1、精品第1章半導體二極管及其基本電路1.1 教學內容與要求本章介紹了半導體基礎知識、半導體二極管及其基本應用和幾種特殊二極管。教學內容與教學要求如表1.1所示。要求正確理解雜質半導體中載流子的形成、載流子的濃度與溫度的關系以及PN結的形成過程。主要掌握半導體二極管在電路中的應用。表1.1第1章教學內容與要求教學內容教學要求重點與難點半導體基礎知識本征半導體，雜質半導體熟練掌握正確理解一般了解PN結形成V重點：PN結的單向導電性難點：PN結的形成單向導電性V伏安特性V電容效應V半導體二極管結構與類型V重點：二極管應用電路分析難點：二極管各模型的特點及選擇各種模型的條件伏安特性與主要參數V型號與選擇

2、V模型V應用（限幅、整流）V特殊二極管穩壓二極管（穩壓原理與穩壓電路）V重點：穩壓管穩壓條件及穩壓電路分析發光二極管、光電二極管、變容二極管V1.2 內容提要1.2.1 半導體的基礎知識1 .本征半導體高度提純、結構完整的半導體單晶體叫做本征半導體。常用的半導體材料是硅（Si）和錯（Ge）。本征半導體中有兩種載流子：自由電子和空穴。自由電子和空穴是成對出現的，稱為電子空穴對，它們的濃度相等。本征半導體的載流子濃度受溫度的影響很大，隨著溫度的升高，載流子的濃度基本按指數規律增加。但本征半導體中載流子的濃度很低，導電能力仍然很差，2 .雜質半導體(1) N型半導體本征半導體中，摻入微量的五價元素構

3、成N型半導體，N型半導體中的多子是自由電子，少子是空穴。N型半導體呈電中性。(2) P型半導體本征半導體中，摻入微量的三價元素構成P型半導體。P型半導體中的多子是空穴，少子是自由電子。P型半導體呈電中性。在雜質半導體中，多子濃度主要取決于摻入雜質的濃度，摻入雜質越多，多子濃度就越大。而少子由本征激發產生，其濃度主要取決于溫度，溫度越高，少子濃度越大。1.2.2PN結及其特性1. .PN結的形成在一塊本征半導體上，通過一定的工藝使其一邊形成N型半導體，另一邊形成P型半導體，在P型區和N型區的交界處就會形成一個極薄的空間電荷層，稱為PN結。PN結是構成其它半導體器件的基礎。2. PN結的單向導電性

4、PN結具有單向導電性。外加正向電壓時，電阻很小，正向電流是多子的擴散電流，數值很大，PN結導通；外加反向電壓時，電阻很大，反向電流是少子的漂移電流，數值很小，PN結幾乎截止。3. PN結的伏安特性PN結的伏安特性：IIs(eU/UT1)式中，U的參考方向為P區正，N區負，I的參考方向為從P區指向N區；Is在數值上等于反向飽和電流；UT=KT/q,為溫度電壓當量，在常溫下，Ut及6mV。(1)正向特性U0的部分稱為正向特性，如滿足UUt,則IIseUUT,PN結的正向電流I隨正向電壓U按指數規律變化。(2)反向特性U0的部分稱為反向特性，如滿足UUt,則IIs,反向電流與反向電壓的大小基本無關。

5、(3) 擊穿特性當加到PN結上的反向電壓超過一定數值后，反向電流急劇增加，這種現象稱為PN結反向擊穿，擊穿按機理分為齊納擊穿和雪崩擊穿兩種情況。4. PN結的電容效應PN結的結電容Cj由勢壘電容Cb和擴散電容Cd組成。Cb和Cd都很小，只有在信號頻率較高時才考慮結電容的作用。當PN結正向偏置時，擴散電容Cd起主要作用，當PN結反向偏置時，勢壘電容CB起主要作用。1.2.3半導體二極管1. 半導體二極管的結構和類型半導體二極管是由PN結加上電極引線和管殼組成。二極管種類很多，按材料來分，有硅管和鍺管兩種；按結構形式來分，有點接觸型、面接觸型和硅平面型幾種。2. 半導體二極管的伏安特性半導體二極管

