1、半導(dǎo)體器件非線性器件二極管緒論二極管是有兩個端子非線性器件，其V-I 特性與端子極性有關(guān)，且為非線性。雖然二極管的非線性增加了電路設(shè)計和分析的復(fù)雜程度， 但是二極管的非線性以及極性特性在電路設(shè)計中既有趣又有用。圖 1 是二極管的基本電路符號，與電阻不同的是（電阻的兩個端子沒有極性的區(qū)別），二極管的特性是由其端子的極性決定的。圖 1二極管電路模型圖 1 也給出了二極管兩端的所加電壓極性以及通過二極管的電流方向。根據(jù)二極管所加電壓 Vd 極性的不同，二極管有以下兩種工作狀態(tài)：正向偏置 ，（Vd>0 ），陽極電壓高于陰極電壓，或者反向偏置 ，（Vd<0 ），陰極電壓低于陽極電壓。22.0

2、71/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory二極管模型理想二極管模型考慮和分析理想二極管模型能夠使我們對這些非線性器件的基本特性有所了解，有助于我們分析包含二極管的電路。當(dāng)然二極管模型的討論涉及到其伏安（V-I ）特性的數(shù)學(xué)和圖形表達，理想二極管V-I特性以及符號如圖2 所示。圖 2理想二極管的V-I 特性（ a）和符號（ b）當(dāng)反向電壓加到二極管兩端時， 流過二極管的電流為零， 當(dāng)流過二極管的電流大于零時，二極管兩端的電壓降為零。從圖 2 中可以明顯的看出二極管的非線性特性。這種簡單模型顯示了理想二極管特性， 但是缺乏重要的細節(jié)部分。 下面我們將討論一個二

3、極管的真實模型。22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory實際二極管模型二極管是由位于元素周期表的第IV 列的硅或者其他元素構(gòu)成的半導(dǎo)體器件，像硅和鍺一樣的物質(zhì)的導(dǎo)電性比較差。在硅中摻雜一點位于周期表中第列（比如硼 B）或者第列（比如磷 P）的元素，會極大的提高硅的導(dǎo)電性。導(dǎo)電性的變化是跟在這種物質(zhì)里面移動的自由電子密切相關(guān)的。硅中的電子由于其晶體結(jié)構(gòu)而緊緊的束縛在一起，如果在硅中添加磷（第列），則在這種晶體結(jié)構(gòu)中增加了另一種電子。這種“額外”電子不參與晶體結(jié)構(gòu)的維持，因此這個電子有相當(dāng)大的自由可以在半導(dǎo)體中從一個位置移動到另一個位置。 摻雜了第列

4、元素的物質(zhì)被稱作“n 型半導(dǎo)體”，表示自由移動的電荷電子。如果在硅中添加第列元素（ Ba,Al,Ga ），那么其晶體結(jié)構(gòu)會缺少一個電子。這種缺少電子的地方看起來像一個多余的正電荷， 被稱作空穴。 電子可以很容易移動到這個空穴里來，而這個電子移動之前的位置將會形成一個新的空穴。這些空穴的移動看起來像正電荷的流動。因此，被添加了第列元素的硅被稱作為“p 型半導(dǎo)體”，表示正電荷空穴。如圖 3（a）中所示，在硅中構(gòu)造 p 和 n 區(qū)域就制成了二極管。圖 3（b）中展示了二極管的符號以及相應(yīng) p 和 n 區(qū)域。 p 和 n 區(qū)域的交界處被稱作 p-n 結(jié)。圖 322.071/6.071 2006 年春季

5、 , Chaniotakis and Cory一個二極管（實際模型）的電壓Vd 和其電流Id 之間關(guān)系的數(shù)學(xué)如下：?(1.1)?Vd?Id = Is ?exp?- 1?VT?其中用來描述二極管特性的參數(shù)Is 和 V T 是常量， Is 為反向飽和電流，它與二極管電壓無關(guān)。 對于硅二極管來說，Is 為 10 - 12 A 或者更少。 V T 被稱為溫度的電壓當(dāng)量，V T kTq（k玻爾茲曼常數(shù)，T= 溫度， q電子電荷量） 。室溫下V T 26mV 。圖 4 顯示了一個硅二極管Id 和 Vd 之間典型的關(guān)系曲線。電流對電壓呈指數(shù)增長。圖5顯示 V-I 特性曲線采用對數(shù)坐標，從中可以看出來，電壓上

6、小小的變化就會造成電流成倍的增加。 注意到， 我們已經(jīng)在Vd 0.7 伏的位置上畫了一條垂直直線，用來表示對于通過大電流的二極管的管壓降已經(jīng)沒有變化了。后面我們將要利用這種性質(zhì)構(gòu)建一種簡單的二極管模型。圖 4硅二極管的V-I 特性22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory圖 5硅二極管的V-I 特性（半對數(shù)坐標）在大多數(shù)情況，偏壓少于 100mV ，電流少于 10 - 11 A 可以忽略的，但在有些應(yīng)用中就不能忽略的。同樣當(dāng) Vd>200mV 時，與 Id 和 Vd 相關(guān)的數(shù)學(xué)表達式可以簡化為：?Vd ?Id ? Is exp?（ 1.2）?

