,模拟电路, 精品课程课件
第 1章 半导体二极管及其应用
§ 1.1 PN结
§ 1.2 半导体二极管
§ 1.3 半导体二极管的基本应用
§ 1.4 特殊二极管
§ 1.1 PN结
学习目标,1.熟悉 P型,N型半导体的
基本结构及特性
2.掌握 PN结的单向导电性
学习重点,1,P型,N型半导体的形成
和电结构特点
2,PN结的正向和反向导电
特性
第 1章 半导体二极管及其应用
一, 半导体的基本知识
根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是 硅 Si和 锗 Ge,它们都是 4价元素 。
si
si
硅原子
Ge
锗原子
Ge +4+4
硅和锗最外层轨道上的
四个电子称为 价电子 。
§ 1.1 PN结
§ 1.1 PN结
二, 本征半导体
本征半导体 —— 纯净的, 不含其他杂质的半导体
本征半导体的共价键结构
本征半导体的导电能力很弱,
接近绝缘体 。 导电性取决于外加
能量：温度变化, 导电性变化；
光照变化, 导电性变化 。
自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
+4 +4+4
空穴
电子载流子
空穴
二,N型和 P型半导体
形成：
在本征半导
体中掺入微量五
价元素。
§ 1.1 PN结
（ 一 ） N型半导体
多数载流子 ---电子 少数载流子 --空穴
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N型半导体
硅原子 多余电子
磷原子 电子空穴对
自由电子
施主离子
+4
+4
+4 +4
+4
+4
+4
+4
+5
形成：
在本征半
导体中掺入
微量三价元
素。
§ 1.1 PN结
－
－
－ －
－
－
－
－
－ －
－
－
P型半导体
硅原子 空穴
硼原子
电子空穴对 空穴
受主离子
（ 二 ） P型半导体
多数载流子 --空穴 少数载流子 --电子
+4
+4
+4 +4
+4
+4
+4
+4
+3
二,PN结的形成
形成过程：
P型和 N型半导体结合
扩散运动
内电场建立
阻碍扩散运动
促使漂移运动
动态平衡 形成空间电荷区 PN结形成
§ 1.1 PN结
空间电荷区
多子扩散电流少子漂移电流
耗尽层
N型半导体P型半导体多子浓度差
三,PN结的单向导电性
1,PN结正向偏置
PN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。
§ 1.1 PN结
正偏 —— P区接
电源正极,N区接电
源负极。
空间电荷
区变窄
内电场方
向
外电场方
向
§ 1.1 PN结
2,PN结反向偏置
反偏 —— P区接
电源负极,N区接电
源正极。
PN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。
空间电荷
区变宽
内电场方
向
外电场方
向
§ 1.2 半导体二极管
学习目标,1.了解二极管的结构和类型
2.掌握二极管的伏安特性
3.熟悉二极管的使用方法
学习重点,1.二极管的伏安特性
2.二极管的主要 参数
第 1章 半导体二极管及其应用
一、基本结构及类型
1、结构
（ a） 点接触型 （ b） 面接触型 （ c） 平面型
§ 1.2 半导体二极管
由一个 PN结构成
2、符号
3、分类
材料：硅二极管和锗二极管
用途：整流、稳压、开关、普通二极管
结构、工艺：点接触、面接触
§ 1.2 半导体二极管
NP
阳极 a 阴极 k
4,型号
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格
代表器件的材料
2代表二极管,3代表三极管。
代表器件的类型
二、二极管的伏安特性
结论：
二极管是非线性元件
二极管具有单向导电性
§ 1.2 半导体二极管
i
u
0
硅,0.5 V
锗,0.1 V
导通压降
反向饱和电流
死
区
电
压
击穿电压 UBR
锗
伏安特性曲线
1,正向特性
2,反向特性
3,反向击穿特性
三、二极管的主要参数
（ 4）最高工作频率 fM——
§ 1.2 半导体二极管
(1) 最大整流电流 IFM———————— 二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流
(2) 反向击穿电压 UBM—— 允许加在二极管上的反向
电压最大值
(3) 反向电流 IR——— 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。
反向电流越小，管子单向导电性能越好。
主要取决于 PN结结电容的大小
四、半导体二极管的分析方法
恒压模型
U D 二极管的导通压降：硅管 0.7V；锗管 0.3V。
二极管的 V— A特性
§ 1.2 半导体二极管
理想二极管模型：
正偏 反偏
小信号模型,
在交流小信号模型下将二极管等效于 rD,因
此可用于分析二极管电路。
rD
§ 1.3 半导体二极管的基本应用
学习重点,1.二极管整流滤波电路的原理
和参数计算
2.二极管限幅、钳位电路的分析
学习目标,1.了解整流、滤波等基本概念
2.熟悉二极管的主要应用
第 1章 半导体二极管及其应用
（一）半波整流电路 u2
uL
uD
?