6、的伏安特性是指二極管兩端的電壓uD和流過二極管的電流iD之間的關系。它的伏安特性與PN結的伏安特性基本相同，但又有一定的差別。在近似分析時，可采用PN結的伏安特性來描述二極管的伏安特性。3. 溫度對二極管伏安特性的影響溫度升高時，二極管的正向特性曲線將左移，溫度每升高1oC，PN結的正向壓降約減小(22.5)mV。二極管的反向特性曲線隨溫度的升高將向下移動。當溫度每升高10oC左右時，反向飽和電流將加倍。4. 半導體二極管的主要參數二極管的主要參數有：最大整流電流If;最高反向工作電壓Ur；反向電流Ir；最高工作頻率fM等。由于制造工藝所限，即使同一型號的管子，參數也存在一定的分散性，因此手冊

7、上往往給出的是參數的上限值、下限值或范圍。5. 半導體二極管的模型常用的二極管模型有以下幾種：(1) 理想模型:理想二極管相當于一個開關。當外加正向電壓時，二極管導通，正向壓降uD為零，相當于開關閉合；當外加反向電壓時，二極管截止，反向電流iR為零，相當于開關斷開。(2) 恒壓源模型:當二極管外加正向電壓等于或大于導通電壓Uon時，二極管導通，二極管兩端電壓降為Uon；當外加電壓小于Uon時，二極管截止，反向電流為零。(3)折線模型：當二極管外加正向電壓大于Uon后其電流iD與電壓UD成線性關系，直線斜率為1/rD；當二極管外加正向電壓小于Uon時，二極管截止，反向電流為零。(4)微變信號模型

8、:如果在二極管電路中，除直流信號外，還有微變信號，則對微變信號可將二極管等效成一個電阻rd,其值與靜態工作點有關，即rdUt/Idq。6半導體二極管的應用(1) 限幅：利用二極管的單向導電性將輸出信號幅度限定在一定的范圍內，亦即當輸入電壓超過或低于某一參考值后，輸出電壓將被限制在某一電平(稱作限幅電平)，且再不隨輸入電壓變化。(2) 整流：正弦交流電壓變換為單向脈動電壓。1.2.3特殊二極管1 穩壓二極管(1) 穩壓原理感謝下載載穩壓管是一種硅材料制成的面接觸型晶體二極管。利用PN結的反向擊穿特性來實現穩定電壓的，正常使用時工作在反向擊穿狀態。當反向電壓達到擊穿電壓UZ 后，流過管子的反向電流

9、會急劇增加， 即使通過穩壓管的反向電流在較大范圍內變化，管子兩端的反向擊穿電壓幾乎不變，表現出很好的穩壓特性。穩壓管的主要參數有：穩定電壓UZ ，穩定電流IZ ，最大耗散功率PCM 和最大工作電流IZmax ，動態電阻rz 和穩定電壓的溫度系數(3) 穩壓電路穩壓管正常穩壓必須滿足兩個條件：是必須工作在反向擊穿狀態(利用正向特性穩壓IZmax 之間。除外)；二是流過穩壓管的電流要在最小穩定電流IZmin和最大穩定電流2 .其它特殊二極管發光二極管：通以電流時，能發出光來。光電二極管：將光能轉換成電能，它的反向電流與光照強度成正比。變容二極管：結電容的大小能靈敏地隨反向偏壓而變化。自測題1.1

10、判斷下列說法是否正確，用和“”表示判斷結果填入空內1 .半導體中的空穴是帶正電的離子。（）2 .溫度升高后，本征半導體內自由電子和空穴數目都增多，且增量相等。（）3 .因為P型半導體的多子是空穴，所以它帶正電。（）4 .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。（）5 .PN結的單向導電性只有在外加電壓時才能體現出來。（）1.2 選擇填空1 .N型半導體中多數載流子是A;P型半導體中多數載流子是B。A.自由電子B.空穴2 .N型半導體C;P型半導體CoA.帶正電B.帶負電C.呈電中性3 .在摻雜半導體中，多子的濃度主要取決于B,而少子的濃度則受A的影響很大。A.溫度B.摻