7、VT ?圖 6 顯示的也是V-I 特性，從中可以看到其反向偏壓特性。圖 6硅二極管的I-V 特性22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory當(dāng)二極管兩端加上一個反向偏置電壓（也就是當(dāng)Vd<0 時），二極管出現(xiàn)了一些有趣的特性。首先，如果反向偏置的電壓比較小，那么通過流過二極管的電流就是反向偏置電流Is。當(dāng)反向偏置電壓增加到一點的數(shù)值（Vb）時，由 p-n 結(jié)產(chǎn)生的導(dǎo)電區(qū)域會產(chǎn)生一個非常大的反向偏置電流。這種現(xiàn)象就稱為擊穿 ，發(fā)生反向擊穿時所對應(yīng)的電壓就稱為擊穿電壓（Vb ），如圖7 所示。（圖 7 中所展示的曲線圖不代表一個真實二極管的特性，只

8、是展示可以看見的擊穿區(qū)域的部分）。對硅二極管來說，其擊穿電壓在50-200 伏的范圍內(nèi)。我們在設(shè)計二極管電路的時候，必須注意到二極管的反向電壓不要超過了其擊穿電壓。圖 722.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory恒壓降模型Id 和 Vd 之間指數(shù)關(guān)系造成系統(tǒng)的非線性，但是這樣使得我們有機會為二極管建立一個非線性簡單模型。其模型圖如圖8 所示。圖 8二極管分段線性近似模型在這種模型中，Vg 為 0.7 伏。這條“垂直”的直線的斜率是非常大的，其與二極管非常小的等效電阻（ Rf）相對應(yīng)。由于 Rf 非常?。?Rf0，斜率），可以被忽略，其模型如圖 9

9、所示。圖 9恒壓降模型這個是前面敘述的理想二極管模型（見圖2）的改進模型，它是根據(jù)實際二極管模型建立起來的。這種模型稱作 恒壓降模型 （或者 0.7 伏模型）。電壓 Vg 為管壓降。硅二極管的管壓降 Vg 0.7 伏，鍺二極管的 Vg 0.2 伏。22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory二極管電路半波整流我們從圖 10 中的電路著手。 假設(shè)二極管是理想的， 我們來分析這個電路。 輸入電壓 Vin 為正弦波，其波形如圖 11 所示。圖 10二極管電路圖 11正弦信號 Vin我們可以看到，在 Vin>0 的時間里，二極管為正向偏置，這個“理想”

10、二極管的兩端電壓為 0。此種現(xiàn)象也可以從圖 12（ a）的等效電路看出來，從圖中可以明顯的看出輸出電壓 Vo 等于輸入電壓 Vin。類似，在 Vin<0 的時間里，此二極管反向偏置，因此二極管中的電流為零，其等效電路如圖 12（b），輸出電壓為零。圖 12 Vin>0 與 Vin<0 時，理想二極管的等效電路圖22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory輸入信號Vin 的電路全響應(yīng)如圖13 所示。從圖中可以看出，二極管的存在使輸出信號發(fā)生了重大的變化：它把輸入電壓從AC （交變電流）變成始終不改變極性的輸出電壓，其中輸入電壓從始到終

11、平均值為零， 而輸出電壓平均值不為零。 由于電流方向始終不改變， 這種輸出電壓信號叫做 DC( 直流 )?，F(xiàn)在我們僅僅開始了一個 AC 到 DC 變換器的設(shè)計的第一步。圖 13輸入信號（上圖）和其對應(yīng)的整流信號（下圖）輸出信號 Vo 是輸入 Vin 整流 后的信號。 產(chǎn)生這種信號的電路叫做整流電路， 如圖 10 中所示。此外，由于這種電路只通過了輸入信號的一半波形，所以稱其為半波整流電路。22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory現(xiàn)在我們來分析帶有恒壓降模型二極管整流電路的一些特性。電路如圖14 所示。圖 14半波整流電路對圖 14 中的電路應(yīng)用基

12、爾霍夫電壓定律（KVL ），得到Vo = Vin - Vd圖 15 是此電路電壓轉(zhuǎn)移曲線圖，此曲線圖是由二極管V-I 特性以及基爾霍夫電壓定律得出來的。圖 15整流電路的電壓轉(zhuǎn)移特性從此電壓轉(zhuǎn)移特性曲線圖我們可以得到如下：Vo = Vin - Vg當(dāng) Vin Vg 時，Vo = 0當(dāng) VinVg 時（開路）當(dāng)圖 14 中整流電路 Vin 2sin(4016 所示。請注意Vin 和 Vot)時，其對應(yīng)的波形如圖之間的不同。真實二極管模型和恒壓降模型輸出電壓之間的差別是分辨不出來的。22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory圖 16圖 14 中電路的輸