2
? 3? 4?0
半波整流波形图
一, 半导体二极管整流电路
§ 1.3半导体二极管的基本应用
二极管导通
二极管截止
u2 >0
u2<0
uL=u2
uL=0
1,工作原理
整流 —— 将交流电变成单相脉动直流电
2、参数计算
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
输出电压平均值,UL=0.45u2
输出电流平均值, IL= UL/RL =0.45u2/ RL
流过二极管的平均电流,ID=IL
22UU RM ?
二极管承受的反向电压,
（二）单相桥式整流电路
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
D1, D3导通, D2,D4截止。
u2正半周时,
t?
uL
t?
U２
1.工作原理
-
+
+
+
+
+
4
1
2
3
1
u
2
u220V
+
-
R
L
L
u
D 2
1D
D 3
D 4
u2负半周时：
D2,D4 导通, D1, D3截止。
t?
UＬ
u2
t?
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
2,参数计算
输出电压平均值,UL=0.9u2
输出电流平均值, IL= UL/RL =0.9 u2 / RL
流过二极管的平均电流,ID=IL/2
22UU RM ?
二极管承受的反向电压,
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
二、滤波电路
常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波。
（一）电容滤波
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
滤波 —— 滤去脉动直流电的交流成分，减小纹波，
使输出波形更加平缓。 +
+
+
+
4
1
2
3
2
1
R
2 2 0 V
+
L
u
-
u
L
2
u
D
4
D
3
D
D
1
C
1.工作原理
§ 1.3半导体二极管的基本应用
（ 1）空载（ RL=∞）时：
+
+
+
+ 4
1
2
3
2 u
2
D
C L
3
1
DD
-
220V
D
+14
uu
u
c
u2＞ uC时：
二极管导通,C充电
u2＜ uC时：
二极管截止,C放电。
由于 RL=∞，无放电回路，
所以 uC保持。
u2
t
uL
t
uc=uL
22 uuu CL ??
§ 1.3半导体二极管的基本应用
（ 2） 接入 RL（且 RLC较大）时
u2＞ uC时：
二极管导通,C充电
u2＜ uC时：
二极管截止,C放电
u2
t
iD
t
二极管中
的电流
uc= uL
+
+
+
+
4
1
2
3
2
1
R
220V
+
L
u
-
u
L
2
u
D
4
D
3
D
D
1
C
u
c
D1,D3
导通 D2,D4导通
C放电 C充电
2.参数计算
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
输出电压 UL=（ 1.1~1.2） U2
一般取：
(T:电源电压的周期 )
TCR L )105( ????
