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1、第三章第三章二极管及其基本电路二极管及其基本电路重点：重点：1.理解理解PN结的单向导电性。结的单向导电性。2.了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；和特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路。会分析含有二极管的电路。1电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一一. 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体1.导体导体:容易导电的物质，金属一般都是导体。容易导电的物质，金属一般都是导体。2.绝缘体绝缘体:不导电的物质不导电的物质,如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶
2、瓷、塑料和石英。3.半导体半导体(1)导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷化导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。镓和一些硫化物、氧化物等。(2)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。称热敏特性和光敏特性。称热敏特性和光敏特性。(3)往纯净的半导体中掺入某些杂质往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素其它化学元素)，会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。 半导体为什么有此性质呢？半导体为什么有此性质呢？2电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件硅原子硅原子(14)(14)锗原子锗原子
3、(32)(32)硅和锗最外层轨道上的四个电子称为硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子价电子。二二. 本征半导体本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体。 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”。 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素。价元素。3电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件1.形成共价键结构，导电形成共价键结构，导电能力较弱能力较弱,接近绝缘体。接近绝缘体。2.光照或受热激发价电子光照或受热激发价电子成为自由电子，导
4、电能力成为自由电子，导电能力增强。这一现象称为增强。这一现象称为本征本征激发激发或或热激发热激发。三三. 本征半导体的本征半导体的共价键结构共价键结构可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。+4+4+4+4硅原子硅原子自由电子自由电子空穴空穴自由电子带负电，自由电子带负电，空穴带正电，都是可以移动的粒子。空穴带正电，都是可以移动的粒子。4电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件 光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为本征激发本征激发或或热激发热激发。可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴
5、对。自由电子自由电子带负电的粒子带负电的粒子空穴空穴带正电的粒子带正电的粒子自由电子、空穴统称为载流子。自由电子、空穴统称为载流子。四四. 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。导体的导电性能发生显著变化。 为何呢？为何呢？1、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑或锑)。5电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件+4+4+5+4多余电子多余电子自由电子自由电子磷原子磷原子硅原子硅原子+整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图。可见：可见
6、：a 、N 型半导体中自由电子很型半导体中自由电子很多多(多数载流子多数载流子)，空穴很少，空穴很少(少数载流子少数载流子) ；b 、导电性能显著增加。、导电性能显著增加。6电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件2、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟或铟)。+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子整块整块P 型半导体示意图型半导体示意图。硅原子硅原子可见：可见：a 、P 型半导体中自由电子很型半导体中自由电子很少少(少少子子)，空穴很多，空穴很多(多子多子)；b 、导电性能显著增加。导电性能显著增加。7电第03章二极管及其基
7、本电路(康华光优秀课件综述与问题综述与问题N 型半导体特点型半导体特点: 自由电子很多自由电子很多,空穴很少；空穴很少；整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图:+P 型半导体特点型半导体特点: 自由电子很少自由电子很少,空穴很多；空穴很多；整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图:若将上述二者结合在一起，会如何？若将上述二者结合在一起，会如何？9电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件P型半导体型半导体N型半导体型半导体+3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性一一. PN 结的形成结的形成内电场内电场空间电荷区空间电荷区耗尽层、势垒区耗尽层、势垒区空间电荷区稳定空间电荷区稳定后形成后形
8、成PN 结结10电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件PN结结变薄变薄二二. PN 结的单向导电性结的单向导电性1. PN 结正向偏置结正向偏置(加正向电压加正向电压)P 区加正区加正, N 区加负电区加负电压压内电场内电场外电场外电场+_RE+I当内外电场相互抵消时当内外电场相互抵消时,PN相当于短接相当于短接:正向电流正向电流IE/ /R内电场被削弱，扩散内电场被削弱，扩散运动加强形成较大的运动加强形成较大的电流。电流。11电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件2、PN 结反向偏置结反向偏置(加反向电压加反向电压) P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。内电场内电场外电
