小模电重难点——半导体二极管

吴少琴的模电课

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6 X7 Y: k* W. b9 f( g; L第一次的重难点推送收到了很多小伙伴的留言，希望期末满绩的同学最多，其次就是希望减肥成功，小电觉得二者其实可以兼顾的，比如吃饭时看看模电公众号，或者带本模电书跑操……??????????
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/ _5 ]3 r" W; E& E目标：沉迷学习，日渐消瘦
" t7 Y! L# H: C7 i4 S+ X6 f回归主题，第二次课我们进入模拟电路的正式学习喽~~~
, A3 @0 m* c+ L模电课程的内容一般都是按先器件后电路，先基础后应用的原则安排。因此最先讲述的就是半导体器件。各位这两周会陆续见到以下三个主角：
1
半导体二极管
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5 @7 q% j3 p+ j5 e7 U1 T2 U它的主要特点就是具有单向导电性
2
晶体三极管

: `6 |  E: b1 q1 F4 x* c/ R9 O3 u, N8 p它的特点是具有电流放大作用，表现为小的基极电流可以控制大的集电极电流
3
. F, G  i# q) _: R场效应三极管
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它是一种利用电场效应来控制电流的放大器件
这三个主角的结构中都包含一个最重要的组件，那就是PN结。因此这次课的重点就从PN结入手(●'?'●)
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% e1 W% ]' h% P. A. T  I2 _# ^
. u) B9 ]- @" Z. L4 j2 w- j7 L重点一  PN结的形成
+ J. K0 @$ i7 C$ D; B
直观地说就是在一块半导体的一侧掺入三价杂质元素形成P型区域，在另一侧加入五价杂质元素形成N型区域，在两个区域的交界面就会形成PN结
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0 `  b  B+ `  q5 d0 v具体的形成过程可以简述为：
载流子浓度差→多子扩散→电中性被破坏→交界面上由杂质离子形成空间电荷区(内电场)→阻止多子扩散促进少子漂移→当扩散和漂移达到动态平衡时，形成一定厚度的PN结。
从B站搬来一段PN结的小视频，方便大家理解这个过程
视频中呈现的是PN结的能带图



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- x5 _1 A3 ~5 |9 p重点二  PN结的单向导电性

1
外加正向电压
- U  Z6 m& r' b! M
概念：当P区电位高于N区电位时，就称外加正向电压，也称PN结正向偏置
过程：正偏时，外电场削弱内电场，PN结变薄，多子扩散运动远大于少子漂移运动，PN结呈现低阻，处于正向导通状态
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外加反向电压

6 U& ~: |* \5 U& M# |1 F概念：当N区电位高于P区电位时，就称外加反向电压，也称PN结反向偏置
过程：反偏时，外电场增强内电场，PN结变宽，多子扩散运动被进一步阻止，只有少子漂移运动形成很小的反向饱和电流，PN结呈现高阻，处于反向截止状态
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: Z# V. P0 \5 p! L, b将PN结加上引线和封装就构成了半导体二极管，
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二极管其实就是PN结的一个物化器件，所以这里也就介绍了二极管的单向导电性喽~~~

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下面看看这次课的两个难点：
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* V. h, ^6 g! R( g/ d0 ~
难点一  空穴及其移动

7 }6 A2 b/ O  U& [: F3 {空穴是半导体区别于导体的一个重要特征，它其实不是真实存在的带电粒子，它是共价键中的一个空位，代表共价键中缺少的价电子，因此带有正电荷。
空穴的出现使得束缚在共价键中的价电子也能参与导电，用空穴来描述价电子的导电更容易区别于自由电子的导电。用空穴在半导体中的移动来代表价电子的移动，只是移动方向与价电子相反。
这样，空穴也就成为半导体中的一种能“移动”的带电粒子，因此半导体内自由电子和空穴都是载流子。
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5 B- D: t* `5 l0 y; C* p3 u
难点二  二极管模型
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6 d& p3 S; W* N/ N- X' Y理想模型
+ c# `( d" W0 w! k6 d& @  |
二极管加正向电压，二极管相当于短路；二极管加反向电压，二极管相当于断路。