输出电流 IL=（ 1.1~1.2） U2/ RL
二极管的平均电流 ID=（ 1.1~1.2） U2/ 2RL
（二）电感滤波
电感滤波主要用于大电流滤波的场合
+
u 1
－
+
u 2
－
R L
+
u o
－
L
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
输出电压 UL=0.9U2
三、限幅和钳位电路
（一） 限幅电路
利用二极管的单向导电性和导通后电压基本不变的特点,可组
成限幅电路。
用来限制输出电压的幅度。
+
- -
+
U
I
u
RE F
R
i u O
§ 1.3半导体二极管的基本应用
0
-4V
4V
ui
tUREF
uo
t
UREF
（二）钳位电路
将输出电压钳制在某一电位值上。
+5V
0V
－ 12V
Uｏ
0
2.7V
uo
t
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
四、典型例题
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
§ 1.4 特殊二极管
学习目标,1.了解发光二极管和光电二极
管的性能、使用方法
2.熟悉稳压管的工作原理及使
用方法
学习重点：稳压管的性能、主要参数
第 1章 半导体二极管及其应用
一、特殊二极管
（一） 稳压二极管
+
-
D Z
限流电阻
i
u
U
Z
△I
△ U
I
zm i n
I
zm a x
稳定电压
正向同
二极管
反偏电压 ≥ UZ,反向击穿
当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流 IZ在 Izmax和 Izmin
之间变化时,其两端电压近似为常数 。
§ 1.4 特殊二极管
（二）其他二极管
3.发光二极管 (LED):是一种将电能转化为光能的特殊二极
管,根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压一
般为 (1.5～ 3V),工作电流为 (10mA～ 30mA)。
1.变容二极管,利用 PN结的结电容随外加电压而变化的特性
工作,广泛应用于高频电路中作调谐, 调频和调相使用 。
2.光电二极管,是一种将光信号转化为电信号的特殊二极管,
如影碟机中的激光二极管,
§ 1.4 特殊二极管
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
小 结
1.半导体材料中有两种载流子：电子和空穴 。 电子带
负电, 空穴带正电 。 在纯净半导体中掺入不同的杂
质, 可以得到 N型半导体和 P型半导体 。
2.二极管是非线性元件, 它具有单向导电性 。
3.二极管的主要应用：整流, 限幅, 钳位等 。
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
思考题
返回
1,纯净的本征半导体在载流子是怎样产生的？
2.二极管几种模型中各用于什么场合？
3.二极管反向击穿一定损坏了吗？
4.整流电路和滤波电路获得的直流电压的波形有什
么不同?
5.在整流滤波电路中如何选择电路元件的主要参数?
6.在分析限幅电路中主要利用了二极管的什么等效
模型?
第 1章 半导体二极管及其应用
§ 1.1 PN结
§ 1.2 半导体二极管
§ 1.3 半导体二极管的基本应用
§ 1.4 特殊二极管
§ 1.1 PN结
学习目标,1.熟悉 P型,N型半导体的
基本结构及特性
2.掌握 PN结的单向导电性
学习重点,1,P型,N型半导体的形成
和电结构特点
2,PN结的正向和反向导电
特性
第 1章 半导体二极管及其应用
一, 半导体的基本知识
根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。
典型的半导体是 硅 Si和 锗 Ge,它们都是 4价元素 。
si
si
硅原子
Ge
锗原子
Ge +4+4
硅和锗最外层轨道上的
四个电子称为 价电子 。
§ 1.1 PN结
§ 1.1 PN结
二, 本征半导体
本征半导体 —— 纯净的, 不含其他杂质的半导体
本征半导体的共价键结构
本征半导体的导电能力很弱,
接近绝缘体 。 导电性取决于外加
能量：温度变化, 导电性变化；
光照变化, 导电性变化 。
自由电子
+4
+4 +4
+4
+4
+4
+4 +4+4
空穴
电子载流子
空穴
二,N型和 P型半导体
形成：
在本征半导
体中掺入微量五
价元素。
§ 1.1 PN结
（ 一 ） N型半导体
多数载流子 ---电子 少数载流子 --空穴
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
N型半导体
硅原子 多余电子
磷原子 电子空穴对
自由电子
施主离子
+4
+4
+4 +4
