罗桂娥老师模电课件chapt01

二、二极管的伏安特性
iD /mA
0 U Uth
iD = 0
U (BR) IS
正向特性
uD /V
Uth = 0.5 V (硅管) 0.1 V (锗管)
U Uth iD 急剧上升 反 反向特性 O Uth 向 击 UD(on) = (0.6 0.8) V 硅管 0.7 V 死区 穿 电压 (0.2 0.4) V 锗管 0.3 V
在室温或光照下价电子获得足够能量摆 脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键 中留下一个空位(空穴)的过程。 复 合： 自由电子和空穴在运动中相遇重新结合 成对消失的过程。 漂 移： 自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。
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4） 两种载流子1.1.1半导体的导电特性（ 两种载流子的运动
电子(自由电子) 空穴 结论：
+4 +4 +4
空穴为少数载流子
+4 磷原子 +5 +4 自由电子
载流子数 电子数
7
P型 +4
1.1.2杂质半导体（2）
+4
+4
空穴 — 多子 电子 — 少子
+4 硼原子
+3
+4 空穴
载流子数 空穴数
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1.1.2杂质半导体（3）
二、杂质半导体的导电作用 I
IN
IP
I = IP + IN N 型半导体 I IN P 型半导体 I IP
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C (cathode)
硅二极管 锗二极管
正极 引线
铝合金 1. 2.1二极管的结构和类型（ 2） N 型锗片 负极 小球 引线
正极引线 PN 结
N型锗 外壳 触丝 负极引线
正极 负极 引线 引线
金锑 合金
底座
点接触型
面接触型
P N
P 型支持衬底
集成电路中平面型
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1. 2.1二极管的结构和类型（3）
UZ < 4 V，CTV < 0 (为齐纳击穿)具有负温度系数； UZ > 7 V，CTV > 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数； 4 V < UZ < 7 V，CTV 很小。
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1. 2.5其它二极管（1）
补充： 发光二极管与光敏二极管 一、发光二极管 LED (Light Emitting Diode)
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 –0.02
0.4
uD / V
硅管的伏安特性
锗管的伏安特性
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温度对二极管特性的影响 1. 2.2二极管的伏安特性（5）
iD / mA
60 40 20 –50
90C 20C
–25
0 – 0.02 0.4
uD / V
T 升高时，
UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降
理想
恒压降 UO = VDD – UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V) IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA) 理想 2. VDD = 10 V VDD 大， IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA) 采用理想模型 VDD 小， 采用恒压降模型
︱U(BR) ︱> ︱U︱ > 0 ︱U ︱> ︱U(BR) ︱
iD = IS < 0.1 A(硅)几十 A (锗) 反向电流急剧增大 (反向击穿)
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反向击穿类型： 电击穿 — PN 结未损坏，断电即恢复。 热击穿 — PN 结烧毁。
1. 2.2二极管的伏安特性（3）
反向击穿原因： 齐纳击穿： 反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (Zener) (击穿电压 < 6 V，负温度系数)
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恒压降 UO = 10 0.7 = 9.3 (V) IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)
1. 2.6二极管应用举例（3）
例2： 试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 的值。
P N
解：假设二极管断开 UP = 15 V 3 UN 12 9 (V) 1 3 UP > UN 二极管导通 等效为 0.7 V 的恒压源
自由电子(在共价键以外)的运动 空穴(在共价键以内)的运动
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；
2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；
3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
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1.1.2 杂质半导体 1.1.2 杂质半导体（1） 一、N 型半导体和 P 型半导体
N型
电子为多数载流子
本征半导体 — 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。 载流子 — 自由运动的带电粒子。 共价键 — 相邻原子共有价电子所形成的束缚。
3
硅(锗)的原子结构
1.1.1半导体的导电特性（2）
硅(锗)的共价键结构
自 由 电 子
空 穴
简化 模型 惯性核
价电子(束缚电子)源自空穴空穴可在共 价键内移动
4
本征激发：
1.1.1半导体的导电特性（3）
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1. 2.6二极管应用举例（4）
UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V) IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA) I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)
斜率1/ rD
iD
UD(on) U
I uD
rD
U I
rD
UD(on)
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1. 2.4二极管的常用电路模型（ 4） • 半导体二极管的型号 (补充) • 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下： • 2AP9 • 用数字代表同类型器件的不同型号 • 用字母代表器件的类型，P代表普通管 • 用字母代表器件的材料，A代表N型Ge • B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表N型Si
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1. 2.3二极管的主要参数（ 2） 影响工作频率的原因 — PN 结的电容效应
结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。
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1. 2.4二极管的常用电路模
1.2.4 二极管的常用电路模型 一、理想二极管模型
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1.2.3 二极管的主要参数 1. 2.3二极管的主要参数（1）
iD U (BR) URM O IF uD
1. IF — 最大整流电流(最大正向平均电流) 2. URM — 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR — 反向电流(越小单向导电性越好) 4. fM — 最高工作频率(超过时单向导电性变差)
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三、P 型与N 1.1.2 型半导体的简化示意图 杂质半导体（4）
P型 多数载流子 N型 多数载流子 负离子
少数载流子 正离子 少数载流子
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1.1.3 PN 结
一、PN 结(PN Junction)的形成
1.1.2PN结（1）
1. 载流子的浓度差引起多子的扩散
内建电场 2. 复合使交界面形成空间电荷区 (耗尽层) 空间电荷区特点: 无载流子， 阻止扩散进行， 利于少子的漂移。
越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。 P ZM = UZ IZM
3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZM 4. 动态电阻 rZ
几 几十
rZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。
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1. 2.5稳压二极管（ 3） 5. 稳定电压温度系数 CT
一般，
U Z UZ CT 100% T
•
2代表二极管，3代表三极管
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1. 2.5稳压二极管（1）
1.2.5 稳压二极管 一、伏安特性
iZ /mA
符号
UZ
IZ
O
UZ
IZminuZ/V IZ IZmax 特性
工作条件：反向击穿
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二、主要参数 1. 稳定电压 UZ
2. 稳定电流 IZ
1. 2.5稳压二极管（2）
流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。
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1.1.2PN结（2） 3. 扩散和漂移达到动态平衡
扩散电流 等于漂移电流，
总电流 I = 0。
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二、PN 结的单向导电性 1.1.2PN结（3）
1. 外加正向电压(正向偏置)— forward bias
扩散运动加强形成正向电流 IF
IF
P区 外电场
N区 内电场
外电场使多子向 PN 结移动, 中和部分离子使空间电荷区变窄
1.2.6 二极管应用举例
例 1：下图电路中，硅二极管，R = 2 k，分 别用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。
理想模型 实际电路
UD(on)
恒压降模型
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[ 解]
1. VDD = 21. V2.6二极管应用举例（2） UO = VDD = 2 V IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)
IF = I多子 I少子 I多子
限流电阻
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1.1.2PN结（4） 2. 外加反向电压(反向偏置 ) — reverse bias
IR
P区
N区 内电场 外电场
漂移运动加强形成反向电流 IR
IR = I少子 0
外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。
PN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。
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三、PN 结的伏安特性
1.1.2PN结（5）