1、2018年張工培訓勘察設計電氣基礎犁海班課第1講-半導體二極管及穩壓管主講：孫工（HTP）網絡授課課后及時答疑專有題庫1電氣基礎學習群：342528972大綱l 1 掌握二極管和穩壓管特性、參數l 2 了解載流子，擴散，漂移；PN結的形成及單向導電性l 二、考點提示l 二極管這部分總體學習難度屬于中等偏下難度，內容包括PN結分析， 二極管和穩壓管計算，每年考題平均一道題目，題型為計算分析題， 主要考點歸納為：l （1）二極管工作原理和基本特性l （2）二極管導通和截止2電氣基礎學習群：342528972大綱分析與分析了解掌握分布內容分析復習策略1、了解載流子擴散漂移內容包括二極管原專業基礎下二

2、極管和穩壓管計算這部分總體學習 午1題1、掌握二極管和穩壓管特性、參數理分析與穩壓電路計算左右，是模擬電子部分重點掌握內容。難度屬于中等偏下難度，建議復習時吃透，并做題強化練習。2、PN結形成及單向導電性電氣基礎學習群：3425289723知識脈絡PN結及其單向導電性半導體二極管PN結的伏安特性穩壓二極管整流電路限幅電路二極管應用電路電氣基礎學習群：34252897242.1.1PN結的形成及單向導電性2.1.2二極管和穩壓管特性、參數電氣基礎學習群：3425289725前言：半導體材料根據物體導電能力(電阻率)的不同，來劃分導體、絕緣體和半導體。導體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金屬一

3、般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。電氣基礎學習群：3425289726半導體的共價鍵結構硅和鍺的原子結構簡化模型及晶體結構+4+4+4價電子共價鍵+4+4+4+4+4+4電氣基礎學習群：3425289727本征半導體、空穴及其導電作用本征半導體化學成分純凈的半導體。它在物理結構上呈單晶體形態。空穴共價鍵中的空位。T ­電子空穴對由熱激發而產生的自由電子和空穴對。+4+4+4自由電子空穴空穴的移動空穴的運動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次

4、填充空穴來實現的。+4+4+4+4+4+4電氣基礎學習群：3425289728本征半導體中載流子的濃度本征激發動態平衡復合在一定溫度下本征半導體中載流子的濃度是一定的，并且自由電子與空穴的濃度相等。T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:=1.43×1010/cm3n= p電氣基礎學習群：3425289729雜質半導體在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發生顯著變化。摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體。N型半導體摻入五價雜質元素（如磷）的半導體。P型半導體摻入三價雜質元素（如硼）的半導體。電氣基礎學習群：34252897210

5、一、 N 型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價雜質元素，如磷、銻、 砷等，即N型半導體(或稱電子型半導體)。+4+4+4自電子+5+4+4施主原子+4+4+4電氣基礎學習群：34252897211二、 P 型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的P 型半導體。3價雜質元素，如硼、鎵、銦等，即3 價雜質原子稱為受主原子。+4+4+4空穴濃度多于電子濃度，即 p>> n。空穴為多數載流子，電空穴子為少數載流子。+3+4+4受主原子+4+4+4電氣基礎學習群：34252897212說明：1. 摻入雜質的濃度決定多數載流子濃度；溫度決定少數載流子的濃度。2. 雜質半導體載流子的數目要遠遠高

6、于本征半導體，因而其導電能力大大。3.雜質半導體總體上保持電中性。4.雜質半導體的表示方法如下圖所示。(a)N 型半導體(b)P 型半導體電氣基礎學習群：342528972132.1.1 PN結的形成及單向導電性1.載流子的擴散、漂移2. PN結的形成及單向導電性3.PN結的反向擊穿（了解）4.PN結的電容效應（了解）電氣基礎學習群：342528972141 載流子的漂移與擴散漂移運動：由電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。電氣基礎學習群：342528972152 PN結的形成在一塊半導體單晶上一側摻雜成為 P 型半導體，另一側摻雜成

7、為N型半導體，兩個區域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結。（1）PN結的形成NP電氣基礎學習群：34252897216PN結PN 結中載流子的運動N1. 擴散運動P電子和空穴濃度差形成多數載流子的擴散運動。耗盡層 空間電荷區2.擴散運動形NP成空間電荷區 PN 結，耗盡層。電氣基礎學習群：34252897217PN 結的單向導電性1、 PN結 外加正向電壓時處于導通狀態又稱正向偏置，簡稱正偏。耗盡層NPI內電場方向外電場方向RV電氣基礎學習群：34252897218在 PN 結加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻 R。2、PN 結外加反向電壓時處于

