周围第01章晶体二极管

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1、主讲教师：主讲教师：周围周围 教授教授/博士博士 办公室：通信学院电工电子教学部（办公室：通信学院电工电子教学部（2教教4楼）楼）实验室：数字图书馆实验室：数字图书馆4031 Tel:62461417(办）办）62487954（实）（实）62460530（宅）（宅）电子电路基础电子电路基础(Basis of Electronic Circuits)-通信学院电工电子教学部通信学院电工电子教学部-教教 材：材：电子线路电子线路(线性部分线性部分)（第四版）（第四版）谢嘉奎谢嘉奎 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 1999（东南大学）（东南大学）模拟电子技术基础简明教程模拟电子技术基础简明教

2、程（第三版）杨素行（第三版）杨素行 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 2006（清华大学）（清华大学）参考书：参考书：1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础（第（第3版）版）童诗白，华成英主编童诗白，华成英主编，高教出版社，高教出版社，2001（清华）（清华）2、电子技术基础电子技术基础（模拟部分）（模拟部分）康华光康华光 编著编著 高等教育出版社高等教育出版社1999（华中理工）（华中理工）3、电子线路基础教程电子线路基础教程 王成华王成华 主编主编 科学出版社科学出版社 2000指包含电子器件、并能对电指包含电子器件、并能对电 信号实现某种处理的功能电路。信号实现某种处理的功能电路。电

3、子器件电子器件 +外围电路外围电路二极管、三极管、场效应管、二极管、三极管、场效应管、集成电路集成电路。直流电源、电阻、电容、直流电源、电阻、电容、电流源电路等电流源电路等。PN正极正极负极负极即即半导体：半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核 硅和锗的单晶称为硅和锗的单晶称为本征半导体本征半导体。它们是制造。它们是制造半导体器件的基本材料。半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和锗共价键结构示意图：

4、硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。q 共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当T=0K（无外界影（无外界影 响）时，共价键中无自由移动的电子。响）时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称注意：注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发本征激发。本征激发本征激发 当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不

5、断填补这些空位时形成当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。注意：注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空穴的运动空空 穴穴 带正电带正电温度一定时：温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。热平衡载流子浓度：热平衡载流子浓度：本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和

6、空穴相遇释放能量复合。复合。ikTEipeATng2230T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性v N N型半导体：型半导体：+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。v P P型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。杂质半导体中载流子浓度计算杂质半导体中载流子浓度计算N型半导体

7、型半导体2inononpn（热平衡条件）（热平衡条件）dnodnoNpNn（电中性方程）（电中性方程）P型半导体型半导体2ipoponnpapoapoNnNp杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。多子浓度取决于掺杂浓度。载流子在电场作用下的运动运动称载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，漂移运动，所形成的电流称所形成的电流称漂移电流。漂移电流。漂移电流密度漂移电流密度EqpJPptntn()Jq nE 总漂移电流密度：总漂移电流密度：)(nPntpttnpEqJJJ迁移率迁移率漂移与漂移电流漂移与漂移电流电导率：电导率：)(1nP

8、tnpqEJ 半导体的电导率半导体的电导率电阻：电阻：SlSJElIVRt电压：电压：V=E l电流：电流：I=S Jt+-V长度长度l截面积截面积S电场电场EI 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，扩散运动，所形成的电流称所形成的电流称扩散电流。扩散电流。扩散电流密度扩散电流密度:xxpqDJd)(dppdxxnDqJd)(d)(nnd 扩散与扩散电流扩散与扩散电流N N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xnopo多子：多子：多子：多子：空穴空穴少子：少子：自由电子自由电子少子：少子：在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂在一块本征半导体在

9、两侧通过扩散不同的杂质质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。此时将在此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形型半导体的结合面上形成如下物理过程成如下物理过程:自由电子自由电子空穴空穴因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移,而少子漂移可削弱内电场而少子漂移可削弱内电场 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 PN结的形成结的形成多子多子：空穴：空穴

10、多子多子：自由电子自由电子内电场方向内电场方向少子少子：自由电子自由电子少子少子：空穴：空穴内电场方向内电场方向 PN结的形成结的形成空间电荷区空间电荷区（耗尽层）（耗尽层）对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。注意：注意：掺杂浓度（掺杂浓度（Na、Nd）越大，内建电位差）越大，内建电位差 VB 越高，阻挡层宽度越高，阻挡层宽度 l0 0 越小。越小。内建电位差：内建电位差：2idaTBlnnNNVV 阻挡层宽度：阻挡

