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文档简介
1、温故知新,1、电流方向( ),电压方向( ),2、并联总电阻和分电阻的关系。,3、电解电容在电路中如何连接。,4、基尔霍夫电压定律的内容与解题方法。,温故知新,内容:回路总电压和为零。,方法: 1、选择合适回路。 2、标出回路中各元件电压方向 3、若元件电压方向和回路绕行方向相同则电压为正,反之为负。 4、列回路方程解题。,5、学会用工程观点解决问题(估算法),第一章 半导体二极管及其电路分析,半导体器件是构成电路的基本元件,构成半导体器件的材料是经过加工的半导体材料,因此半导体材料的性质在很大程度上决定了半导体器件的性能。,新语新知,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管及其特性,1
2、.3 二极管基本应用电路 及其分析方法,1.4 特殊二极管,1.1 半导体的基础知识,自然界中的物体,根据导电能力(电阻率)可分为:导体、绝缘体、半导体。,常见的半导体材料为硅(Si)和锗(Ge)。,价电子,1.1.1 本征半导体,共价键:,半导体的基础知识,对电子束缚较强,电子 -,空穴 ,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,并与光照和温度有关。,制造半导体器件的材料不是本征半导体,而是人为的掺入杂质的半导体,目的是为了提高半导体的导电能力,1.1.2 杂质半导体,1、掺入5价元素(磷、砷、锑) 2、掺入3价元素(硼、铝、铟),1 掺入5价元素(磷),自由电
3、子,电子为多数载流子多子,空穴为少数载流子少子,掺杂磷产生的自由电子数本征激发产生 的电子数,自由电子数空穴数,N型半导体,载流子数 电子数,磷原子:施主原子,杂质半导体,N型半导体的简化图示,多子,少子,2 掺入3价元素(硼),掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴,空穴数自由电子,空穴为多子,电子为少子,P型半导体,硼原子:受主原子,载流子数 空穴数,P型半导体的简化图示,多子,少子,3 半导体的导电性,I=IP+IN,本征半导体电流很弱。,N型半导体: IIN,P型半导体: IIP,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: T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:
4、 n = p =1.41010/cm3掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n= 51016/cm3 以上两个浓度基本上依次相差106/cm3,4杂质对半导体导电性的影响,N型半导体:电子为多子,空穴为少子 载流子数自由电子数 施主原子提供电子,不能移动,带正电。,总结:,P型半导体:空穴为多子,电子为少子 载流子数空穴数 受主原子提供空穴,不能移动,带负电。,1.1.3 PN结及其单向导电性,一 PN结的形成,P,N,由于载流子的浓度差引起多子的扩散运动,由于复合使交界面形成空间电荷区(耗尽区),空间电荷区,阻碍多子的扩散运动,有利于少子的漂移运动,引起载流子定向移动的类型,1、扩散电流:
5、载流子的浓度差引起,2、漂移电流:由于电场引起的定向移动,在PN结中扩散和漂移最后达到动态平衡 即扩散电流漂移电流,总电流0,PN结,PN结,二、PN 结的单向导电性,1 正向偏置(P区接电源正极,N区接电源负极),外电场的作用使空间电荷区变窄,扩散运动加剧,漂移运动减弱,从而形成正向电流。,此时PN结呈现低阻态,PN结处于导通状态,理想模型为闭合开关。,PN结,2 反向偏置(P区接电源负极,N区接电源正极),外电场的作用使空间电荷区变宽,扩散运动变弱,漂移运动加强,从而形成反向电流,也称为漂移电流。,此时PN结呈现高阻态,漂移电流很小,此时PN结处于截止状态,模型相当于开关打开。,结论,PN
6、结反向偏置时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流,且和温度有关。,PN结正向偏置时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;,由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。,PN结,1、N型半导体带负电,P型半导体带正电。这种说法是否正确?,3、N型半导体的多子是(),P型半导体的多子是()。,4、PN结中扩散电流的方向是从( )区指向( )区,漂移电流的方向是( )区指向( )区。,温故知新,2、Si参杂( )形成N型半导体,掺杂( )形成P型半导体。,5、解释PN结正向偏置。,9、PN结单向导电性是指什么?,PN结,温故知新,6、PN结正向偏置后所具有的特点。,7、解释PN结反向偏置。,8、PN结反
