电子科学与技术课件

1 1课堂要求：课堂要求：必须到课。以随机抽点方式考勤，必须到课。以随机抽点方式考勤，3次次以上不到者取消期以上不到者取消期末考试资格；末考试资格；作业必须按时、认真、独立完成。（必须抄题，用尺画图，作业必须按时、认真、独立完成。（必须抄题，用尺画图，否则返回重写），缺作业否则返回重写），缺作业3次次以上者取消期末考试资格；以上者取消期末考试资格；课堂听讲；课堂听讲；实验为实验为6次，任缺次，任缺1次者考查成绩为次者考查成绩为不及格不及格；期末总成绩期末总成绩=期末卷面成绩期末卷面成绩85%+平时成绩平时成绩(5%)+实验实验成绩成绩(10%)；其中平时成绩包括考勤、作业、课堂表现，；其中平时成绩包括考勤、作业、课堂表现，实验成绩包括实验报告及实验操作等。实验成绩包括实验报告及实验操作等。每周三的一二节下课后交作业，作业交到图书馆每周三的一二节下课后交作业，作业交到图书馆709。2 2Ch1 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路Ch2 双极性三极管及其放大电路双极性三极管及其放大电路Ch4 功率放大电路功率放大电路Ch5 集成运算放大器集成运算放大器Ch6 反馈放大电路反馈放大电路Ch7 集成运算放大器的线性应用和非线性应用集成运算放大器的线性应用和非线性应用Ch8 信号产生电路信号产生电路Ch9 小功率直流稳压电源小功率直流稳压电源模拟电子技术3 3数字电子技术Ch10 数字逻辑基础数字逻辑基础Ch11 逻辑门电路基础逻辑门电路基础Ch12 组合逻辑电路组合逻辑电路Ch13 触发器基础触发器基础Ch14 时序逻辑电路时序逻辑电路Ch15 脉冲波形的产生与整形脉冲波形的产生与整形4 41.1 半导体的基本知识半导体的基本知识1.2 PN结结1.3 半导体二极管半导体二极管1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.5 特殊二极管特殊二极管第一章 半导体二极管及其基本电路5 5问题问题1 1：各符号的含义？各有什么作用？为什么：各符号的含义？各有什么作用？为什么有这样的作用？有这样的作用？问题问题2 2：在外加电压、光照、温度改变等条件下：在外加电压、光照、温度改变等条件下，导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体的表现形式有何异同？的表现形式有何异同？为什么？为什么？iubcegdsB6 61.1 半导体基本知识半导体基本知识1.1.1 本征半导体本征半导体1.1.2 杂质半导体杂质半导体7 7 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，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体和半导体。1.1.1 本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。什么是半导体？什么是本征半导体？什么是半导体？什么是本征半导体？8 8典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge（元素半导体）（元素半导体）以及以及砷化镓砷化镓GaAs（化合物半导体）等。（化合物半导体）等。导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。导电。半导体半导体硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1.1.1 本征半导体本征半导体什么是半导体？什么是本征半导体？什么是半导体？什么是本征半导体？9 91.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构2.电子空穴对电子空穴对3.空穴的移动空穴的移动 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。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到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。1.1.1 本征半导体本征半导体4.半导体的特性半导体的特性10101.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为四个电子称为价电子价电子。图图1.1 硅原子空间排列及共价键结构平面示意图硅原子空间排列及共价键结构平面示意图(a)硅晶体空间排列硅晶体空间排列 (b)共价键结构平面示意图共价键结构平面示意图(c)它们分别与周围的四个原它们分别与周围的四个原子的价电子形成子的价电子形成共价键共价键。共价键中的价电子为这共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。列有序的晶体。1.1.1 本征半导体本征半导体1111 2.电子空穴对电子空穴对 当温度升高或受到光的照射时，价电子当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为缚，而参与导电，成为自由电子自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，键中就出现了一个空位，原子的电中性原子的电中性被破被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。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。当半导体处于热力学温度当半导体处于热力学温度0K时，时，半半导体导体中没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体。中没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体。