+4
+4
+4
+4
+5
形成：
在本征半
导体中掺入
微量三价元
素。
§ 1.1 PN结
－
－
－ －
－
－
－
－
－ －
－
－
P型半导体
硅原子 空穴
硼原子
电子空穴对 空穴
受主离子
（ 二 ） P型半导体
多数载流子 --空穴 少数载流子 --电子
+4
+4
+4 +4
+4
+4
+4
+4
+3
二,PN结的形成
形成过程：
P型和 N型半导体结合
扩散运动
内电场建立
阻碍扩散运动
促使漂移运动
动态平衡 形成空间电荷区 PN结形成
§ 1.1 PN结
空间电荷区
多子扩散电流少子漂移电流
耗尽层
N型半导体P型半导体多子浓度差
三,PN结的单向导电性
1,PN结正向偏置
PN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。
§ 1.1 PN结
正偏 —— P区接
电源正极,N区接电
源负极。
空间电荷
区变窄
内电场方
向
外电场方
向
§ 1.1 PN结
2,PN结反向偏置
反偏 —— P区接
电源负极,N区接电
源正极。
PN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。
空间电荷
区变宽
内电场方
向
外电场方
向
§ 1.2 半导体二极管
学习目标,1.了解二极管的结构和类型
2.掌握二极管的伏安特性
3.熟悉二极管的使用方法
学习重点,1.二极管的伏安特性
2.二极管的主要 参数
第 1章 半导体二极管及其应用
一、基本结构及类型
1、结构
（ a） 点接触型 （ b） 面接触型 （ c） 平面型
§ 1.2 半导体二极管
由一个 PN结构成
2、符号
3、分类
材料：硅二极管和锗二极管
用途：整流、稳压、开关、普通二极管
结构、工艺：点接触、面接触
§ 1.2 半导体二极管
NP
阳极 a 阴极 k
4,型号
2AP9
用数字代表同类器件的不同规格
代表器件的材料
2代表二极管,3代表三极管。
代表器件的类型
二、二极管的伏安特性
结论：
二极管是非线性元件
二极管具有单向导电性
§ 1.2 半导体二极管
i
u
0
硅,0.5 V
锗,0.1 V
导通压降
反向饱和电流
死
区
电
压
击穿电压 UBR
锗
伏安特性曲线
1,正向特性
2,反向特性
3,反向击穿特性
三、二极管的主要参数
（ 4）最高工作频率 fM——
§ 1.2 半导体二极管
(1) 最大整流电流 IFM———————— 二极管长期运行允许通过的最大正向平均电流
(2) 反向击穿电压 UBM—— 允许加在二极管上的反向
电压最大值
(3) 反向电流 IR——— 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。
反向电流越小，管子单向导电性能越好。
主要取决于 PN结结电容的大小
四、半导体二极管的分析方法
恒压模型
U D 二极管的导通压降：硅管 0.7V；锗管 0.3V。
二极管的 V— A特性
§ 1.2 半导体二极管
理想二极管模型：
正偏 反偏
小信号模型,
在交流小信号模型下将二极管等效于 rD,因
此可用于分析二极管电路。
rD
§ 1.3 半导体二极管的基本应用
学习重点,1.二极管整流滤波电路的原理
和参数计算
2.二极管限幅、钳位电路的分析
学习目标,1.了解整流、滤波等基本概念
2.熟悉二极管的主要应用
第 1章 半导体二极管及其应用
（一）半波整流电路 u2
uL
uD
?
2
? 3? 4?0
半波整流波形图
一, 半导体二极管整流电路
§ 1.3半导体二极管的基本应用
二极管导通
二极管截止
u2 >0
u2<0
uL=u2
uL=0
1,工作原理
整流 —— 将交流电变成单相脉动直流电
2、参数计算
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
输出电压平均值,UL=0.45u2
输出电流平均值, IL= UL/RL =0.45u2/ RL
流过二极管的平均电流,ID=IL
22UU RM ?
二极管承受的反向电压,
（二）单相桥式整流电路
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
D1, D3导通, D2,D4截止。
u2正半周时,
t?
uL
t?
U２
1.工作原理
-
+
+
+
+
+
4
1
2
3
1
u
2
u220V
+
-
R
L
L
u
D 2
1D
D 3
D 4
u2负半周时：
D2,D4 导通, D1, D3截止。
t?
UＬ
u2
t?
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
2,参数计算
输出电压平均值,UL=0.9u2
输出电流平均值, IL= UL/RL =0.9 u2 / RL
流过二极管的平均电流,ID=IL/2
22UU RM ?