11、层宽度：21dadaB0)2(NNNNVql室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场E Elo+-+-VPN结结正偏正偏阻挡层变薄阻挡层变薄内建电场减弱内建电场减弱多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流的正向电流IPNPN结导通结导通I电压电压V V 电流电流I I PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场E Elo-+-+VPN结结反偏反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子少子漂移漂移形成形成微小微小的反向

12、电流的反向电流IRPNPN结截止结截止IRI IR R与与V V 近似无关。近似无关。温度温度T T 电流电流I IR R结论：结论：PNPN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。PN结结伏安特性方程式伏安特性方程式PNPN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：)1(TSVVeIIqkTV T热电压热电压 26mV（室温）（室温）其中：其中：IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。无关，但受温度影响很大。正偏时：正偏时：TSVVeII 反偏时：反偏时：SII PN结结伏安特性曲线伏安特性

13、曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-910-16)A硅硅PNPN结结VD(on)=0.25V锗锗PNPN结结IS=(10-610-8)AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R R很小很小 I PNPN结导通；结导通；V 6V)形成原因形成原因:碰撞电离碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因形成原因:场致激发。场致激发。发生条件发生条件PNPN结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高 (lo o较窄较窄)外加反向电压较小外加反向电压较小(6V)因为因为T 载流子运动的平均自由路程载流子运动的平均自由路程 V(BR)(BR)。雪崩击穿电压雪崩击

14、穿电压具有正温度系数。具有正温度系数。齐纳击穿电压齐纳击穿电压具有负温度系数。具有负温度系数。因为因为T 价电子获得的能量价电子获得的能量 V(BR)(BR)。VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ Z 利用利用PNPN结的反向击穿特结的反向击穿特性，可性，可制成稳压二极管。制成稳压二极管。要求：要求：Izmin Iz CD，则，则 Cj CT PN结总电容：结总电容：Cj=CT+CD PN结正偏时，结正偏时，CD CT，则，则 Cj CD故：故：PN结正偏时，以结正偏时，以CD为主。为主。故：故：PNPN结结反偏时，以反偏时，以CT为主。为主。通常：通常：CD 几十几十PF 几

15、千几千PF。通常：通常：CT 几几PF 几十几十PF。晶体二极管的内部结构就是一个晶体二极管的内部结构就是一个PNPN结。就其结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：示为不同形式的模型：适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型 便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学模型数学模型直流简化电路模型直流简化电路模型交流小信号电路模型交流小信号电路模型 电路分析时采用的电路分析时采用的数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式)1e(TSVVII理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：)1e(TSSnVIr

16、VIIr rS S 体电阻体电阻 +引线接触电阻引线接触电阻 +引线电阻引线电阻其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I I 正常时正常时:n 1 1I I 过小或过大时过小或过大时:n:n 2 2注意：注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际面漏电流的影响，实际I IS S理想理想I IS S。曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I(mA)V(V)VD(on)-IS当当V VD(on)时时 二极管二极管导通导通当当V 0，则管子导通；反之截止。，则管子导通；反之截止。实际二极管：若实际二极管：若VVD(on)，管子

17、导通；反之截止。，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。例例2 2：设二极管是理想的，求设二极管是理想的，求VAO值。值。图图(a)(a)，假设，假设D开路，则开路，则D D两端电压：两端电压：VD=V1V2=6 12=18 0V，VD2=V2(V1)=15V 0V 由于由于VD2 VD1 ，则，则D2优先导通优先导通。此时此时VD1=6V 2V时，时，D D导通，则导通，则vO O=vivi 2V时，时，D D截止，则截止，则vO O=2V由

18、此可画出由此可画出vO O的波形。的波形。+-DV+-+-2V100RvO Ovit620vi(V)vO O(V)t026小信号分析法小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：分析步骤：将直流电源短路，画交流通路。将直流电源短路，画交流通路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。电源设备组成框图：电源设

19、备组成框图：电电 源源变压器变压器整流整流电路电路滤波滤波电路电路稳压稳压电路电路vivO Otvitv1tv2tv3tvO O整流与稳压电路整流与稳压电路当当u2(t)在正半周时，在正半周时，D导通，导通，uo(t)=u2(t)（1）单相半波整流电路单相半波整流电路u2t0U2muot0U2m22()2sin utUt V 设设 输出电压输出电压uo的平均值：的平均值：当当u2(t)在负半周时，在负半周时，D截止，截止，uo(t)=0 u1u2RLuoD+-*T*+-+-原理图原理图io22012sinToUUtdtT 2220.45UU 可见，效率较低可见，效率较低ioUo当当u2(t)在

