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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，
2、反偏电流将急剧增大，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： 雪崩击穿 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
3、电阻,静态工作点,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
4、压源E和限流电阻R构成的直流电路如图1.19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 （T300K）。,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
5、，非线性电路近似为线性电路。,利用线性电路的叠加原理，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
6、性,Vomax,Vomin,VIL,VIH,图1.27 双向限幅电路,试分析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,稳定电压 最小稳定电流 最大稳定电流 动态电阻 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
7、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
8、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,势垒电容 扩散电容,变容二极管,1.3.7 特殊二极管,太阳能电池 光电二极管 发光二极管肖特基二极管,1.3.8 小结,半导体知识 二极管知识 二极管应用,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）。前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs
9、是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。 纯净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）。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。,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。 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
10、质半导体。 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,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。 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 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 在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形
11、成一个特殊的薄层PN结。 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）。,三、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。 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。 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。,二极管交流电阻 定义：估算:二极管伏安特性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 整流器：半波整流，全波整流，桥式整流。 限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。 钳位电路* 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,