9、场外电场PN结变厚结变厚I0内外电场相互加强内外电场相互加强,PN相当于断开相当于断开: 反向电流反向电流I0-+RE+内电场被加强，扩散受抑内电场被加强，扩散受抑制。漂移加强，形成较小制。漂移加强，形成较小的反向漂移电流的反向漂移电流0。 呈现呈现高电阻，高电阻， PN结截止。结截止。12电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件3.3 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。二极管结构二极管结构两层半导体，一个两层半导体，一个PN结。结。二、图形符号二、图形符号PN阴极阴极阳极阳极D13电第03章二
10、极管及其基本电路(康华光优秀课件 三、伏安特性三、伏安特性死区电压死区电压: 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: :( (稳定不变稳定不变) ) 硅管硅管0.7V, 锗管锗管0.3V。反向击穿反向击穿电压电压VBR理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ；导通正向压降；导通正向压降=0； 反向饱和电流反向饱和电流=0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。反向饱和电流反向饱和电流IS一定电压范围内一定电压范围内一定电压范围内一定电压范围内保持保持保持保持IS0 vDiD+vD- -EiDVRmA+vD- -EiDVRmA击穿使二极击穿使二极管永久损坏管永久损坏14电第03章
11、二极管及其基本电路(康华光优秀课件其中其中iD、 vD 的关系为：的关系为： vD PN结两端的电压降结两端的电压降iD流过流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流VT = =kT/ /q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数：为玻耳兹曼常数：1.381023 J/ /Kq 为电子电荷量为电子电荷量1.6109 CT 为热力学温度为热力学温度,单位为单位为K 对于常温对于常温(相当相当T=300 K)时：则有时：则有VT=0.026V15电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件RD 0VD =0.7V(硅管硅管) 0.3V(锗管锗管)0(E较大时较
12、大时)相当于短接相当于短接称为导通称为导通E 0.5V(硅管硅管)、 0.2V(锗管锗管)时：时：I 0，处在死区，处在死区,尚未导通。实际中这种情况要避免。尚未导通。实际中这种情况要避免。E 0.7V(硅管硅管)、 0.3V(锗管锗管)时：时：ERDIRDVD四、实际四、实际二极管特点总结二极管特点总结1、当二极管上加正向电压时：、当二极管上加正向电压时：(即即PN结正向偏置结正向偏置)17电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件2、当二极管上加反向电压时、当二极管上加反向电压时(即即PN结反向偏置结反向偏置)PN结或二极管具有结或二极管具有E 击穿电压时：击穿电压时：RD , I 0V
13、D E二极管相当于断开二极管相当于断开称为截止。称为截止。E 击穿电压时：击穿电压时：RD 0， VD 0二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。ERDRDVDI 单向导电性单向导电性18电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件只要只要E0时：时：RD =0，VD =0相当于短接相当于短接称为导通称为导通ERDIRDVD五、理想五、理想二极管特点总结二极管特点总结1、当二极管上加正向电压时：、当二极管上加正向电压时：(即即PN结正向偏置结正向偏置)2、当二极管上加反向电压时、当二极管上加反向电压时(即即PN结反向偏置结反向偏置)ERDRDVDI只要只
14、要E0：RD=, I=0, VD E相当于断开相当于断开称为截止。称为截止。PN结或二极管具有结或二极管具有 单向导电性单向导电性19电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件RLvivovivott二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压vo 的波形。的波形。例例120电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件七、二极管的主要参数七、二极管的主要参数1. 1. 最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流 I IF F 二极管长期使用时二极管长期使用时二极管长期使用时二极管长期使用时, ,允许流过二极管的最大正向平均允许流过二极管的最大正向平均
15、允许流过二极管的最大正向平均允许流过二极管的最大正向平均电流。电流。电流。电流。2. 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压反向工作峰值电压反向工作峰值电压V VBRBR 是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反向击穿电压极管反向击穿电压极管反向击穿电压极管反向击穿电压V VBRBR的一半或三分之二。二极管击穿的一半或三分之二。二极管击穿的一半或三分之二。二极管击穿的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。后单向导电性被破坏
16、，甚至过热而烧坏。后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 3. 反向峰值电流反向峰值电流反向峰值电流反向峰值电流I IRMRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，流大，说明管子的单向导电性差，流大，说明管子的单向导电性差，流大，说明管子的单向导电性差，I IRMRM受温度的影响，受温度的影响，受温度的影响，受温度的影响，温度越高温度越高温度越高温度越高I IRMRM越大。硅管的反
17、向电流较小越大。硅管的反向电流较小越大。硅管的反向电流较小越大。硅管的反向电流较小( ( nA级级) )，锗管锗管锗管锗管的反向电流较大的反向电流较大的反向电流较大的反向电流较大( ( A级级) )，为硅管的几十到几百倍。，为硅管的几十到几百倍。，为硅管的几十到几百倍。，为硅管的几十到几百倍。4. 4. 极间电容极间电容极间电容极间电容C Cd dCdCB + CD5. 5. 反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间T TRRRR 23电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法一、模型法一、模型法1、理想模型、理想模型(
18、理想二极管理想二极管)理想二极管特点：理想二极管特点：死区电压死区电压=0 ；导通正向压降；导通正向压降=0； 反向饱和电流反向饱和电流=0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。理想二极管模型理想二极管模型VS0VS0+ v - -+ VS - -iR+ v - -iR+ VS - -+ v - -iR+ VS - -i=VS/ /Ri=0伏安特性伏安特性26电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件V D为二极管的导通压降。硅管为二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。2、恒压降模型、恒压降模型(实际二极管实际二极管)实际二极管特点：实际二极管特点：导通正向压降硅管导通正向压降
