二极管与其应用电路ppt课件

模拟电子技术基础,电子教案V2013,1,课程内容与学时安排,第1章绪论(2h),第2章半导体二极管及其应用电路(4h),第3章半导体三极管及其放大电路基础(15h),第4章多级放大电路及模拟集成电路基础(4h),第5章信号运算电路(5h),第6章负反馈放大电路(6h),第7章信号处理与产生电路(4h),第8章场效应管及其放大电路(4h),48学时,第9章功率放大电路,第10章集成运算放大器,第11章直流电源,2个器件,BJT,FET,关键词核心内容,1个电路放大电路,三极管,集成运放,完美的放大电路,模拟电子技术,重点章,介绍放大的基本概念,分立元件分立元件电路(放大)构成规律和分析方法,线索-不断完善放大性能,(读图-741),集成运放实现放大的条件,集成运放的应用模电的常用功能电路,复习、机动(2h),清明、五一(2h),2,2半导体二极管及其应用电路,2.1PN结的基本知识,2.1.3PN结及其单向导电性,2.2半导体二极管,2.2.2二极管的伏安特性,2.2.3二极管的主要参数,2.2.4二极管模型,2.3二极管应用电路,2.3.1整流电路,2.3.2限幅电路,2.4特殊二极管,2.4.1稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？,3,2.1PN结的基本知识,2.1.1本征半导体及其导电性,2.1.2杂质半导体,2.1.3PN结及其单向导电性,2.1.4PN结电容,半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的2个特点,1、本征容易受环境因素影响(温度、光照等),2、掺杂可以显著提高导电能力,原子结构简化模型,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,4,2.1.1本征半导体及其导电性,图2.1.1本征半导体的共价键结构,2.1PN结的基本知识,1.本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,原子结构简化模型,2.本征激发,5,2.1.1本征半导体及其导电性,2.1PN结的基本知识,2.本征激发,温度,光照,本征激发,自由电子,空位,自由电子,空位,空位：带正电荷；可自由移动；靠相邻共价键中的价电子依次充填空位来实现的。取名为：空穴,温度载流子浓度,载流子:自由移动带电粒子,复合本征激发的逆过程,6,2.1.2杂质半导体,图2.1.3N型半导体的共价键结构,2.1PN结的基本知识,图2.1.4P型半导体的共价键结构,1.N型半导体,掺入少量的五价元素磷P,2.P型半导体,掺入少量的三价元素硼B,自由电子是多数载流子（简称多子）空穴是少数载流子（简称少子）,空穴是多数载流子自由电子为少数载流子。,空间电荷,7,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,杂质对半导体导电性的影响,8,2.1PN结的基本知识,2.1.1本征半导体及其导电性,2.1.2杂质半导体,2.1.3PN结及其单向导电性,2.1.4PN结电容,半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的2个特点,1、本征容易受环境因素影响(温度、光照等),2、掺杂可以显著提高导电能力,原子结构简化模型,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,9,2.1.3PN结及其单向导电性,(1)浓度差多子的扩散运动复合,(2)复合空间电荷区内电场,(3)内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散,(4)扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步(动画),1.PN结的形成,空间电荷区=PN结,10,因为浓度差,多子的扩散运动,在P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区中缺少多子，所以也称耗尽层。,复合,杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,问题？当动态平衡被外电场打破后，会如何？