小模电重难点——半导体二极管

吴少琴的模电课

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7 _5 Q6 ~$ B+ r6 s% c0 K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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- ^: ^8 U9 V+ Y; m- \/ |目标：沉迷学习，日渐消瘦
回归主题，第二次课我们进入模拟电路的正式学习喽~~~
* x8 Q$ Y$ s- D- H1 r! q: g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
' L5 `6 N. s9 b. r6 G$ d

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它的主要特点就是具有单向导电性
2
晶体三极管

& G0 X  i3 m2 f# }# T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
场效应三极管

$ v8 S: Q: m' l2 k$ C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(●'?'●)
/ \8 E* [* G8 o4 W( p% R8 e, W0 j

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& W1 S2 n8 E; L
4 r5 j* W6 a( b* e9 r2 I& p! w重点一  PN结的形成

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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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
8 K" Q8 F% K' D3 ~视频中呈现的是PN结的能带图

% \+ U7 g6 F5 P3 J' Q
; n* d: J7 v/ o2 W0 K
* r) t+ G" _1 t
) S. _7 ~% D1 U" p$ }' l! q重点二  PN结的单向导电性

1
' g; L) W9 c' D. `5 e1 ?# F9 [外加正向电压

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
( h( ^9 z# r/ r/ R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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2
7 i1 b. f9 b+ H- q* Z5 Y2 |外加反向电压
! Y, |. C3 I4 `4 n* o! Z) E" d5 ~
8 P; f. r9 N: ~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
0 o6 V( p6 L/ b) f

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将PN结加上引线和封装就构成了半导体二极管，

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# J' X3 n( F% {, K6 j2 @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~~~

/ D* D4 V9 H" \' ~+ f

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1 C2 S1 Q/ R, V$ h' f" _; k下面看看这次课的两个难点：
/ W& h& }" `2 T8 |; ~$ `0 B

难点一  空穴及其移动
: b8 ~+ l6 G! k# f$ C6 X1 S
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。
# |8 ^" @9 Q0 c% q' T% m+ V! `: B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。
8 Q" [9 G# Q, X& N/ y1 t

& [( }, }  l9 o/ y: C2 e难点二  二极管模型
" L. Y4 q, Y, Q" J4 D


4 x8 i, x* w; q1 w5 t: p

  H+ u0 [9 }/ A

/ w: g6 O3 `- V6 p+ M
: @& M* i; _1 ~
2 v* l: W* I3 X6 S/ A( Z

  L: E9 B; I$ E' L* Z
6 e, B! ]) U# D: r; X0 U
1
, Y, g( q5 j# }; L0 L9 ~! V理想模型

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。
& [: S" q) s+ ]% u  h4 A

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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
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。
* a4 T7 G1 u1 V* Z1
% y: v- c( _: c7 l7 E简化模型
3 X/ N: Z8 j* g8 Q% l9 l- |7 a
4 h- S' P+ p% P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
2 A4 w, Q- \9 k, V1 q- `

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  i% q- H! g6 P2 t" f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。
, I! K; b1 r) ]2 Y$ r; U1 ~3 ?- ^

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- p% n! D) Z& \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~~~
- f3 F0 _+ ^7 V0 l9 ]+ }# v  O/ e

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: b5 N7 x/ y, w4 ^9 |: E01
例
  b6 f3 G3 X( P4 q1
/ z5 Q7 `6 o4 f! Q* B/ e2 d


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。
6 N; p$ ^5 ^1 n6 v

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+ g/ K1 j/ L0 a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：

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0 l/ `4 n' Q5 E5 T) ?得到vo=(vi-6)/2+6=0.5vi+3
于是vi≤6时，D截止，等效电路如下：
) R; M1 l% z8 e2 W  c, v1 I

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- ~0 m) T; x$ U- C2 u得到vo=6V。
$ M4 E9 B7 n/ n答案
7 E7 J0 E+ n  G9 g

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$ M+ Z' p) I' Z( h
) }4 c+ M8 x4 {% O* w) B02
例
; [, L% A3 O$ c, P% B2

0 E3 P3 w/ v7 q( W& [1 E2 Y4 C
( W* h0 K* B7 c# k1 |
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。
- q- k8 ?* h) M4 [7 ^. V. M/ @

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7 h- M+ ]' V  v* g/ D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
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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6 L9 r1 o3 v5 w2 c8 U: b( g. O* M得到Vo=2.7V
+ L1 C& |; F. g, v) o3 I于是vi≤5.4V，二极管截止，等效电路如下：
8 Q& }6 `* D$ j+ L8 ^

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- q. ?# D: A4 o& M/ W* E得到Vo=vi/2
答案
5 c9 ]- `6 B3 l% Z8 q6 u6 G3 q9 [
: p/ G% s' v. _% X+ q9 A
$ h% V# v( z7 E/ }
好了，今天就总结到这，稳压管留着下次写哦??
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：
??????考点精讲——二极管电路的分析（点击跳转）
8 l! E) d9 h' i' `& X# r+ X' H互动时间
, g; @3 l) ^1 B* } 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
. `0 \1 O/ S4 o
留言区里给出你的答案，前十送花哦(????)????

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