19、硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V ； 反向饱和电流反向饱和电流0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。恒压降模型恒压降模型VSVDVSVD+ v - -+ VS - -iR+ v - -iR+ VS - - vDiR+ VS - -i=(VS- -V D)/ /Ri=0伏安特性伏安特性27电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件电路如图，求：电路如图，求：电路如图，求：电路如图，求：V VABABV V阳阳阳阳 = =6 V 6 V V V阴阴阴阴 = =12 V12 VV V阳阳阳阳VV阴阴阴阴 二极管导通二极管导通二极管导通二极管导通理想二极管模型：二极管可看作短路，理想二极管模型：二
20、极管可看作短路，理想二极管模型：二极管可看作短路，理想二极管模型：二极管可看作短路，V VABAB = =6V6V恒压源模型：恒压源模型：恒压源模型：恒压源模型：V VABAB= =6.36.3或或或或V VABAB= =6.7V6.7V在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。解：解：解：解： 取取取取 B B 点作参考点，断开二点作参考点，断开二点作参考点，断开二点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极极管，分析二极管阳极和阴极极管，分析二极管阳极和阴极极管，分析二极管阳极和阴极的电位。的电位。的电位。的电位。D6V12V3
21、k BAVAB+例例436电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件解：解：解：解：两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起取取取取 B B 点作参考点，断开二极管，点作参考点，断开二极管，点作参考点，断开二极管，点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。分析二极管阳极和阴极的电位。分析二极管阳极和阴极的电位。分析二极管阳极和阴极的电位。V V1 1阳阳阳阳 = =6 V6 V，V V2 2阳阳阳阳=0 V=0 VV V1 1阴阴阴阴 = = V V2 2阴阴阴阴= = 12 V12 VV VD1D1 = 6V = 6V，V
22、VD2D2 =12V =12V V VD2D2 V VD1D1 D D2 2 优先导通，优先导通，优先导通，优先导通， D D1 1截止。截止。截止。截止。由于二极管是理想由于二极管是理想由于二极管是理想由于二极管是理想: : V VABAB = 0 V= 0 VD D1 1承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为承受反向电压为6 V6 V在这里，在这里，在这里，在这里， D D2 2 起钳位作用，起钳位作用，起钳位作用，起钳位作用， D D1 1起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。已知二极管是理想的已知二极管是理想的已知二极管是理想的已知二极管是理想的, ,求求求求: :V V
23、ABABBD16V12V3k AD2VAB+例例537电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件v vi i 8V 8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 v vo o = 8V = 8V v vi i 8V 8V，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路 v vo o = = v vi i已知：已知：已知：已知： vi18sin t V， 二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 v vo o 波形。波形。波形。波形。8V8V二
24、极管的用途：二极管的用途：二极管的用途：二极管的用途： 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。补偿等。补偿等。补偿等。v vi i18V18V参考点参考点参考点参考点解：二极管阴极电位为解：二极管阴极电位为解：二极管阴极电位为解：二极管阴极电位为 8 V 8 VD D8V8VR Rv vo ov vi i+ + + 例例638电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件DZ2、伏安特性、伏安特性3.5 特殊二极管特殊二极管一、齐纳二极管一、齐纳二极管
25、(稳压二极管稳压二极管)稳压管结构：稳压管结构：两层硅半导体，一个两层硅半导体，一个PN结结viIZmax VZ IZVZIZ稳压管反向击穿时稳压管反向击穿时, 只要只要IZIZmax , 就不会永久击穿。就不会永久击穿。稳定稳定电压电压斜率很大：斜率很大：1/ /rZ= I/ / V1、图形符号、图形符号稳压管正向使稳压管正向使用时与普通硅用时与普通硅二极管相同。二极管相同。死区电压死区电压:0.5V导通压降导通压降: :0.7V 41电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件 3、实际稳压管工作原理、实际稳压管工作原理(1)当稳压管正向偏置时当稳压管正向偏置时ERDZIVDRDE 0.5
26、V时：时： I 0，处在死区。稳压管尚未导通。，处在死区。稳压管尚未导通。E 0.7V时：时：稳压管电阻：稳压管电阻： RD 0稳压管电压稳定在稳压管电压稳定在: VD= 0.7V稳压管相当于短接稳压管相当于短接,称为导通称为导通图中电流：图中电流：42电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件(2)当稳压管反向偏置时当稳压管反向偏置时ERDZVIZRD稳压作用稳压作用当当EVZ (稳定电压稳定电压,参数之一参数之一)时：时：稳压管电阻：稳压管电阻：RD 图中电流：图中电流： IZ0稳压管电压：稳压管电压：VE稳压管相当于断开，称为截止。稳压管相当于断开，称为截止。当当EVZ时时,稳压管击穿
27、，上述电路等效为：稳压管击穿，上述电路等效为：一般一般rZ0, 即稳压管两端电压即稳压管两端电压很稳定很稳定, 为稳定电压为稳定电压VVZ 。ER+ VZ- -IZrZ43电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件4、主要、主要 参数参数(1) 稳定电压稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向下，所对应的反向工作电压。工作电压。(2) 动态电阻动态电阻rZrZ V/ / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作最小稳定工作 电流电流Izmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能则不能稳压。稳压。(4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流Izmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。44电第03章二极管及其基本电路(康华光优秀课件