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% n/ j0 z* Q% R* j; d使用理想模型分析电路的步骤：
第一步：先假设二极管是断开的，分析此时二极管正极电压值和负极电压值
' X* E: o/ t- o1 k3 P5 R4 l第二步：将二极管正极电压值减去负极电压值，若大于0，二极管导通，看成短路，若小于0，二极管截止，看成断路。
1
简化模型
3 w9 @" s) P, o. R
' b: w. p) \) L9 h" h- ?: i# b2 a当二极管加正向电压且超过导通电压VF时，二极管导通且认为电压不再变化；加正向电压但小于导通电压VF或者加反向电压时，二极管都相当于断开
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' u1 F; j  V. y, a7 V1 ~( w# Y+ W0 D使用简化模型分析电路的步骤：
第一步：先假设二极管是断开的，分析此时二极管正极电压值和负极电压值
第二步：将二极管正极电压值减去负极电压值，若大于导通电压VF(通常是0.7V)，二极管导通，看成电压为VF的电压源，若小于VF，二极管截止，看成断路。
  }7 G+ M/ I/ k* [6 J; O2 N+ [! a

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( V5 B0 j" U; U! N: E应用模型分析二极管电路是这一节的重要考点哦！！！我们直接上例子~~~
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- a8 j( ]  T4 e2 f+ r8 ^# [例
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7 r9 s6 e# O9 h1 d: }  [

$ S9 E0 K; r" X5 O6 @3 e8 q  v若二极管看成理想，输入信号如图(b)所示，试画出输出电压的波形。
0 k" D7 B/ K9 `: f6 W  {

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- D: M6 ]2 t! y. X分析：第一步，先假设二极管断开，那么二极管正端电压为vi，负端电压为6V；
第二步，将正端电压减去负端电压:vi-6，只有当vi-6大于0时二极管才导通，也就是说vi>6时，D导通，等效电路如下：
* ]- P7 y, U" F( ^  T9 H- O7 `$ ~* a

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得到vo=(vi-6)/2+6=0.5vi+3
于是vi≤6时，D截止，等效电路如下：

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/ u6 F1 ]5 L# [$ I3 J4 n得到vo=6V。
! D( k: X; m. \! g$ V/ T答案

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5 P  o/ j2 ?, `02
/ J/ B. b- D3 R) k  M  i例
2
( ~2 q* O( j/ N* s, b' E& }

" u% B5 c2 \+ B2 e- M* W( q
, x- e* F" {2 `1 G4 x' w3 V若二极管正向导通电压为0.7V，输入波形如右图所示，分析电路输出电压波形。

% G2 n* x7 G0 V2 @  Y4 E% }9 |

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  m% v) V/ s3 S! o2 H分析：第一步，假定二极管断开，二极管的正端电压为vi/2，负端为2V
3 g7 }, N5 X( c! r8 @6 Z第二步，将正端电压减去负端：vi/2-2，如果vi/2-2>0.7,也就是vi>5.4V，二极管导通，等效电路如下（二极管被红框框内的元件代替）：

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得到Vo=2.7V
6 M2 Q. H# a5 @于是vi≤5.4V，二极管截止，等效电路如下：
( ]. V" d1 k6 ^8 Q! H

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7 l. m4 c# V7 b& m得到Vo=vi/2
7 a- S) N' z9 Y9 _$ |答案


8 @( Y& f4 E5 L+ [; h$ v& |# V4 w
2 m  E$ A% ~1 ?7 D/ \8 d; ^好了，今天就总结到这，稳压管留着下次写哦??
; L, Y, o  h9 g7 G如果有同学觉得例题没看够，可以点击下面????考点精讲 里面有各个层次的例题：
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+ `  e- c! `- j. p互动时间
) t9 N$ ~' n. E6 C0 Z 二极管的导通电压为0.7V,分析下图两个二极管的工作状态以及输出电压值
; g0 w% M( L1 G3 r( ?& t
' C- x. h* e/ e$ f6 G  v$ o" s留言区里给出你的答案，前十送花哦(????)????

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