1.1.1 本征半导体本征半导体1212 游离的部游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合复合。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平衡。图图1.2 本征激发和复合的过程本征激发和复合的过程 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为同时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。1.1.1 本征半导体本征半导体13133.载流子的移动载流子的移动 只不过空穴只不过空穴的运动是靠相邻共的运动是靠相邻共价键中的价电子依价键中的价电子依次充填空穴来实现次充填空穴来实现的。的。图1.3 空穴在晶格中的移动 自由电子的定自由电子的定向运动形成了电子向运动形成了电子电流，电流，空穴的定向空穴的定向运动也可形成空穴运动也可形成空穴电流，电流，它们的方向它们的方向相反。相反。1.1.1 本征半导体本征半导体14144.半导体的特性半导体的特性 热敏特性热敏特性当环境温度升高时，载流当环境温度升高时，载流子数目增加，导电能力增强；金属没有热敏子数目增加，导电能力增强；金属没有热敏特性。特性。1.1.1 本征半导体本征半导体 光敏特性光敏特性当光照射半导体时，载流当光照射半导体时，载流子数目增加，导电能力增强；金属没有光敏子数目增加，导电能力增强；金属没有光敏特性。特性。热敏特性和光敏特性使半导体可以用来热敏特性和光敏特性使半导体可以用来制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件制作热敏和光敏器件，又是造成半导体器件温度稳定性差的原因。温度稳定性差的原因。1515 掺入杂质掺入杂质的本征半导体称为的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.N型半导体型半导体掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入的杂质主要是三价或五价元素。2.P型半导体型半导体3.杂质对半导体导电性能的影响杂质对半导体导电性能的影响4.杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法 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。16161.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，可形在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成成 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。1.1.2 杂质半导体杂质半导体自由自由电子电子多数载流子（多子），多数载流子（多子），主要由杂质原子提供。主要由杂质原子提供。空穴空穴少数载流子（少子）少数载流子（少子）,正离子正离子施主杂施主杂质质 N型半导体主要型半导体主要靠自由电子导电，掺靠自由电子导电，掺入杂质越多，入杂质越多，自由电自由电子子浓度越高，导电性浓度越高，导电性越强。越强。P多子多子由热激发形成。由热激发形成。17172.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型半导体，型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。1.1.2 杂质半导体杂质半导体由热激发形成。由热激发形成。空穴空穴多数载流子（多子），多数载流子（多子），主要由杂质原子提供。主要由杂质原子提供。少数载流子（少子）少数载流子（少子）,电子电子In多子多子负离子负离子受主杂受主杂质质 P型半导体主要型半导体主要靠空穴导电，掺入杂靠空穴导电，掺入杂质越多，质越多，空穴空穴浓度越浓度越高，导电性越强。高，导电性越强。18183.杂质对半导体导电性能的影响杂质对半导体导电性能的影响一些典型的数据如下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:ni=pi=1.41010/cm32本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 1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。4 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:ni=51016+1.4101051016/cm3比掺杂前载流子增加比掺杂前载流子增加106，即一百万倍。，即一百万倍。掺入百万分之一的杂质（掺入百万分之一的杂质（1/106），即杂质浓），即杂质浓度为度为1022（1/106）=1016数量级：数量级：51016/cm331.1.2 杂质半导体杂质半导体19194.杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体 杂质杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流。半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。1.1.2 杂质半导体杂质半导体2020结论结论:不论不论P型或型或N型半导体，掺杂浓度越大，多子型半导体，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少数目就越多，多子浓度就越大，少子数目越少，其浓度也小。，其浓度也小。在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的本征半导体。回复到类似的本征半导体。掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力增加，表明其导电能力显著增大显著增大。2121小小 结结 1.半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。2.在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。3.本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。4.P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。5.半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。和材料性质有关。22221.2 PN结结1.PN结的形成结的形成2.PN结的单向导电性结的单向导电性3.PN结的电流方程结的电流方程4.PN结的特性结的特性伏安特性伏安特性5.PN结的特性结的特性温度特性温度特性6.PN结的特性结的特性电容特性电容特性2323 物质因物质因浓度差浓度差而产生的运动称为而产生的运动称为扩散运动扩散运动。气。气体、液体、固体均有之。体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠区的空穴浓度降低、靠近接触面近接触面N区的自由电子浓度降低，产生区的自由电子浓度降低，产生内电场内电场，不，不利于扩散运动的继续进行。利于扩散运动的继续进行。1.2 PN结结1.PN结的形成结的形成2424 因因内电场内电场作用作用所产生的运动称为所产生的运动称为漂移运动漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结（耗尽层），结（耗尽层），电位电位差为差为Uho，扩散电流和漂移电流扩散电流和漂移电流大小相等，方向相大小相等，方向相反，所以对外反，所以对外电流为零。电流为零。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场内电场使空穴从使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。1.2 PN结结1.PN结的形成结的形成2525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促使少子漂移促使少子漂移 阻止多子扩散阻止多子扩散 浓度差浓度差多子的扩散运动多子的扩散运动1.2 PN结结1.PN结的形成结的形成2626PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，形成扩散电流，PN结处于导结处于导通状态。通状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。近似认为其截止。1.2 PN结结2.PN结的单向导电性结的单向导电性单向导电性单向导电性2727)1(TUuSeIiPN结两端的外电压结两端的外电压 u 与流过它的电流与流过它的电流 i 之间的关系之间的关系3.PN结的电流方程结的电流方程IS反向饱和电流反向饱和电流UT=kT/q 温度电压当量，温度电压当量，k为玻耳曼常数为玻耳曼常数T为热力学温度为热力学温度q为电子电荷量为电子电荷量T=300K时，时，UT26mv1.2 PN结结2828A此时此时PN结导通，结导通，u=0.7V,为导通电压为导通电压U。)1(TUuSeIiTUuSeIi4.PN结的特性结的特性伏安特性伏安特性1.2 PN结结BC（1）u UT，即即PN结正向偏置，结正向偏置，i 随随u的增加而呈指数上的增加而呈指数上升。升。当当u 0.7V后，后，i的曲线很陡直，基本的曲线很陡直，基本不随不随u变化而变化。变化而变化。2929)1(TUuSeIi （2）当）当 u UT时时SIi4.PN结的特性结的特性伏安特性伏安特性1.2 PN结结B3030（3）当）当u 0，且，且u 超过某一定值，超过某一定值，如如 u UBR时，时，i 则则反向剧增，这种现反向剧增，这种现象就叫象就叫击穿击穿。)1(TUuSeIi4.PN结的特性结的特性伏安特性伏安特性1.2 PN结结C雪崩击穿与齐纳击穿雪崩击穿与齐纳击穿3131 （1）U(on)随随T而略而略，当温度进一，当温度进一步增大到极端，本征步增大到极端，本征激发占主要地位，杂激发占主要地位，杂质半导体变得与本征质半导体变得与本征半导体类似，半导体类似，PN结就结就不存在了。不存在了。5.PN结的特性结的特性温度特性温度特性1.2 PN结结 因此，因此，PN结正结正常工作的最高温度：常工作的最高温度：Si：150 200 Ge：75 100正向区：正向区：温度升温度升高，曲线左移高，曲线左移3232 （2）当温度）当温度T时，时，PN结两边的热平衡少子结两边的热平衡少子浓度相应增加，从而导浓度相应增加，从而导致致PN结的反向饱和电流结的反向饱和电流IS增大。增大。5.PN结的特性结的特性温度特性温度特性1.2 PN结结正向区：正向区：温度升温度升高，曲线左移高，曲线左移反向区：反向区：温度升温度升高，曲线下移高，曲线下移 实验结果表明：实验结果表明：温度再升高温度再升高10，IS约增加一倍。约增加一倍。3333（1）势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。6.PN结的特性结的特性电容特性电容特性1.2 PN结结可制成变可制成变容二极管容二极管3434（2）扩散电容）扩散电容 PN结外加的结外加的正向电压变化时，正向电压变化时，在扩散路程中载在扩散路程中载流子的浓度及其流子的浓度及其梯度均有变化，梯度均有变化，也有电荷的积累也有电荷的积累和释放的过程，和释放的过程，其等效电容称为其等效电容称为扩散电容扩散电容Cd。