8、截止狀態(反偏)反向接法時，外電場與內電場的方向一致，增強了內電場的作用；外電場使空間電荷區變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產生反向電流 I ；由于少數載流子濃度很低，反向電流數值非常小。電氣基礎學習群：34252897219綜上所述：當 PN 結正向偏置時，回路中將產生一個較大的正向電流， PN處于 導通狀態；當 PN 結反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零， 結處于截止狀態。結PN可見，PN結具有單向導電性。電氣基礎學習群：342528972203、 PN 結V-I 特性表達式PN結所加端電壓u與流過的電流i的關系為vDqiD = IS (e-1)

9、KTvDVTi= I-1)(eDSIS ：反向飽和電流；VT ：溫度的電壓當量在常溫(300 K)下，1.38 ´10-23 ´ 3001.6 ´10-19KTVT =» 0.026V = 26mVq電氣基礎學習群：342528972212.1.2二極管和穩壓管特性、參數1.半導體二極管在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型二極管的幾種外形電氣基礎學習群：34252897222二極管的幾種常見結構1、點接觸型二極管PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。二極管的結構示意圖(a)點接觸型電氣基礎學習

10、群：342528972232、面接觸型二極管PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。往往用于集成電路制造工藝中。PN 結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(b)面接觸型3、平面型二極管4、二極管的代表符號陽極引線陰極引線ak 陰極陽極P NP 型支持襯底D代表符號(c)平面型(d)電氣基礎學習群：34252897224半導體二極管實物電氣基礎學習群：34252897225（1）二極管的伏安特性i DR一、伏安特性+二極管的伏安特性曲線可用下式表示vDVTv D-i= I-1)(eDSiD/mA2015105iD/m A2015105正向特性反向特性VthVBR- 40- 60- 40- 2

11、00- 30 - 20 - 1000.2 0.4 0.6 0.8uD/V0.20.4 0.6u D/V- 10- 10- 20- 30- 40iD/m A死區- 20- 30- 40開啟電壓：0.5V導通電壓：0.7V開啟電壓：0.1V導通電壓：0.2V反向擊穿特性硅二極管2CP10的伏安特性鍺二極管2AP15的伏安特性電氣基礎學習群：34252897226二、溫度對二極管伏安特性的影響在環境溫度升高時，二極管的正向特性將左移，反向特性將下移。I / mA15105溫度增加 25 5000.20.4U / V0.010.02二極管的特性對溫度很敏感，具有負溫度系數。電氣基礎學習群：342528

12、97227二極管的參數最大整流電流IF(1)反向擊穿電壓U（BR）和最大反向工作電壓URM(2)反向電流IR(3)(4)最高工作頻率fm在實際應用中，應根據管子所用的場合，按其所承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環境溫度等條件，選擇滿足要求的二極管。電氣基礎學習群：342528972284PN結的反向擊穿if(u=)之間的關系曲線。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。i/ mA604020正向特性熱擊穿不可逆50250.501.0u / V雪崩擊穿齊納擊穿 0.002擊穿電壓U(BR) 0.004電擊穿可逆死區電壓電氣基礎學習群

13、：34252897229反向特性5PN結的電容效應當PN上的電壓發生變化時，PN使PN結具有電容效應。結中儲存的電荷量將隨之發生變化，勢壘電容擴散電容電容效應包括兩部分勢壘電容Cb1.是由PN結的空間電荷區變化形成的。空間空間電荷區NPNP電荷區I+UUVRRV(a)PN結加正向電壓（b) PN 結加反向電壓電氣基礎學習群：34252897230+I-空間電荷區的正負離子數目發生變化，如容的放電和充電過程。勢壘電容的大小可用下式表示：eS：半導體材料的介電比系數；：結面積；= dQS= eCbdUlCb由于 PN 結 寬度 l隨外加電壓 u而變化，因此勢壘電容 Cb不是一個常數。其 Cb =

14、f (U) 曲線如圖示。Ou電氣基礎學習群：34252897231擴散電容 Cd2.是由多數載流子在擴散過程中積累而引起的。在某個正向電壓下，P 區中的電子濃度 np(或線如圖中曲線 1 所示。pn)分布曲N區的空穴濃度PN 結當電壓加大，np (或 pn)會升高，如曲線2 所示(反之濃度會降低)。NP2正向電壓變化時，變化載流子積累電荷量發生變化，相當于電容器充電和放電的過程 擴散電容效應。Q1QOx當加反向電壓時，擴散運動被削弱，擴散電容的作用可忽略。x = 0 處為 P 與 耗盡層的交界處電氣基礎學習群：34252897232綜上所述：PN 結總的結電容 Cj 包括勢壘電容 Cb 和擴散

15、電容Cd 兩部分。一般來說，當二極管正向偏置時，擴散電容起主要作用，即可以認為 Cj » Cd；當反向偏置時，勢壘電容起主要作用，可以認為 Cj »Cb。C和 Cd 值都很小，通常為幾個皮法 幾十皮法，有些結b面積大的二極管可達幾百皮法。在信號頻率較高時，須考慮結電容的作用。電氣基礎學習群：34252897233練NPN 型晶體管工作在放大狀態時，其發射結電壓與發射極電流的關系為（）。æöæöUBEUBEç e UT- 1÷ç e UT-1÷（A） I（B） I= I= IS ç