11、雜濃度C.摻雜工藝D.晶體缺陷4 .PN結中擴散電流方向是A;漂移電流方向是BoA.從P區到N區B.從N區到P區5 .當PN結未加外部電壓時，擴散電流C飄移電流。A.大于B.小于C.等于6 .當PN結外加正向電壓時，擴散電流A漂移電流,耗盡層E;當PN結外加反向電壓時,擴散電流B漂移電流，耗盡層DoA.大于B.小于C.等于D.變寬E.變窄F.不變7 .二極管的正向電阻B,反向電阻AoA.大B.小8 .當溫度升高時，二極管的正向電壓B,反向電流AoA.增大B.減小C.基本不變9 .穩壓管的穩壓區是其工作在C狀態。A.正向導通B.反向截止C.反向擊穿1.3 有A、B、C三個二極管，測得它們的反向電

12、流分別是2A、0.5A、5A;在外加相同的正向電壓時，電流分別為10mA、30mA、15mA。比較而言，哪個管子的性能最好？1.4 試求圖T1.4所示各電路的輸出電壓值Uo,設二極管的性能理想。圖 T1.4(f)1.5 在圖T1.5所示電路中，已知輸入電壓ui=5sint(V),設二極管的導通電壓Uon=0.7V。分別畫出它們的輸出電壓波形和傳輸特性曲線Uo=f(Ui)。VD+UUiVD3kQ(a)3kQVD1VD 2+1.6有兩個硅穩壓管，VDzi、VDZ2的穩定電壓分別為 6V是5mAO求圖T1.6各個電路的輸出電壓(a)Uooui Uvdi5Z NXUVD2+(c)8V,正向導通電壓為

13、0.7V,穩定電流(d)(b)(e)+VDz1VD z220V本本Uo圖T1.61.7已知穩壓管的穩定電壓試求圖T1.7所示電路中限流電阻Uz=6V ,最小穩定電流Izmin =5mA , R的取值范圍。最大功耗PZM=150mW 。1.8 穩壓管穩壓電路如圖 T1.8所示，穩壓管的穩定電壓 試求： Uo、Io、I及Iz的值。Uz=8V ,動態電阻rz可以忽略，Ui=20V 。IrUi2kQ Izj VDzZS2kRAUo圖 T1.8當Ui降低為15V時的Uo、Io、I及Iz的值。Io【解1.1：1.X2.，3.X4,V5,V【解1.2】：1.A、B2.C、C3.B、A4.A、B5.C6.A、

14、E、B、D7.B、A8.B、A9.C【解1.3】：二極管在外加相同的正向電壓下電流越大，其正向電阻越??；反向電流越小，其單向導電性越好。所以B管的性能最好?！窘?.4】：二極管電路，通過比較二極管兩個電極的電位高低判斷二極管工作在導通還是截止狀態。方法是先假設二極管斷開，求出二極管陽極和陰極電位，電路中只有一個二極管：若陽極電位高于陰極電位（或二極管兩端電壓大于其導通電壓Uon），二極管正偏導通，導通時壓降為0（對于理想二極管）或Uon（對于恒壓源模型的二極管）；若陽極電位低于陰極電位（或二極管兩端電壓小于其導通電壓Uon），二極管反偏截止，流過二極管的電流為零。如果電路中有兩個二極管：若一個

15、正偏，一個反偏，則正偏的導通，反偏的截止；若兩個都反偏，則都截止；若兩個都正偏，正偏電壓大的優先導通，進而再判斷另一只二極管的工作狀態。圖（a）二極管VD導通，Uo=5V圖（b）二極管VD導通，Uo=7V圖?二極管VD截止，UO=1V圖（d）二極管VDi導通，VD2截止,Uo=0V圖（e）二極管VDi截止，VD2導通，Uo=9V圖（f）二極管VD導通，UO=0V【解1.5：在（a）圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓UVD=Ui。當UvdUon,即ui0.7V時，二極管導通，輸出電壓uo=ui0.7V；當UVDUon，即ui0.7V時，二極管截止，輸出電壓uo=0。輸出電壓的波形如圖

