1、電子技術基礎二極管及其基本電路課件第1頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四 教學內容： 本章首先簡單介紹半導體的基本知識，著 重討論半導體器件的核心環節-PN結，并重點 討論半導體二極管的物理結構、工作原理、特 性曲線和主要參數以及二極管基本電路及其分 析方法與應用；在此基礎上對齊納二極管、變 容二極管和光電子器件的特性與應用也給予了 簡要的介紹。第2頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四2 教學要求： 本章需要重點掌握二極管模型及其電 路分析，特別要注意器件模型的使用范圍 和條件。對于半導體器件，主要著眼于在 電路中的使用，關于器件內部的物理過程 只

2、要求有一定的了解。第3頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四32.1 半導體的基本知識 2.1.1 半導體材料 2.1.2 半導體的共價鍵結構 2.1.3 本征半導體 2.1.4 雜質半導體半導體:導電特性介于導體和絕緣體之間典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。導電的重要特點1、其能力容易受環境因素影響 （溫度、光照等）2、摻雜可以顯著提高導電能力第4頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四4 2.1.2 半導體的共價鍵結構原子結構簡化模型 完全純凈、結構完整的半導體晶體。2.1.3 本征半導體在T=0K和無外界激發時，沒有載流子，不導電兩個

3、價電子的共價鍵正離子核第5頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四5 2.1.3 本征半導體、空穴及其導電作用溫度光照自由電子空穴本征激發空穴 共價鍵中的空位空穴的移動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現的。由熱激發或光照而產生自由電子和空穴對。溫度 載流子濃度第6頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四6*半導體導電特點1：其能力容易受溫度、光照等環境因素影響 溫度載流子濃度導電能力第7頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四72.1.4 雜質半導體N型半導體摻入五價雜質元素（如磷）P型半導體摻入三價雜質元素（如硼）自由電

4、子 多子 空穴 少子 空穴 多子自由電子 少子由熱激發形成它主要由雜質原子提供空間電荷第8頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四 摻入雜 質對本征半導體的導電性有很大的影響，一些典型的數據如下: T=300 K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子濃度: 4.961022/cm3 3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3 。 2摻雜后 N 型半導體中的自由電子濃度: n=51016/cm3雜質對半導體導電性的影響第9頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四9 本征半導體、本征激發本節中的有關概念自由電子空穴

5、N型半導體、施主雜質(5價)P型半導體、受主雜質(3價) 多數載流子、少數載流子雜質半導體復合*半導體導電特點1：其能力容易受溫度、光照等環境因素影響溫度載流子濃度導電能力*半導體導電特點2：摻雜可以顯著提高導電能力第10頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四102.2 PN結的形成及特性 2.2.1 PN結的形成 2.2.2 PN結的單向導電性 * 2.2.3 PN結的反向擊穿 2.2.4 PN結的電容效應第11頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四11 2.2.1 PN結的形成1. 濃度差多子的擴散運動2. 擴散空間電荷區內電場3. 內電場少子的漂移

6、運動 阻止多子的擴散4、擴散與漂移達到動態平衡載流子的運動：擴散運動濃度差產生的載流子移動漂移運動在電場作用下，載流子的移動P區N區擴散：空穴電子漂移：電子空穴形成過程可分成4步 (動畫)內電場第12頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四12PN結形成的物理過程： 因濃度差 空間電荷區形成內電場 內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散 最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。多子的擴散運動雜質離子形成空間電荷區 對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區稱為PN結。 在空間電荷區，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。 擴散 漂移否是寬第13頁，共61頁，2022

7、年，5月20日，19點58分，星期四132.2.2 PN結的單向導電性只有在外加電壓時才 擴散與漂移的動態平衡將定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏 擴散 漂移 大的正向擴散電流（多子） 低電阻 正向導通 漂移 擴散 很小的反向漂移電流（少子） 高電阻 反向截止第14頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四14 2.2.2 PN結的單向導電性 PN結特性描述2、PN結方程PN結的伏安特性陡峭電阻小正向導通1、PN結的伏安特性特性平坦反向截止 一定的溫度條件下，由本征激發決定的少子濃度是一定的非線性其中IS 反向飽和電流VT 溫度的電壓當量且在常溫下（T=300K）近

8、似估算正向：反向：第15頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四15 2.2.3 PN結的反向擊穿 當PN結的反向電壓增加到一定數值時，反向電流突然快速增加，此現象稱為PN結的反向擊穿。熱擊穿不可逆 雪崩擊穿 齊納擊穿 電擊穿可逆第16頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四16 2.2.4 PN結的電容效應 (1) 勢壘電容CB勢壘電容示意圖擴散電容示意圖(2) 擴散電容CD第17頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四172.3 半導體二極管 2.3.1 半導體二極管的結構 2.3.2 二極管的伏安特性 2.3.3 二極管的參數PN結加