7、向偏置后所具有的特点。,1.2.1 二极管的结构与类型,构成:,PN 结 + 管壳 + 引线=二极管(Diode),1.2 半导体二极管及其特性,二极管的符号:,正极(阳极),负极(阴极),半导体二极管,分类:,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,半导体二极管的类型,点接触型,PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频小电流电路。,半导体二极管,面接触型,PN结面积大,用于工频大电流整流电路。,半导体二极管,平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,半导体二极管,tiao,1.2.2 二极管的伏安特性,半导体二极管,二极管的伏安特性曲线可用
8、下式表示,正向特性,Uth,死区 电压,反向特性,IS,-U (BR),反向击穿,U,一 正向特性,iD = 0,Uth = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = (0.6 0.8) V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3) V,锗管 0.2 V,-U(BR) U 0,iD = IS,(硅) 0.1 A,(锗)几十A,U -U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),二 反向特性,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,三 反向击穿特性:,电击穿,热击穿,反向击穿原因:,齐纳击穿: (Zener),反向电场太强,将电子强行拉出共价键。
9、 (击穿电压 6 V),雪崩击穿:,反向电场使电子加速,动能增大,撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏,断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V),四 温度对二极管特性的影响:,反向特性曲线下移,即反向电流增大。,一般在室温附近,温度每升高1,其正向压降减小2-2.5mV;温度每升高10,反向电流大约增大1倍左右。,半导体二极管,1.2.3 二极管的参数,1. IF 最大整流电流(二极管长期连续工作时允许通过的最大正向平均电流 ),2. UBR 管子反向击穿时的电压,半导体二极管,3. URM 最高反向工作电压,实际上只按照U(BR) 的一半来计算,4. IR 反向电流(管子未
10、被击穿前的反 向电流,该值越小单向导电性越好),6. fM 最高工作频率(二极管工作的 上限频率,超过该频率时,结电容起 作用,不能很好的体现单相导电性)。,5.UD(on) 导通电压:二极管在正向电压工作时,管两端会产生正向电压降,其压降值越小管越好。硅为0.7V,锗为0.2V。,半导体二极管,一、理想二极管,符号及等效模型:,正偏导通,uD = 0; 反偏截止, iD = 0,1.3 二极管基本应用电路及其分析方法,半导体二极管,二、二极管的恒压降模型,UD(on),uD = UD(on),0.7 V (Si),0.2 V (Ge),半导体二极管,硅二极管基本电路如图所示,试求电流I1,I
11、2,IO,和UO,例,半导体二极管,1、二极管符号,温故知新,半导体二极管,2、二极管的正向恒压特性,3、二极管的导通电压,4、理想模型二极管的导通、截止条件,5、恒压降模型二极管的导通、截止条件,6、二极管基本电路的解题步骤,温故知新,半导体二极管,6、二极管基本电路的解题步骤,1)标出二极管正负极,2)去掉二极管,判断V+和V-,3)利用不同的模型判断二极管状态(导通或截止),在二极管不同的状态下解题,二极管基本电路如图所示,VDD=10V,应用理想模型求解电路的UD和ID。,例1,ID=(VDD-UD)R = (10-0)V10K =1mA,UD=0V,解:,半导体二极管,1、限幅电路:
12、它是用来让信号在预置的电平范围内,有选择地传输一部分。,例:一限幅电路如图所示,R=1K,VREF=3V。当Ui=6sint(V)时,利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。,Ui3.7V时D导通, UO=0.7+3=3.7V,Ui3.7V时D截止, UO=Ui;,半导体二极管,半导体二极管,例:分析如图所示的硅二极管电路 (1) 画出电压传输特性曲线; (2)已知Ui=10sint(V)时,利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。,例:分析如图所示的硅二极管电路 (1) 画出电压传输特性曲线; (2)已知Ui=6sint(V)时,利