13、入信號（Vin ）和整流電壓（Vo）22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory全波整流電路整流器廣泛地應(yīng)用在AC 到 DC 的轉(zhuǎn)換電路中。在半波整流電路中，由于“浪費”了一半信號，其電路工作效率比較低。使用4 個二極管的全波整流器電路就可以解決這個問題，如圖 17。這些二極管排列成一個橋的形狀。輸出電壓加在電阻R 上。圖 17全波整流電路首先，我們考慮用理想二極管模型來分析這個電路。我們輸入正弦信號，觀察輸出信號。我們探討輸入正弦信號的例子，如圖18 所示。為了能夠了解此電路的特性，我們將從流過輸入電壓正負半周電流的方向著手。圖 18全波整流的輸入

14、信號22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory當(dāng) Vin 處于正半周時，二極管D1 和 D4 正向偏置，二極管D2 和 D4 反向偏置，電流的方向如圖19（ a）所示。當(dāng) Vin 處于周期內(nèi)的負半周時，二極管D2 和 D3 正向偏置，二極管D1 和 D4 反向偏置，電流方向如圖19（ b）所示。注意到，在整個周期內(nèi)，流過電阻R 的電流的方向是一致的。這個是全波整流電路的基本特性。圖 19圖 20帶有理想二極管的全波整流輸出信號現(xiàn)在我們來討論比較真實的情況，使用真實二極管模型。這種情況下， 正半周期和負半周期內(nèi)的電流方向跟前面敘述的一樣（見圖21）。

15、圖 21 Vin 處于正半周（a）和負半周（ b）時的全波整流電路的電流方向22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory考慮到二極管的恒壓降模型的電路等效圖如圖22 所示，由圖可以看出，輸入信號Vin的正負半周部分響應(yīng)的差別是顯而易見的。由KVL定律我們可以得到Vo = Vin - 2Vg（ 1 3）圖 22一個周期內(nèi)正半周（a）和負半周（ b）部分的全波整流等效電路在輸入信號Vin 的正半周期和負半周期內(nèi)，輸出的波形得到整流。圖23 為管壓降Vg 0.7V 的硅二極管的特性。對于幅值很?。ū裙軌航礦g 稍微大一些）的Vin 來說，整流后的信號可能只

16、是輸入信號的很小一部分。后面通過設(shè)計一個Vg 0 的“超級二極管” ，我們將要改進這個電路，這樣整流后的信號會像理想二極管模型（圖20）所獲得波形那樣。圖 23全波整流的輸入和輸出信號22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory工作點圖 24 中，當(dāng) Vin Vg 時，電流 Id 為Id = Vin - Vd(1 4)R圖 24上面的是此電路的負載線方程。負載線和這個器件的I-V 特性曲線 Id = Is(eVd / Vt - 1) 的交叉點便是這個二極管的工作點。這個工作點又稱為靜態(tài)工作點或者Q 點，此點可以得到通過二極管的電流以及其兩端的電壓。當(dāng)

17、 R=100 ， Vin 2V 時，負載直線和相應(yīng)的工作點如圖25 所示。圖 25負載直線和整流電路中二極管的工作點22.071/6.071 2006 年春季 , Chaniotakis and Cory反向偏置應(yīng)用：齊納二極管由于最大反向偏置電壓的限制，二極管在其反向偏置區(qū)域內(nèi)的應(yīng)用受到了限制。當(dāng)加在二極管上的反向電壓增加到一定的數(shù)值時，二極管就會被擊穿，如圖 7 中所示， 反向偏置電流就會急劇增加。當(dāng)發(fā)生這種現(xiàn)象時候的電壓叫做反向擊穿電壓。二極管一般設(shè)計工作在正向偏置區(qū)域，避免承受較高方向電壓而擊穿。然而，反向擊穿對一些特殊二極管則非常有用，如齊納二極管， 設(shè)計工作在反相擊穿區(qū)域。其電壓范圍從幾伏到幾百伏。齊納二極管的符號如圖27 所示。圖 27齊納二極管的符號這些二極管可以提供穩(wěn)定的輸出電壓。與其他器件一樣，在實際應(yīng)用中， 這些齊納二極管的應(yīng)用也受到一些條件的限制例如能量損耗等。 我們來分析一個使用齊納二極管的穩(wěn)壓電路。電路圖如圖 28 所示。圖 28齊納二極管穩(wěn)壓電路只要齊納二極管工作在其反向