20、正半周时，在正半周时，D1,D3导通，导通，D2,D4截止，截止，uo(t)与与 u2(t)正半周波形相同，电流正半周波形相同，电流i0从从bcu2t0U2miou1u2RLuo+-*T*+-+-原理图原理图io-D1D2D3D4dabcuot0U2m当当u2(t)在负半周时，在负半周时，D2,D4 导通，导通，D1,D3截止，截止，电流电流i0仍从仍从bc，uo(t)与与 u2(t)负半周波形反相。负半周波形反相。全波整流全波整流（2 2）单相桥式整流电路（全波整流）单相桥式整流电路（全波整流）u1u2RLuo+-*T*+-+简化图简化图io-输出电压输出电压uo的直流成分：的直流成分：02

21、2220.9UUU 同理：同理：Io2/RL（均为半波整流的（均为半波整流的2倍）倍）二极管参数要求：二极管参数要求：2DM10.452oLUIIR 22RMUU（每个二极管只有半周导通）（每个二极管只有半周导通）1.符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在稳压时工作在反向电击穿反向电击穿状态。状态。(a)稳压二极管符号稳压二极管符号DZ(b)伏安特性伏安特性UZ UZU/V稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电

22、流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ=UZ/IZ(3)(3)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(4)*稳定电压温度系数稳定电压温度系数 :定义为定义为=UZ/T2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数rZ 越小，稳压效果越好越小，稳压效果越好 UZUZU/V3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 UO=UZ(1)稳压稳压 原理原理a.若若RL不变而不变而Ui改变改变若若Ui UZUZU/V+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUiUo U0(UZ)IZ IR UR U0 反之，若反之，若Ui减小，变

23、化过程相反。减小，变化过程相反。b.设设Ui不变而不变而RL变化变化若若RL U0 IZ IR UR U0 反之，若反之，若RL减小，变化过程相反减小，变化过程相反综上，经稳压后综上，经稳压后U0基本稳定在基本稳定在UZ值值IZmin IZ IZmax UZUZU/V+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUiUo不行。不行。R称称为限流电阻为限流电阻，其作用是保，其作用是保证稳压管可靠地工作在反向击穿区。证稳压管可靠地工作在反向击穿区。二、限流电阻的选择二、限流电阻的选择+R-IR+-RLIOVOVIIZDZUiUo要求：要求：当电网电压最高、负载电流最小时，当电网电压最高、负载电流最小时，I

24、Z 将会最大，但将会最大，但 不应超过不应超过Izmax。2.当电网电压最低、负载电流最大时，当电网电压最低、负载电流最大时，IZ 将会最小，但将会最小，但 不应小于不应小于Izmin。max0minmaxmmi0mninaxiZiZZZUUUURIIII 例（例（不讲不讲）：如上图，）：如上图，U2=10V，C=100 F，稳压管的稳压值，稳压管的稳压值UZ=6V，Izmin=6mA，Izmax=40mA,若若:（1）RL在在200600 之间之间变化；（变化；（2）电网电压波动为）电网电压波动为 10%。试选择限流电阻。试选择限流电阻R值。值。解：解：例：例：（1）根据如下方框图画出电路原

25、理图）根据如下方框图画出电路原理图单相交流电源桥式整流电容滤波并联式稳压负载u1u2CDZRLRI0U0UiIZ因因I0=UZ/RL故故:I0max=6V/200=30mAI0min=6V/600=10mA例：如上图，例：如上图，U2=10V，C=100 F，稳压管的稳压值，稳压管的稳压值UZ=6V，Izmin=6mA，Izmax=40mA,若若:（1）RL在在200600 之间变化；之间变化；（2）电网电压波动为）电网电压波动为 10%。试选择限流电阻。试选择限流电阻R值。值。u1u2CDZRLRI0U0UiIZ解：解：对桥式整流、电容滤波有：对桥式整流、电容滤波有：Ui2=12V电压波动电

26、压波动10%，有：，有：Uimax UiUimin Ui=10.8 V利用前面公式有：利用前面公式有：13.2 610.8 610 406 30R max0minmaxmmi0mninaxiZiZZZUUUURIIII 114133R 即即：选选R=120 此时此时R=120 消耗的平均功率：消耗的平均功率：2(13.2 6)0.432120RPW 故可选故可选120，1W的电阻。的电阻。限幅电路限幅电路(或削波电路或削波电路）V2viV1时，时，D1、D2截止截止,vo=vi t0vit0vO OVi V1时，时，D1导通、导通、D2截止截止,vo=V1 Vi V2时，时，D2导通、导通、D1截止截止,vo=V2 由此由此，电路实现双向限幅功能。，电路实现双向限幅功能。vO Ovi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中其中：V1为上限幅电平，为上限幅电平，V2为下限幅电平。为下限幅电平。V1-V2-V2V1