9、上引線和封裝 二極管按結構分類點接觸型 面接觸型平面型第18頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四18半導體二極管圖片點接觸型 面接觸型平面型第19頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四19半導體二極管圖片第20頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四20第21頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四21第22頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四22 2.3.2 二極管的伏安特性3. PN結方程（近似）硅二極管2CP10的V-I 特性鍺二極管2AP15的V-I 特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vt

10、h = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（鍺）注意1. 死區電壓（門坎電壓）2. 反向飽和電流硅：0.1A；鍺：10A第23頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四23 2.3.3 二極管的參數(1) 最大整流電流IF(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3) 反向電流IR(4) 正向壓降VF(5) 極間電容CB硅二極管2CP10的V-I 特性第24頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四242.4 二極管基本電路及其分析方法 2.4.1 二極管V- I 特性的建模 2.4.2 模型分析法應用舉例 4、應用電路分析舉例 2、二極管狀態判斷

11、1、二極管電路的分析概述 3、等效電路（模型）分析法講課思路：第25頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四25 1、二極管電路的分析概述應用電路舉例例2.4.2（習題2.4.12）整流限幅初步分析依據二極管的單向導電性D導通：vO = vI - vDD截止：vO = 0D導通：vO = vDD截止：vO = vI左圖中圖顯然，vO 與 vI 的關系由D的狀態決定而且，D處于反向截止時最簡單！第26頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四26 分析思路分析任務：求vD、iD目的1: 確定電路功能，即信號vI傳遞到vO ，有何變化？目的2: 判斷二極管D是否安

12、全。首先，判斷D的狀態？若D反向截止，則相當于開路（ iD 0，ROFF ）；若D正向導通，則？正向導通分析方法：圖解法等效電路（模型）法 將非線性 線性先靜態（直流），后動態（交流）靜態： vI =0（正弦波過0點）動態： vI 01、二極管電路的分析概述第27頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四27 2、二極管狀態判斷例1: 2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏反偏反偏iD IF ？D反向截止ID = 0VD = -10VD反向擊穿iD = ？vD = ？二極管狀態判斷方法假設D截止(開路)，求D兩端開路電壓普

13、通：熱擊穿損壞齊納：電擊穿VD = - VBR= -40VVD 0VD正向導通？-VBR VD 0VD反向截止, ID = 0VD - VBRD反向擊穿, VD = - VBRD正向導通？D正向導通！第28頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四28習題2.4.4 試判斷圖題2.4.4中二極管導通還是截止，為什么? (a)例2: 習題2.4.3 電路如下圖所示，判斷D的狀態2、二極管狀態判斷第29頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四29 3、等效電路（模型）分析法（2.4.1 二極管V- I 特性的建模） (1) 理想模型(3) 折線模型(2) 恒壓降模

14、型VD = 0.7V（硅） VD = 0.2V（鍺）Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（鍺）第30頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四30 3、等效電路（模型）分析法 (4) 小信號模型 二極管工作在正向特性的某一小范圍內時，其正向特性可以等效為:微變電阻根據 得Q點處的微變電導常溫下（T=300K）第31頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四31 4、應用電路分析舉例例2.4.1 求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V 時（b）VDD=1V 時VDD理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型第32頁，共61頁，2022年

15、，5月20日，19點58分，星期四32 二極管應用舉例 uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)+-（1） 二極管整流電路第33頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四33（2）二極管限幅電路 t+RDE2 Vuiuo+(a)05ui / V523)(bt02.7uo / V5232.7第34頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四34D1 鉗位作用 D2隔離作用(3) 開關電路D3.4 V0.3 V1D23.9 k-12VABY第35頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四35 例2.4.3 一二極管開關電路如圖所示。當V1和V2為

16、0V或5V時，求V1和V2的值不同組合情況下，輸出電壓0的值。設二極管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+-VI2+-00第36頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四36 解：(1)當V1=0V, V2=5V時,D1為正向偏置， V0=0V,此時 D2的陰極電位為5V，陽極為0V， 處于反向偏置，故D2截止。 (2)以此類推，將V1和V2 的其余三種組合及 輸出電壓列于下表： V1 V2 D1 D2 V0 0V 0V 導通 導通 0V 0V 5V 導通 截止 0V 5V 0V 截止 導通 0V 5V 5V 截止 截止 5V第37

17、頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四37 由上表可見，在輸入電壓V1和V2中，只 要有一個為0V，則輸出為 0V;只有當兩輸入 電壓均為5V時，輸出才為5V，這種關系在數 字電路中稱為“與”邏輯。 注意：即判斷電路中的二極管處于導 通狀態還是截止狀態，可以先將二極管斷開，然后觀察陰、陽兩極間是正向電壓還是反向電壓，若是前者則二極管導通，否則二極管截止。第38頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四38 （4）低電壓穩壓電路 穩壓電源是電子電路中常見的組成部分。 利用二極管正向壓降基本恒定的特點，可以構 成低電壓穩壓電路。第39頁，共61頁，2022年，5