6.PN结的特性结的特性电容特性电容特性1.2 PN结结+NPpLx浓浓度度分分布布耗耗尽尽层层NP区区区区中中空空穴穴区区中中电电子子区区浓浓度度分分布布nL3535结电容结电容 Cj=Cb+Cd 正偏时以正偏时以Cd为主为主,其值为几十几百其值为几十几百pF;反偏时以反偏时以Cb为主为主,其值为几几十其值为几几十pF.结电容对低频信号呈现很大的容抗，其作用结电容对低频信号呈现很大的容抗，其作用可以忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑可以忽略不计，只有在信号频率较高时才考虑结电容的作用。结电容的作用。结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！到一定程度，则失去单向导电性！36361.3 半导体二极管半导体二极管1.3.1 二极管的结构二极管的结构1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数3737将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故不能通过较大电流故不能通过较大电流最高工作频率较高最高工作频率较高适用于高频电路和小适用于高频电路和小功率整流功率整流面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故允许通过较大电流故允许通过较大电流最高工作频率较低最高工作频率较低仅作为整流管仅作为整流管平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的允许通过较大电大的允许通过较大电流，用作大功率整流流，用作大功率整流1.3.1 二极管的结构二极管的结构3838半导体二极管图片3939半导体二极管图片4040半导体二极管图片4141用万用表测二极管极性的方法：用万用表测二极管极性的方法：将万用表拨到将万用表拨到R100（或（或R1K）的欧姆档，把）的欧姆档，把二极管的两只管脚分别接到万用表的两根测试笔上，如二极管的两只管脚分别接到万用表的两根测试笔上，如附图附图-2所示。如果测出的电阻较小（约几百欧），则所示。如果测出的电阻较小（约几百欧），则与万用表黑表笔相接的一端是阳极，另一端就是阴极。与万用表黑表笔相接的一端是阳极，另一端就是阴极。相反，如果测出的电阻较大（约百千欧），那么与万用相反，如果测出的电阻较大（约百千欧），那么与万用表黑表笔相连接的一端是阴极，另一端就是阳极。表黑表笔相连接的一端是阴极，另一端就是阳极。图图1万用表电阻档等值电路万用表电阻档等值电路图图2判断二极管极性判断二极管极性4242说明二极管已被击穿。说明二极管已被击穿。判别二极管质量的好坏：判别二极管质量的好坏：一个二极管的正、反向电阻差别越大，一个二极管的正、反向电阻差别越大，其性能就越好。其性能就越好。如果双向电值都较小，如果双向电值都较小，说明二极管质量差，不能使用。说明二极管质量差，不能使用。如果双向阻值都为无穷大，如果双向阻值都为无穷大，则说明该二极管已经断路。则说明该二极管已经断路。如双向阻值均为零，如双向阻值均为零，4343 若显示溢出符号若显示溢出符号“1”，表明管子处于反向截，表明管子处于反向截止状态，黑表笔接的是阳极，红表笔接的是阴极止状态，黑表笔接的是阳极，红表笔接的是阴极。利用数字万用表的二极管档也可判别正、负极：利用数字万用表的二极管档也可判别正、负极：此时红表笔（插在此时红表笔（插在“V”插孔）带正电，插孔）带正电，黑表笔（插在黑表笔（插在“COM”插孔）带负电。插孔）带负电。用两支表笔分别接触二极管两个电极，若显用两支表笔分别接触二极管两个电极，若显示值在示值在1V以下，说明管子处于正向导通状态，红以下，说明管子处于正向导通状态，红表笔接的是阳极，黑表笔接的是阴极。表笔接的是阳极，黑表笔接的是阴极。4444iDuD1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26()1e(TSTUIiUu常温下二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。iD/mAuD/V4545iD/mAuD/V 当当0uUon时，正向电流为零，时，正向电流为零，Uon称为死区称为死区电压或开启电压。电压或开启电压。当当uUon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。硅硅二极管的死区电压二极管的死区电压Uon=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Uon=0.1 V左右。左右。硅硅二极管的正向导通电压二极管的正向导通电压U=0.60.8 V左右，左右，锗锗二极管的正向导通电压二极管的正向导通电压U=0.10.3 V左右。左右。1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.单向导电性单向导电性（1）正向特性）正向特性iD/mAuD/V4646 当当uUBR时，时，反向电流急剧增加反向电流急剧增加，UBR称为称为反向击反向击穿电压穿电压。1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.单向导电性单向导电性（2）反向特性）反向特性 当当UBRu0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 IS S 。材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V0.1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十AiD/mAuD/V4747 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。硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小，小于反向饱和电流也很小，小于0.1A；锗二极管锗二极管的的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大，约几十电流较大，约几十A。