二极管承受的反向电压,
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
二、滤波电路
常见的滤波电路有电容滤波、电感滤波和复式滤波。
（一）电容滤波
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
滤波 —— 滤去脉动直流电的交流成分，减小纹波，
使输出波形更加平缓。 +
+
+
+
4
1
2
3
2
1
R
2 2 0 V
+
L
u
-
u
L
2
u
D
4
D
3
D
D
1
C
1.工作原理
§ 1.3半导体二极管的基本应用
（ 1）空载（ RL=∞）时：
+
+
+
+ 4
1
2
3
2 u
2
D
C L
3
1
DD
-
220V
D
+14
uu
u
c
u2＞ uC时：
二极管导通,C充电
u2＜ uC时：
二极管截止,C放电。
由于 RL=∞，无放电回路，
所以 uC保持。
u2
t
uL
t
uc=uL
22 uuu CL ??
§ 1.3半导体二极管的基本应用
（ 2） 接入 RL（且 RLC较大）时
u2＞ uC时：
二极管导通,C充电
u2＜ uC时：
二极管截止,C放电
u2
t
iD
t
二极管中
的电流
uc= uL
+
+
+
+
4
1
2
3
2
1
R
220V
+
L
u
-
u
L
2
u
D
4
D
3
D
D
1
C
u
c
D1,D3
导通 D2,D4导通
C放电 C充电
2.参数计算
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
输出电压 UL=（ 1.1~1.2） U2
一般取：
(T:电源电压的周期 )
TCR L )105( ????
输出电流 IL=（ 1.1~1.2） U2/ RL
二极管的平均电流 ID=（ 1.1~1.2） U2/ 2RL
（二）电感滤波
电感滤波主要用于大电流滤波的场合
+
u 1
－
+
u 2
－
R L
+
u o
－
L
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
输出电压 UL=0.9U2
三、限幅和钳位电路
（一） 限幅电路
利用二极管的单向导电性和导通后电压基本不变的特点,可组
成限幅电路。
用来限制输出电压的幅度。
+
- -
+
U
I
u
RE F
R
i u O
§ 1.3半导体二极管的基本应用
0
-4V
4V
ui
tUREF
uo
t
UREF
（二）钳位电路
将输出电压钳制在某一电位值上。
+5V
0V
－ 12V
Uｏ
0
2.7V
uo
t
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
四、典型例题
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
§ 1.4 特殊二极管
学习目标,1.了解发光二极管和光电二极
管的性能、使用方法
2.熟悉稳压管的工作原理及使
用方法
学习重点：稳压管的性能、主要参数
第 1章 半导体二极管及其应用
一、特殊二极管
（一） 稳压二极管
+
-
D Z
限流电阻
i
u
U
Z
△I
△ U
I
zm i n
I
zm a x
稳定电压
正向同
二极管
反偏电压 ≥ UZ,反向击穿
当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流 IZ在 Izmax和 Izmin
之间变化时,其两端电压近似为常数 。
§ 1.4 特殊二极管
（二）其他二极管
3.发光二极管 (LED):是一种将电能转化为光能的特殊二极
管,根据材料的不同可发出红、绿、兰、黄光泽。其工作电压一
般为 (1.5～ 3V),工作电流为 (10mA～ 30mA)。
1.变容二极管,利用 PN结的结电容随外加电压而变化的特性
工作,广泛应用于高频电路中作调谐, 调频和调相使用 。
2.光电二极管,是一种将光信号转化为电信号的特殊二极管,
如影碟机中的激光二极管,
§ 1.4 特殊二极管
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
小 结
1.半导体材料中有两种载流子：电子和空穴 。 电子带
负电, 空穴带正电 。 在纯净半导体中掺入不同的杂
质, 可以得到 N型半导体和 P型半导体 。
2.二极管是非线性元件, 它具有单向导电性 。
3.二极管的主要应用：整流, 限幅, 钳位等 。
§ 1.3半导体二极管电路的基本应用
思考题
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1,纯净的本征半导体在载流子是怎样产生的？
2.二极管几种模型中各用于什么场合？
3.二极管反向击穿一定损坏了吗？
4.整流电路和滤波电路获得的直流电压的波形有什
么不同?
5.在整流滤波电路中如何选择电路元件的主要参数?
6.在分析限幅电路中主要利用了二极管的什么等效
模型?