16、解T1.5（a）1所示，傳輸特性如圖解T1.5（a）2所示。在（b）圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓Uvd=w。當UvdUon,即Ui0,7V時，二極管導通，輸出電壓Uo=0.7V;當UvdUon,即Ui0,7V時，二極管截止，輸出電壓Uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解1.5T（b）1所示，傳輸特性如圖解1.5T（b）2所示。在（c）圖所示電路中，當Ui0,7V時，二極管VD1導通，輸出電壓Uo=0.7V;當Ui0,7V時，二極管VD2導通，輸出電壓uo=0.7V;當0.7VUi0,7V時，VD1、VD2都截止，輸出電壓Uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解1.5T（c）1所示，傳輸特性

17、如圖解1.5T（c）2所示?！窘?.6】：圖aUO=6V+8V=14V；圖bUO=6V+0.7V=6.7V；圖cUO=0.7V+0.7V=1.4V；圖dUO=0.7V；圖eUO=0.7V；圖fUO=6V。圖解T1.5(c)1圖解T1.5(a)1圖解T1.5(b)1Uo/V0.70.7p0.7-Ui/V圖解T1.5(a)2圖解T1.5【解1.7：由題可知穩壓管的最大穩定電流IZmax(b)2PZMUz圖解T1.5(c)2流過穩壓管的電流IZ應滿足:IZminIZIZmax，又因為:得限流電阻R的取值范圍：0.36kR1.8k【解1.8：(1)由于RlRlRUi(2)由于八IZUi15V22150

18、mA=25mA6,UIUzIZ15V6V,由此可R20V10V8V,穩壓管處于穩壓狀態。故UoUoRlUoRIIO7.5VUz8V8一mA4mA2208mA6mA2(64)mA2mA8V,穩壓管沒有擊穿不能穩壓，所以Uo7.5V.15.IIOmA375mA22Iz=0習題1.1 在圖P1.1所示電路圖中，試求下列幾種情況下輸出端Y點的電位及流過各元件的電流。Ua=Ub=0V;Ua=3V,Ub=0V。設二極管的導通電壓Uon=0.7V。1.2 分析圖P1.2所示電路中各二極管的工作狀態，t求下列幾種情況下輸出端丫點的電位及流過各圖 P1.2Ui=10sin t (V),二極管的性能理想。分別畫出

19、它們的輸入、輸出Ub=0V;Ua=Ub=5V。二極管的導通電壓Uon=0.7V1.3 在圖P1.3所示電路中，已知電壓波形和傳輸特性曲線uo=f(Ui)。(b)圖P1.32kQui/Vui/Vtt圖解1.3P(b)1圖解P1.3(c)圖解 1.3 (a) 2圖解1.3 (b)2t(V)輸入電壓ui=10sin1.4 圖P1.4所示為一限幅電路,設VDi、VD2的性能均理想。圖解1.3(c)2試畫出輸出電壓的波形和傳輸特性曲線。1.5圖解P1.4(a)t(mV),二極管的導通電壓Uon=0.7V,電容C對交流信號的容抗可忽略不計。試計算輸出電壓的交流分量。圖P1.51.6圖P1.6所示穩壓管穩壓

20、電路中，穩壓管的穩定電壓耗PZM=125mW。限流電阻R=1k,負載電阻Rl=500(1)分別計算輸入電壓Ui為12V、35V三種情況下輸出電壓Uo的值。,最大功若輸入電壓U=35V時負載開路，則會出現什么現象？為什么?圖P1.61.7 圖1.6所示的穩壓管穩壓電路中，如果穩壓管選用2DW7B,已知其穩定電壓Uz=6V,最大穩定電流Izmax=30mA,最小穩定電流Izmin=10mA,限流電阻R=200。(1)假設負載電流lL=15mA,則允許輸入電壓的變化范圍為多大？才能保證穩壓電路正常工作？假設給定輸入直流電壓Ui=13V,則允許負載電流Il的變化范圍為多大？如果負載電流也在一定范圍變化