,2.1.3PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,11,2.PN结的单向导电性,只有在外加电压时才扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散漂移有正向扩散电流(多子电流较大)低电阻正向导通,漂移扩散反向漂移电流(少子电流很小的)高电阻反向截止,2.1.3PN结及其单向导电性,内电场,内电场,12,图2.1.8PN结伏安特性,3.PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性（击穿电压）,倍增效应,雪崩击穿,齐纳击穿,2.1.3PN结及其单向导电性,PN结(二极管)特性描述方法,陡峭电阻小正向导通,特性平坦反向截止温度一定，由本征激发产生的少子浓度一定,反向击穿,PN结方程（理论计算仿真）,IS反向饱和电流,VT温度的电压当量(26mV),曲线（对应图解法）,齐纳二极管、稳压二极管,13,2.1.4PN结电容,图2.1.10扩散电容效应,(1)势垒电容CB,(2)扩散电容CD,2.1PN结的基本知识,用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应,多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素,图2.1.9势垒电容与外加电压关系,14,2半导体二极管及其应用电路,2.1PN结的基本知识,2.1.3PN结及其单向导电性,2.2半导体二极管,2.2.2二极管的伏安特性,2.2.3二极管的主要参数,2.2.4二极管模型,2.3二极管应用电路,2.3.1整流电路,2.3.2限幅电路,2.4特殊二极管,2.4.1稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？,其他特性击穿特性。结电容描述PN结方程、伏安特性曲线。,原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性,15,2.2半导体二极管,2.2.1二极管的结构,2.2.2二极管的伏安特性,2.2.3二极管的主要参数,2.2.4二极管模型,PN结加上引线和封装二极管,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,16,2.2.1二极管的结构,点接触型,面接触型,平面型,17,2.2.2二极管的伏安特性,图2.2.2硅二极管的2CP10的伏安特性图2.2.3锗二极管2AP15的伏安特性,2.2半导体二极管,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）,注意,1.死区电压（门坎电压）,2.反向饱和电流(好)硅：0.1A；锗：10A,3.PN结方程（近似）,18,图2.2.4温度对二极管特性曲线的影响示意图,温度对二极管特性的影响,2.2.2二极管的伏安特性,2.2半导体二极管,温度升高时:,正向特性曲线向左移动,温度1，正向压降22.5mV,反向特性曲线向下移动,温度10，反向电流一倍,19,2.2.3二极管的主要参数,1.最大整流电流IF,2.最高反向工作电压VRM,3.反向电流IR,4.极间电容Cd,5.最高工作频率fM,2.2半导体二极管,图2.2.3锗二极管2AP15的伏安特性,IF,VRM,VBR,IR,极限,直流,交流,20,2半导体二极管及其应用电路,2.1PN结的基本知识,2.1.3PN结及其单向导电性,2.2半导体二极管,2.2.2二极管的伏安特性,2.2.3二极管的主要参数,2.2.4二极管模型,2.3二极管应用电路,2.3.1整流电路,2.3.2限幅电路,2.4特殊二极管,2.4.1稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？,其他特性击穿特性。结电容、温度特性描述PN结方程、伏安特性曲线。,原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性,安全2个极限参数,21,2.2.4二极管模型,2.2半导体二极管,图2.2.2硅二极管的伏安特性,对于非线性器件，分析方法有：,非线性分析方法（PN结方程，比较复杂）,根据不同的工作条件和要求，在分析精度允许的条件下，采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性。大信号模型、小信号模型,图解分析方法（麻烦、直观）,等效电路分析方法（转换为线性）,图2.2.5理想模型,图2.2.6恒压降模型,图2.2.7折线模型,图2.2.8小信号模型,22,(1)二极管电路的分析概述,应用电路举例,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通:vO=vI-vD,D截止:vO=0,D导通:vO=vD,D截止:vO=vI,左图,中图,显然，vO与vI的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,vO0,vOvD,右图,vOvD+VREF,分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。,23,二极管电路分析的讲课思路：,(1)二极管电路的分析概述,(a)图解分析法,(b)等效电路(模型)分析法,(2)二极管电路的直流分析,(3)二极管电路的交流分析大信号,(4)二极管电路的交流分析小信号,分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。