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。4848 温度每升高温度每升高1，正向电压减，正向电压减少少22.5mV；1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响正向区：正向区：温度升温度升高，曲线左移高，曲线左移反向区：反向区：温度升温度升高，曲线下移高，曲线下移 温度每升高温度每升高10，反向电流，反向电流约增大一倍。约增大一倍。4949 二极管工作时允许外二极管工作时允许外加的最大反向电压。实际工作时，加的最大反向电压。实际工作时，URM一般取一般取UBR的一半。的一半。二极管反向电流急剧增加二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。二极管长期连续工作时，允二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向整流电流的平均值。许通过二极管的最大正向整流电流的平均值。(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR1.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(3)最大反向工作电压最大反向工作电压URM5050 一般是最大反向工作电压下的反一般是最大反向工作电压下的反向电流值。向电流值。IR越小，二极管的单向导电性越好。越小，二极管的单向导电性越好。(5)最高工作频率最高工作频率fM二极管工作的上限截止频率。二极管工作的上限截止频率。(4)反向电流反向电流I IR R1.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安(A)级。级。5151+-+uIuRR-+IUD能够模拟二极管特性能够模拟二极管特性的电路称为二极管的的电路称为二极管的等效电路。等效电路。1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路UIUR1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用5252理想理想模型模型恒压降恒压降模型模型理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0折线折线模型模型+-+uIuRR-+IUDUIUR1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到由伏安特性折线化得到的等效电路的等效电路5353 试判试判断二极管是导通还是截止断二极管是导通还是截止，(1)理想模型理想模型 等效电路：等效电路：iou理想二极管理想二极管设二极管是理想的。设二极管是理想的。D6VAV12 k3O解：解：D导通，导通，相当于导线，相当于导线，UAO=-6V iu例例1电路如图所示，电路如图所示，并求出并求出AO两端电压两端电压UAO,0V-12V-6V1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路5454D215VAV12 k3OD1解：解：多个二极管，多个二极管，电压大的优先导通。电压大的优先导通。D1导通，导通，短路短路 D2截止，截止，断路断路 UAO=0V 试判试判断二极管是导通还是截止断二极管是导通还是截止，设二极管是理想的。设二极管是理想的。例例2电路如图所示，电路如图所示，并求出并求出AO两端电压两端电压UAO,-15V0V0V-12V1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路5555-6V0V练习练习试判断图中二极管是导通还是截止，设二极管是试判断图中二极管是导通还是截止，设二极管是理想的。理想的。D26VAV12 k3OD1D k10 k140 k5 k25 k2 k1815V AB+10V-0V-12VD1、D2均截止均截止+1V-2.5V3.5V1VD截止截止0V1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路5656练习练习试判断图中二极管是导通还是截止，设二极管是试判断图中二极管是导通还是截止，设二极管是理想的。理想的。D k10 k140 k5 k25 k2 k1815V AB+20V-+2V-2.5V0.5V1VD导通导通0V1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路UO=-3V3V5 5V-3VD2导通导通D1截止，截止，5757例例3 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为理想二极管。为理想二极管。解：解：ui 3V D截止截止 uo=ui ui 3V D导通导通 uo=3V ui/V t o6uo/V t o33单向限幅单向限幅 +ui-3V RD+uo-1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路5858例例4 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为理想二极管。为理想二极管。+ui-3V RD1+uo-2V D2解：解：ui/V t o6ui 3V D1导通导通 D2截止截止 uo=3V ui-2V D1截止截止 D2导通导通 uo=-2V ui 3V -2V D1截止截止 D2截止截止 uo=ui uo/V t o33-2-2双向限幅双向限幅 1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路5959(2)恒压降模型恒压降模型 等效电路：等效电路：iou例例5二极管开关电路如图二极管开关电路如图所示，所示，VI1和和VI2分别为分别为0V和和5V，求输出电压，求输出电压VO的值。