21、，設Il=1015mA，此時輸入直流電壓Ui的最大允許變化范圍為多大？【解1.11:(1)二極管VDi和VD2均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導通。所以輸出端丫點電1 10V0.7V位：UY=Uon=0.7V。流過二極管VD1和VD2的電流：IVD1IVD24.65mA2 1kQ(2)二極管VD1和VD2均承受正向電壓，但VD2承受的正向電壓大，VD2優先導通。所以輸出端丫點電位：UY=Uon=0.7V。將VD1鉗制在截止狀態。流過二極管VD1的電流Ivd10,流過二極管，一一10V0.7VVD2的電流Ivd29.3mA1kQ【解1.2：(1)二極管VD1和VD2均處于零偏狀態，所以都截止。

22、輸出端丫點電位：Uy=0。流過二極管VD1和VD2的電流IVD1IVD20o(2)二極管VD1正偏導通，所以輸出端丫點電位：Uy=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。將VD2鉗制在截4.3V止狀態。流過二極管VD1流過二極管VD1和VD2的電流IVD14.3mA,流過二極管VD2的電流1kQ1VD20。(3)二極管VD1和VD2均承受正向電壓，且正向電壓相等，都導通。所以輸出端丫點電位：14.3VUY=UA-Uon=5V-0.7V=4.3V。流過二極管VD1和VD2的電流Ivd1IVD22.15mA。21kQ【解1.3：在(a)圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管兩端的電壓Uvd=5Vui

23、o當Uvd0,即Ui5V時，二極管導通，輸出電壓uo=5V;當Uvd0,即ui5V時，二極管截止，輸出電壓uo=Ui。輸出電壓的波形如圖解P1.3(a)1所示，傳輸特性如圖解P13(a)2所示。在(b)圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管VD1兩端的電壓Uvd1=ui,VD2兩端的電壓Uvd2=ui3V。當ui>3V時，VD2導通，輸出電壓Uo=3V;當Ui0時，VD1導通，輸出電壓uo=0；當0Ui3V時，VD2、VD1都截止，輸出電壓Uo=Uio輸出電壓的波形如圖解P1.3(b)1所示，傳輸特性如圖解P1.3(b)2所示。在(b)圖所示電路中，當二極管斷開時，二極管VD1兩端的電壓U

24、vd1=5VUi,VD2兩端的電壓UvD2=ui3V。當Ui>3V時，VD2導通，輸出電壓uo=3V;當ui5V時，VDi導通，輸出電壓uo=5V;當5Vui3V時，VD2、VDi者B截止，輸出電壓uo=uio輸出電壓的波形如圖解P1.3(c)1所示，傳輸特性如圖解P1.3(c)2所示【解1.4：設流過VDi、VD2、Ri、R2的電流分別為iDi、iD2、ii、i2,參考方向如圖解1.4P(a)所示。當VDi、VD2均導通時iD2 i28 ui-RT8 ui20iDi(ii iD2)8 uiR2警)七，由此可得，VD1導通的條件是：ui4V;VD2導通的條件是：ui8V。故ui8V時，VDi導通，VD2截止，輸出電壓uo=8V;4Vui8V時，VDi、VD2者B導通，輸出電壓u0=ui;82ui4V時，VDi截止,VD2導通，輸出電壓uo1024V。2010輸出電壓的波形如圖解P1.4(b)所示，傳輸特性如圖解P1.4(c)所示圖解 P1.4(b)u0/V圖解 P1.4(c)【解1.5：只有直流電壓作用時，電容C開路，流過二極管的電流為Idq100.7mA1.8mA,5.1,26(mV)26由