāng)正半周時(shí)二極管D1、D3導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的正半周。,在負(fù)載電阻上正負(fù)半周經(jīng)過合成，得到的是同一個(gè)方向的單向脈動(dòng)電壓。,當(dāng)負(fù)半周時(shí)二極管D2、D4導(dǎo)通，在負(fù)載電阻上得到正弦波的負(fù)半周。,作業(yè):,P69: 1.3、1.4,,硅穩(wěn)壓管及其伏安特性,穩(wěn)壓管的主要參數(shù),,1.2.5 穩(wěn)

27、壓二極管,硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,,1、硅穩(wěn)壓管及其伏安特性,穩(wěn)壓管是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導(dǎo)體二極管。它是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊的硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號(hào)和典型應(yīng)用電路如圖所示。,,圖見下頁,穩(wěn)壓管的伏安特性和等效電路,(a)伏安特性,(b)符號(hào)和等效電路,從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數(shù)。,(1) 穩(wěn)定電壓UZ ,(2) 動(dòng)態(tài)電阻rZ ,在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。,rZ =UZ /IZ rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。,2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù),(3) 最大

28、耗散功率 PZM ,穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結(jié)的面積和散熱等條件。反向工作時(shí)PN結(jié)的功率損耗為 PZ= UZ IZ，由 PZM和UZ可以決定IZmax。,(4) 最大穩(wěn)定工作電流IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流IZmin ,穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin對(duì)應(yīng)UZmin。 若IZIZmin則不能穩(wěn)壓。,3、硅穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,（1）電路結(jié)構(gòu),它是利用穩(wěn)壓管的反向擊穿特性穩(wěn)壓的，由于反向特性陡直，較大的電流變化，只會(huì)引起較小的電壓變化。,（2）工作原理,當(dāng)輸入電壓變化時(shí)如何穩(wěn)壓,輸入電壓VI的增加，必然引起UO的增加，即UZ增加，從而使

29、IZ增加，IR增加，使UR增加，從而使輸出電壓UO減小。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：,UIUOUZIZIRURUO,這里UO減小應(yīng)理解為，由于輸入電壓UI的增加，在穩(wěn)壓管的調(diào)節(jié)下，使UO的增加沒有那么大而已。UO還是要增加一點(diǎn)的，這是一個(gè)有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,當(dāng)負(fù)載電流變化時(shí)如何穩(wěn)壓,負(fù)載電流IL的增加，必然引起IR的增加，即UR增加，從而使UZ=UO減小，IZ減小。IZ的減小必然使IR減小，UR減小，從而使輸出電壓UO增加。這一穩(wěn)壓過程可概括如下：,,ILIRURUZ（UO）IZIRURUO,穩(wěn)壓二極管在工作時(shí)應(yīng)反接，并串入一只電阻。 電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載

30、電流變化時(shí)，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。,（3）穩(wěn)壓電阻的計(jì)算,穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路的穩(wěn)壓性能與穩(wěn)壓管擊穿特性的動(dòng)態(tài)電阻有關(guān)，與穩(wěn)壓電阻R的阻值大小有關(guān)。,穩(wěn)壓管的動(dòng)態(tài)電阻越小，穩(wěn)壓電阻R越大， 穩(wěn)壓性能越好。,穩(wěn)壓電阻R 的作用,將穩(wěn)壓二極管電流的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化， 從而起到調(diào)節(jié)作用，同時(shí)R也是限流電阻。,顯然R 的數(shù)值越大，較小IZ的變化就可引起足夠大的UR變化，就可達(dá)到足夠的穩(wěn)壓效果。,但R 的數(shù)值越大，就需要較大的輸入電壓UI值，損耗就要加大。,限流電阻的計(jì)算,當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小

31、于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即,(a),(b),,當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過 穩(wěn)壓管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過IZmax，由 此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即,限流電阻的計(jì)算,當(dāng)輸入電壓最小，負(fù)載電流最大時(shí)，流過穩(wěn)壓二極管的電流最小。此時(shí)IZ不應(yīng)小于IZmin，由此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最大值，實(shí)際選用的穩(wěn)壓電阻應(yīng)小于最大值。即,(a),(b),,當(dāng)輸入電壓最大，負(fù)載電流最小時(shí)，流過 穩(wěn)壓管的電流最大。此時(shí)IZ不應(yīng)超過IZmax，由 此可計(jì)算出穩(wěn)壓電阻的最小值。即,穩(wěn)壓二極管在使用時(shí) 一定要串入限流電阻，不 能使它的功耗超過規(guī)定值， 否則會(huì)

32、造成損壞！,例：電路如圖，IZMAX=50mA,R=0.15K, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V問當(dāng) R L = 0.2K 時(shí)，電路能否穩(wěn)壓，為什么？當(dāng) R L = 0.8K 時(shí)，電路能否穩(wěn)壓，為什么？,解：,1.2.6 其它類型二極管,發(fā)光二極管,光電二極管,發(fā)光二極管,當(dāng)發(fā)光二極管外加正向電壓，且正向電流足夠大時(shí)，發(fā)光二極管發(fā)光。 正向電流越大亮度越大。,發(fā)光二極管的外形結(jié)構(gòu)和符號(hào),光電二極管,光電二極管的外形和符號(hào),光電二極管是遠(yuǎn)紅外線接受管，它是利用PN結(jié)的光敏特性制成的將光能轉(zhuǎn)換為電能的器件,返回,光電二極管的伏安特性,光電二極管加反向偏置時(shí)，光線對(duì)反向電流的影響較大，照度越大光電流越大。,光電二極管加正向偏置時(shí)，光線對(duì)正向電流的影響較小。,光電二極管的這種特性廣泛用于遙控、報(bào)警、光電傳感器中。,作業(yè):,P69: 1.6,