18、月20日，19點58分，星期四39 例：在如圖所示的低電壓穩壓電路中，直流電源電壓 V的正常值為10V，R=10k,當 V變化1V時，問相應的硅二極管電壓(輸出電壓)的變化如何？ 第40頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四40 解：(1)當V的正常值為10V時，利用二極管恒壓降模型有 VD0.7V， 由此可得二極管的電流為 此電流值可證實二極管的管壓降為0.7V的假設。 (2)在此Q點上，第41頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四41 (3)按題意，V有1V的波動，它可視為峰-峰值為2V的交流信號，該信號作用于由R和rd組成得分壓器上。顯然，相應的二

19、極管的信號電壓可按分壓比來計算，即Vd(峰-峰值)由此可知，二極管電壓Vd的變化為2.79mV。第42頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四42 4、應用電路分析舉例例2.4.4 求vD、iD。VI = 10V， vi = 1Vsint解題步驟:(1) 靜態分析 (令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V; ID 0.93mA(2) 動態分析 (令VI=0）由小信號模型得第43頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四43 分析方法小結2.4 二極管基本電路及其分析方法假設D截止（開路）求D兩端開路電壓VD 0.7VD正向導通- VBR VD 0.7VD反向截

20、止ID = 0 (開路)VD - VBRD反向擊穿VD = - VBR (恒壓)VD = 0.7V (恒壓降)狀態等效電路條件將不同狀態的等效電路（模型）代入原電路中，分析vI和vO 的關系畫出電壓波形和電壓傳輸特性特殊情況：求vD（波動）小信號模型和疊加原理恒壓降模型第44頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四442.5 特殊二極管 2.5.1 穩壓二極管（齊納） 2.5.2 變容二極管 2.5.3 光電子器件1. 光電二極管2. 發光二極管3. 激光二極管反向擊穿狀態反向截止，利用勢壘電容反向截止，少子漂移電流特殊材料，正向導通發光必須掌握“齊納二極管”，其它了解。請自

21、學！第45頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四452.5.1 穩壓二極管1. 符號及穩壓特性(a)符號(b) 伏安特性 利用二極管反向擊穿特性實現穩壓。穩壓二極管穩壓時工作在反向電擊穿狀態（齊納擊穿）。第46頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四46(1) 穩定電壓VZ(2) 動態電阻rZ 在規定的穩壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。rZ =VZ /IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大穩定工作電流 IZmax 和最小穩定工作電流 IZmin(5)穩定電壓溫度系數VZ2. 穩壓二極管主要參數2.5.1 穩壓二極管第47頁，共61頁，202

22、2年，5月20日，19點58分，星期四472.5.1 穩壓二極管3. 穩壓電路正常穩壓時 VO =VZ# 穩壓條件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以嗎？自動調整過程：第48頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四48 例： 如圖所示是一個簡單的并聯穩壓電路。 R為限流電阻，求 R 上的電壓值VR和電流值。 R第49頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四49 解：假定輸入電壓在（7-10V）內變化。R第50頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四50習題與預習習題預習3.1 半導體BJT第51頁，共61頁，2022年，5月2

23、0日，19點58分，星期四51 一、判斷下列說法是否正確，用“”和“”表示判斷結果填入空內。 （1）在N型半導體中如果摻入足夠量的三價元素，可將其改型為P型半導體。（ ） （2）因為N型半導體的多子是自由電子，所以它帶負電。（ ） （3）PN結在無光照、無外加電壓時，結電流為零。（ ）自 測 題解：（1） （2） （3） 第52頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四52 1）PN結加正向電壓時，空間電荷區將 。 A. 變窄 B. 基本不變 C. 變寬 2）設二極管的端電壓為U，則二極管的電流方程是 。 A. ISeU B. C. 3）穩壓管的穩壓區是其工作在 狀態。 A.

24、正向導通 B.反向截止 C.反向擊穿解：（1）A （2）C （3）C 二、選擇正確答案填入空內。第53頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四53三、寫出圖T1.3所示各電路的輸出電壓值，設二極管導通電壓UD0.7V。解：UO11.3V，UO20， UO31.3V， UO42V， UO51.3V，UO62V。 圖T1.3第54頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四54四、已知穩壓管的穩壓值UZ6V，穩定電流的最小值IZmin5mA。求圖T1.4所示電路中UO1和UO2各為多少伏。解：UO16V，UO25V。 圖T1.4第55頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四551.1 選擇合適答案填入空內。 （1）在本征半導體中加入 元素可形成N型半導體， 加入 元素可形成P型半導體。 A. 五價 B. 四價 C. 三價 （2）當溫度升高時，二極管的反向飽和電流將 。 A. 增大 B. 不變 C. 減小習 題解：（1）A ，C （2）A 第56頁，共61頁，2022年，5月20日，19點58分，星期四561.2 能否將1.5V