的值。设设D为硅二极管，导通压降为硅二极管，导通压降为为0.7V。D16V k7.4D2VI1VI2VCCVO解：解：D1导通，导通，D2截止，截止，VO=0.7 +VI1 =0.7Viu0V5V1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路6060 二极管因二极管因加正向电压而处于导通状态，加正向电压而处于导通状态，(2)恒压降模型恒压降模型 1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路例例6 电路如图所示，设电路如图所示，设D为硅二极管，导通压降为硅二极管，导通压降UD约约为为0.7V。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数。试分别估算开关断开和闭合时输出电压的数值。值。解：解：当开关断开时，当开关断开时，UO=V1-UD6-0.7=5.3V UO=V2=12V 二极管因二极管因加反向电压而处于截止状态，加反向电压而处于截止状态，当开关闭合时，当开关闭合时，RDSV16VV212VUO+-RDSV16VV212VUO+-6161例例7 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为硅二极管，导通压降为为硅二极管，导通压降为0.7V。解：解：ui 3.7V D截止截止 uo=ui ui 3.7V D导通导通 uo=3.7V ui/V t o6uo/V t o3.7 3.7+ui-3V RD+uo-1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路6262 其电流其电流i与与u成线成线性关系，性关系，(3)折线模型折线模型 设二极管正向电压设二极管正向电压u大于大于Uon后，后，等效电路：等效电路：直线斜率为直线斜率为1/rD；反向截止时反向电流为零。反向截止时反向电流为零。1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路uiouiUonrDUon6363例例8二极管开关电路如图所示，二极管开关电路如图所示，VI1和和VI2分别为分别为0V和和5V，求输出电压，求输出电压VO的值。设的值。设D为硅二极管，开启电压为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电阻，电阻rD=300。D16V k7.4D2VI1VI2VCCVO解：解：D1导通，导通，D2截止，截止，0.5V3000V VOVO=6-0.5 4700 +300 300 =0.83V +0.5 k7.46V1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路6464例例9 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为硅二极管，开启电压为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电，电阻阻rD=200。解：解：ui 3.5V D截止截止 uo=ui ui 3.5V D导通导通 uo=0.5+3+ui-0.5-3800+200 200 =0.2ui+2.8 +ui-3V 800D+uo-+ui-3V 800+uo-0.5V2001.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用1.由伏安特性折线化得到的等效电路由伏安特性折线化得到的等效电路6565例例9 电路如图所示，设电路如图所示，设ui=6sint V，试绘出输出电压，试绘出输出电压uo的波形，设的波形，设D为硅二极管，开启电压为硅二极管，开启电压Von=0.5V，电阻，电阻rD=200。解：解：ui 3.5V D截止截止 uo=ui ui 3.5V D导通导通 uo=0.5+3+ui-0.5-3800+200 200 =0.2ui+2.8 ui/V t o6uo/V t o3.5 3.5 ui=3.5V uo=3.5Vui=4V uo=3.6Vui=5V uo=3.8Vui=6V uo=4V41.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用66662.微变等效电路分析方法微变等效电路分析方法 ui为正弦周期信号为正弦周期信号(小信号小信号)，二极管的工作情况，二极管的工作情况?RuRuDuiRuRuDuiVRuRuDV直流通路直流通路交流通路交流通路+-+uIuRR-+IUD1.4 半导体二极管的模型及应用半导体二极管的模型及应用67672.微变等效电路分析方法微变等效电路分析方法 DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流工程上要求工程上要求|U 2V Dz反向击穿反向击穿 uo=2V ui/V t o6uo/V t o22-3-31.5.1 稳压二极管稳压二极管+ui-3V RDZ+uo-7676例例2 在图示稳压管电路中在图示稳压管电路中,已知稳压管的稳定电压已知稳压管的稳定电压UZ=6V,最小稳定电流最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流最大稳定电流IZmax=25mA,负载电阻负载电阻RL=600。求解限流电阻。求解限流电阻R的的取值范围。取值范围。解：解：UO=UZ =6V IL=UO RL=6 600=0.01A=10mA 当当IDZ=IZmin=5mA时时 IR=IDZ+IL =5+10 =15mA R=UI-UOIR=10-61510-3=267当当IDZ=IZmax=25mA时时 IR=25+10 =35mA R=10-63510-3=114R=1142671.5.1 稳压二极管稳压二极管UI=10VRDZ+UO-RLILIDZIR+-