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1、第一章 半导体材料及二极管1.3 晶体二极管及其应用二极管的核心是一个PN结 。 图1.11 二极管的结构和电路符号1.3.1 晶体二极管的伏安特性二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流 与其端电压 之间的关系。 （1.16）-加在二极管上的端电压-流过二极管上的电流二极管的正偏伏安特性方程:二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规 律增加。 1.正偏伏安特性（1.17）二极管的反偏伏安特性方程:可见，二极管反向电流 不随反向偏压 而变 化，仅有很小的反向饱和电流。 2.反偏伏安特性（1.18）图1.12 二极管的伏安特性曲线当加在二极 管上的反偏电压超 过某一数值VBR时， 反偏电流将急剧增
2、 大，这种现象称为 二极管的反向击穿图1.13 二极管的反向击穿特性3.反向击穿特性导致二极管出现反向击穿的原因有下面两种 ： n雪崩击穿n齐纳击穿4.温度对二极管伏安特性的影响 温度对二极管正向特性的影响 温度对二极管反向特性的影响图1.14 温度对二极管伏安特性的影响5. Si二极管与Ge二极管的差别 Si 二极管的开启电压 约0.5-0.6V，Ge二极管 的开启电压约0.1-0.2V 。 Si二极管反向电流比Ge 二极管反向电流小得多 ，Si 管是pA量级，Ge 管是A量级。为什么？图1.15 Si和Ge两种二极管伏安特性的差别1.3.2 二极管的直流电阻和交流电阻 1.直流电阻静态工作
3、点图1.16 二极管的直流电阻2.交流电 阻 说明:交流电阻与直流 电流成反比。如何证明？图1.17 二极管的交流电阻3.二极管的其它主要参数 最大平均整流电流 最高反向工作电压 反向电流 最高工作频率含二极管电路的分析（非线性伏安关系）代数法：求解非线性方程组几何法：图解法模型法：近似线性法计算复杂，必须借助计算机粗糙，必须知道伏安关系曲线方便，可以利用线性电路分析方法如何模型化？根据伏安关系1.3.3 二极管模型图1.18 二极管模型（a)理想开关模型 （b）恒压源模型 （c）折线近似模型1.二极管伏安特性的分段线性近似模型例1.1 硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电 路如图1.1
4、9所示，求二极管工作点。图1.19解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作 点。 为什么采用恒压源模型？2.二极管的交流小信号模型图1.20 二极管的交流小信号模型例1.2 若在例1.1电路中串联一个正弦电压源 ，图1.21（a）为其电路图，估算此时二极管上交流 电压与电流成分的振幅值 和 （T 300K）。图1.21 二极管交流电路分析（a）电路图 （b）交流等效电路解：当未加正弦电压源，即 时，由例1.1可知 ，二极管的工作点 ， ，则可估 算出该工作点处的交流电阻为直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交 流电流。在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。利用线性电路的叠加原
5、理，可以画出只反映 交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流 等效电路，如图1.21(b)所示，由此交流通路可求 出 :1.3.4 二极管应用电路1.整流电路图1.22 直流稳压电源方框图 图1.23 半波整流电路 试分析半波整流电路的工作原理，指出其不足， 提出改进方法。全波整流电路试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足， 提出改进方法。桥式整流电路试分析桥式整流电路的工作原理2.滤波电路图1.25 滤波电路试分析滤波电路的工作原理。限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路。 3.限幅电路图1.26 限幅电路的电压传输特性VomaxVominVILVIH图1.27 双向限幅电路试分析
6、双向限幅电路的工作原理。钳位电路是一种能使整个信号电压直流平移 的电路。在稳定状态下，输出波形完全是输入波形 的复制品，但输出波形相对于输入波形有直流平移 现象，平移程度取决于电路。4.钳位电路图1.28 钳位电路原理分析 图1.29 钳位电路的波形试找出图中的错误1.3.5 稳压管及其应用 1.稳压管的伏安特性图1.30 稳压管伏安特性曲线及电路符号n稳定电压 n最小稳定电流 n最大稳定电流 n动态电阻 n电压温度系数 2.稳压管的主要参数3.稳压管电路 图1.32 稳压管稳压电路1）稳压原理图1.33 稳压管电路原理分析试分析稳压原理问题：还有其他的分析方法吗？2）限流电阻R的选取 稳压管
7、正常工作范围：可以求得：例1.3 采用 的Si稳压管2DW3的稳压电路如 图1.34所示。如果输入电压 的波动 ，试 问输出电压的波动图1.34解：图1.35 稳压电路模型及增量等效模型输入电压的变化量为：输出电压的变化量为：输出电压的相对变化量为：例1.4为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要 求该稳压电源为汽车收音机提供一个9V的电压，稳 压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化 范围（1113.6）V，收音机的电流介于0(关掉) 100mA(最大音量)之间。图1.36解：（1）当负载电流最大 ，输出电压最小 时 ，流过稳压管的电流最小 ，则（2）当负载电流最小 ，输入电压最大 时， 流
8、过稳压管的电流最大 ,则令上两式相等，则 :只含两个未知量： 和 。取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即则限流电阻 :提高训练：如何设计小功率电压源电路？1.3.6 PN结电容效应及应用n势垒电容n扩散电容变容二极管1.3.7特殊二极管n 太阳能电池 n 光电二极管 n 发光二极管n 肖特基二极管1.3.8 小结n半导体知识n二极管知识n二极管应用 一、半导体知识1本征半导体n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）。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）。n纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体
9、。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）。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。n空穴是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的本 质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显 示电荷的空位宏观定向运动。n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n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
10、自由电子和杂质正离子对（空穴和杂 质负离子对）。n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。n在常温下，多子少子,且多子浓度几乎等于杂质 浓度，与温度无关；少子浓度是温度的敏感函数。n在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少 子浓度。这也是Si器件工作温度高于Ge器件的原因 。3半导体中的两种电流n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。二、PN结n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。nPN结是非中性区（称空间电荷区
11、），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）。三、二极管知识n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。n在低频运用时，二极管具有单向导电特性，正偏时 导通，Si管和Ge管导通电压典型值分别是0.7V和 0.2V；反偏时截止，但Ge管的反向饱和电流比Si管 大得多。n二极管的低频小信号模型就是交流电阻，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。n二极管交流电阻 定义：估算:n二极管伏安特性n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。四、二极管应用 单向导电特性应用n整流器：半波整流，全波整流，桥式整流。n限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。n钳位电路*n通信电路中的应用*：检波器、混频器、倍频器等 。作业：基本题：6，10，15，16提高题：17，18