16、47;S ç÷BCèøèøæöæöUBEUCBç e UT-1÷ç e UT-1÷（C） I（D） I= I= IS ç÷S ç÷ECèøèø電氣基礎學習群：34252897234：Cæö 。UBE解題過程：PN 結二極管的理想伏安特性為： I = Iç e UT- 1÷S ç÷èø式中： I -反

17、向飽和電流；SUT -熱電壓，也稱為溫度電壓當量，UT = kT / q ，UT 與 PN 結的絕對溫度T和玻爾茲曼常數k 成正比，與電子電量q 成正比，始終為正數。在室溫（T = 300K ）時，U» 26mV 。T本題中，NPN 型晶體管工作在放大狀態時，其發射結電壓為U，發射BE極電流為I ，則根據PN 結二極管的伏安特性可知，NPN 型晶體管發射結電Eæö 。UBEç e UT- 1÷壓與發射極電流的關系為：= IIES ç÷èø電氣基礎學習群：34252897235二極管的基本電路及其分析方法1

18、簡單二極管電路的圖解分析方法2二極管電路的簡化模型分析方法電氣基礎學習群：342528972361簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件，因而其電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復雜，而圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。電氣基礎學習群：34252897237，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二例1電路極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。- vD= VDD解：由電路的KVL方程，可得iDR11iD = - R vD + RVDD即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負載線Q的坐標值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點電

19、氣基礎學習群：342528972382二極管電路的簡化模型分析方法1、二極管V-I特性的建模電氣基礎學習群：342528972394）小信號模型i= - 1 v1 (V+ v )DDDDsRRvs =0 時, Q點稱為靜態工作點，反映直流時的工作狀態。vs =Vmsinwt 時（V m<<VDD）,將Q點附近小范圍內的V-I 特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。電氣基礎學習群：342528972404、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成一個微變電阻。DvDrd =iD = IS (e- 1)v/V即根據DTDiD得Q點處的微變電導

20、diDISIDg=evD /VTdQQdvVVDTT1= VTr =則dgIdD= VT= 26(mV)常溫下（T=300K）rdII (mA)DD電氣基礎學習群：342528972412、模型分析法應用舉例1）整流電路（b）vs和vO的波形（a）電路圖電氣基礎學習群：342528972422）靜態工作情況分析當VDD=10V 時， （R=10kW）理想模型VD = 0 V恒壓模型ID = VDD / R = 1 mA（a）簡單二極管電路（b）習慣畫法= 0.7 V （硅二極管典型值）VDID = (VDD - VD ) / R = 0.93 mA折線模型= 0.5 V（硅二極管典型值）rD

21、= 0.2 kWVth設- Vth= VDD= V+ I r= 0.69 V= 0.931 mAVIDthD DDR + rD電氣基礎學習群：342528972433）限幅電路電路如圖，R = 1k，VREF = 3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型= 6sinwt和恒壓降模型求解，當vIV時，繪出相應的輸出電壓vO的波形。電氣基礎學習群：342528972444）開關電路電路，求AO的電壓值解： 先斷開D，以O為基準電位，即O點為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向導通。導通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的

22、電壓值為-6V。電氣基礎學習群：34252897245直流通路、交流通路、靜態、動態等概念，在放大電路的分析中非常重要。5）小信號工作情況分析圖示電路中，VDD = 5V，R = 5kW，恒壓降模型的VD=0.7V，vs（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。0.1sinwt=V。電氣基礎學習群：342528972462.穩壓二極管一、穩壓管的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，反向電壓應大于穩壓電壓。DZ(a)符號(b)2CW17 伏安特性電氣基礎學習群：34252897247二、穩壓管的主要參數(1) 穩定電壓UZ在規定的穩壓管反

23、向工作電流IZ 下，所對應的反向工作電壓。(2) 動態電阻rZrZ =DVZ /DIZ(3)最大耗散功率 PZMIZmaxIZmin(4)最大穩定工作電流和最小穩定工作電流(5)溫度系數aVZ電氣基礎學習群：34252897248IO R+IZIR UO UI-RLDZ-1）設電源電壓波動(負載不變)UI UOUZ IZR題可：以不嗎加？可以嗎？問題：UOUR IR 2）設負載變化(電源不變) 略電氣基礎學習群：34252897249例2：穩壓二極管的應用穩壓二極管技術數據為：穩壓值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA， 負載電阻RL=2kW，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200 W，求iZ。若負載電阻變化范圍為1.5 kW - 4 kW，是否還能穩壓？iiLRizuiDZUZ RLuO電氣基礎學習群：34252897250iiLRizuiDZUZRLuOi =u /R =U /R =10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 iZ = i -