,vO与vI的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,24,(2)二极管电路的直流分析,例1:2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏:D反向击穿,iDIF？,ID=0,VD=-10V,vD=？iD=？,(a)图解分析法,代数法列方程求解：,线性,非线性,线性(KVL):vD=VI-iDR,联立求解，可得VD、ID,静态工作点Q,图解法直线与伏安特性的交点,关键画直线,又称为负载线,25,(2)二极管电路的直流分析,例1:2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏:D反向击穿,iDIF？,ID=0,VD=-10V,vD=？iD=？,(a)图解分析法,线性,非线性,线性(KVL):vD=VI-iDR,图(a)：(0V，1mA)(1V，0.9mA),图(b)：(0V，20mA)(1V，19mA),图(c)：(0V，-1mA)(-10V，0mA),图(c)：(0V，-10mA)(-100V，0mA),线性(KVL):vD=-VI-iDR,26,二极管电路分析的讲课思路：,(1)二极管电路的分析概述,(a)图解分析法,(b)等效电路(模型)分析法,(2)二极管电路的直流分析,(3)二极管电路的交流分析大信号,(4)二极管电路的交流分析小信号,分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。,vO与vI的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,27,(b)等效电路(模型)分析法,理想模型,折线模型,恒压降模型,(2)二极管电路的直流分析,注意,理想模型：VD=Von=Vth=0，Ron=0(短路),Vth死区电压（门坎电压）,恒压降模型：VD=Von=Vth=0.7(硅)、0.2(锗)，Ron=0(短路),折线模型：Vth=0.5(硅)、0.1(锗)，Ron=rD，VD=Vth+iDrD,当VDIF？,ID=0,VD=-10V,vD=？iD=？,线性,非线性,假设D截止（开路）求D两端开路电压,VD0.7V,状态,等效电路,条件,通常采用恒压降模型,分析方法小结,VD=0.7V;ID=0.93mA,VD=0.7V;ID=19.3mA,30,习题2.4.4试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?,图题2.4.4(a),例2:,习题2.4.3电路如下图所示，判断D的状态,二极管状态判断,1V,2.5V,+1V_,31,二极管电路分析的讲课思路：,(1)二极管电路的分析概述,(a)图解分析法,(b)等效电路(模型)分析法,(2)二极管电路的直流分析,(3)二极管电路的交流分析大信号,(4)二极管电路的交流分析小信号,分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。,vO与vI的关系由D的状态决定。而且，D处于反向截止时最简单！,分析采用大信号模型,理想模型,恒压降模型,32,(3)二极管电路的交流分析大信号,应用电路举例,整流限幅,D导通:vO=vI-vD,D截止:vO=0,D导通:vO=vD,D截止:vO=vI,左图,中图,vO0,vOvD,右图,vOvD+VREF,图2.2.6恒压降模型,(a)图解分析法,(b)等效电路(模型)分析法,线性(KVL):vD=VI-iDR,中图,假设D截止(开路)，求D两端开路电压,则:vD=vI,当vD0.7VD导通，vO=VD=0.7V,当vD0时D导通，C充电,vI0时D截止，C没有放电回路,47,2半导体二极管及其应用电路,2.1PN结的基本知识,2.1.3PN结及其单向导电性,2.2半导体二极管,2.2.2二极管的伏安特性,2.2.3二极管的主要参数,2.2.4二极管模型,2.3二极管应用电路,2.3.1整流电路,2.3.2限幅电路,2.4特殊二极管,2.4.1稳压二极管,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成,掌握PN结的单向导电工作原理,掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,基本要求：,问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？,其他特性击穿特性。结电容、温度特性描述PN结方程、伏安特性曲线。,原理：多子扩散和少子漂移的动态平衡,击穿特性,安全2个极限参数,大信号恒压降模型,请自学,48,第2章基本要求,了解半导体材料的基本结构及PN结的形成掌握PN结的单向导电工作原理掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用,2半导体二极管及其应用电路,49,2.4特殊二极管,2.4.1稳压二极管,2.4.2光电二极管,2.4.3发光二极管,2.4.4激光二极管,反向击穿状态,反向截止，利用势垒电容,反向截止，少子漂移电流,特殊材料，正向导通发光,请自学！必须掌握“齐纳二极管”其它了解。,50,分析方法小结,假设D截