13、用理想模型绘出相应的输出电压UO的波形。,2、开关电路:利用二极管的单向导电性以接通或断开电路,这在数字电路中广泛应用。,例:二极管开关电路如图所示,当UA和UB为0V或5V时,求UA和UB的值不同组合情况下,输出电压Uo的值。设二极管是理想的。,半导体二极管,开关电路:或门,例:二极管开关电路如图所示,当UA和UB为0V或5V时,求UA和UB的值不同组合情况下,输出电压Uo的值。设二极管是理想的。,截止,截止,截止,截止,导通,导通,导通,导通,0,5,5,5,半导体二极管,3、整流电路:将交流电压转换成脉动的直流电压。,例3:单相桥式整流电路如图所示,电源US为正弦波电压,试绘出负载RL两
14、端的电压波形,设二极管为理想的。,Ui0V时D2、D3导通, UO= Ui,Ui0V时D4、D1导通, UO= -Ui,半导体二极管,半导体二极管,二极管的单向导电性应用很广,可用于:限幅、整流、开关、检波、元件保护等。,应用,半导体二极管,三、二极管的折线近似模型,UON,斜率1/rD,rD,UON,半导体二极管,三 小信号模型,如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时,则可以把V-I特性看成一条直线,其斜率的倒数就是动态电阻 rd,半导体二极管,例:如图所示,输入电压UI为10V,分析当UI变化1V时,输出电压UO的相应变化量和输出电压量.,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压管,稳
15、压管又称齐纳二极管,它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。,当反向电压加到某一定值时UZ ,产生反向击穿,反向电流急剧增加,只要控制反向电流不超过一定值,管子就不会损坏。,1、稳压管的伏安特性,工作在反向击穿特性区,_,2、稳压管的主要参数, 稳定电压UZ,指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V,高的可达300V,它的正向电压约为0.6V。, 稳定电流IZ( Izmin-Izmax ),指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效果变坏,甚至根本不稳压。,_, 额定功耗PZM,指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。, 温度系数,指温度每
16、变化1时稳压值的变化量。 VZ小于4V的管子具有负温度系数, VZ大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。, 动态电阻rz,指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡,动态电阻愈小,稳压管的稳压性能愈好。,稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻 电阻的作用一是起限流作用,以保护稳压管;其次是当输入电压或负载电流变化时,通过该电阻上电压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。,注意,接法:反接,电阻R的作用:限流,RL代表:负载,工作区:反向击穿,3、稳压管的基本电路,三、应用,例1:电路如图,求流过稳压管的电流IZ,R是否合适?,解:,故,R
17、是合适的。,例2:电路如图,IZmax=50mA,R=0.15K, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V,问当 RL = 0.2K 时,电路能否稳定,为什么?当 RL = 0.8K 时,电路能否稳定,为什么?,解:,例3、电路如图,UI =12V ,UZ=6V ,R=0.15K ,IZ=5mA,IZMAX=30mA,问保证电路正常工作时RL 的取值范围,解:,例4:已知u=10sin(t)V ,UZ= 6V, IZ=10mA , Izmax=30mA, 画出uo的波形,并求限流电阻R的最小值。,例5:已知u=10sin(t)V ,UZ= +6V, IZ=10mA , Izmax=30
18、mA, 画出uo的波形,并求限流电阻R的最小值。,例6:已知u=3sin(t)V ,UZ= 6V, IZ=10mA , Izmax=30mA, 画出uo的波形,并求限流电阻R的最小值。,例7 稳压电路如图所示,直流输入电压VI的电压在12V13.6V之间。负载为9V的收音机,当它的音量最大时,需供给的功率为0.5W。稳压管的VZ=9V,稳定电流IZmin=5mA,额定功率为1W,R=51。试分析稳压管电路能否正常工作。,收音机所需电流,流过R的电流为,流过稳压管的电流为,解,由于收音机音量最大时,稳压管流过的电流,稳压管的稳定电流范围为:,所以稳压管失去了稳压作用。,其它类型二极管,发光二极管
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