模拟电子技术2二极管及其应用电路

1、1 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 电子教案电子教案 V2013 陈大钦陈大钦 主编主编 华中科技大学电信系华中科技大学电信系 邹韬平邹韬平 2013年年3月月7日日 2 课程内容与学时安排课程内容与学时安排 第第1章章 绪论绪论 (2h) 第第2章章 半导体半导体二极管二极管及其应用电路及其应用电路 (4h) 第第3章章 半导体半导体三极管三极管及其放大电路及其放大电路基础基础 (15h) 第第4章章 多级放大电路及模拟集成电路基础多级放大电路及模拟集成电路基础 (4h) 第第5章章 信号运算电路信号运算电路 (5h) 第第6章章 负反馈放大电路负反馈放大电路 (6h) 第第7章章 信号处

2、理与产生电路信号处理与产生电路 (4h) 第第8章章 场效应管场效应管及其放大电路及其放大电路 (4h) 48学时学时 第第9章章 功率放大电路功率放大电路 第第10章章 集成运算放大器集成运算放大器 第第11章章 直流电源直流电源 2个器件个器件 BJT FET 关键词关键词 核心内容核心内容 1个电路个电路 放大电路放大电路 三极管三极管 集成运放集成运放 完美的完美的 放大电路放大电路 模模 拟拟 电电 子子 技技 术术 重点章重点章 介绍放大的基本概念介绍放大的基本概念 分立元件分立元件 分立元件电路分立元件电路(放大放大) 构成规律和分析方法构成规律和分析方法 核心、基础核心、基础

3、线索线索-不断完善放大性能不断完善放大性能 (读图读图-741) 集成运放实现放大的条件集成运放实现放大的条件 集成运放的应用集成运放的应用 模电的常用功能电路模电的常用功能电路 复习、机动复习、机动 (2h) 清明、五一清明、五一 (2h) 3 2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.2 半导体二极管半导体二极管 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.2.4 二极管模型二极管模型 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 2.3.1

4、整流电路整流电路 2.3.2 限幅电路限幅电路 2.4 特殊二极管特殊二极管 2.4.1 稳压二极管稳压二极管 了解半导体材料的基本结构及了解半导体材料的基本结构及PN结的形成结的形成 掌握掌握PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）的掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用特性及其基本应用 基本要求：基本要求： 问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是？主要特性是？ 其工程描述方法？其工程描述方法？ 问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)分析方法分析方法? 最常用的是？最常用的是？ 问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功

5、能？ (稳压电路稳压电路) 4 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 2.1.2 杂质半导体杂质半导体 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.1.4 PN结电容结电容 +4 半导体半导体: 导电特性介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 1、本征、本征 容易受环境因素影响容易受环境因素影响 (温度温度、光照等、光照等) 2、掺杂、掺杂 可以显著提高导电能力可以显著提高导电能力 原子结构原子结构 简化模型简化模型 问题问题1：二极管

6、二极管(PN结结)主要特性是？其工程描述方法？主要特性是？其工程描述方法？ 5 共价键 价电子 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 图图2.1.1 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 1. 本征半导体本征半导体 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体晶体。 在在T=0K和无外界激发时，没有和无外界激发时，没有载流子载流子，不导电，不导电 +4 原子结构原子结构 简化模型简化模型 2. 本征激发本征激发 6 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电

7、性 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 2. 本征激发本征激发 温度温度 光照光照 本征激发本征激发 自由电子自由电子 空位空位 自由电子自由电子空位空位 空位：带正电荷；空位：带正电荷； 可自由移动；可自由移动； 靠相邻共价键中的价电靠相邻共价键中的价电 子依次充填空位来实现的。子依次充填空位来实现的。 取名为：取名为：空穴空穴 温度温度 载流子载流子浓度浓度 载流子载流子: 自由移动带电粒子自由移动带电粒子 复合复合本征激发的逆过程本征激发的逆过程 7 1. N型半导体型半导体 掺入少量的五价元素磷掺入少量的五价元素磷P 2. P型半

8、导体型半导体 2.1.2 杂质半导体杂质半导体 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 图图2.1.4 P型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构 掺入少量的三价元素硼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）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）空穴是少数载流子（简称少子） 空穴是多数载流子空穴是多数载流子 自由电子为少数载流子。自由电子为少数载流子。 空间电荷空间电荷 8 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大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的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本

9、征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响 9 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性 2.1.2 杂质半导体杂质半导体 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.1.4 PN结电容结电容 +4 半导体半导体: 导电特性

10、介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 1、本征、本征 容易受环境因素影响容易受环境因素影响 (温度温度、光照等、光照等) 2、掺杂、掺杂 可以显著提高导电能力可以显著提高导电能力 原子结构原子结构 简化模型简化模型 掺杂掺杂 N型型 5价价 P型型 3价价 多子电子多子电子 多子空穴多子空穴 空间电荷空间电荷 温度温度 光照光照 本征本征 激发激发 电子电子 空穴空穴 复合复合少子少子 问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是？其工程描述方法？主要特性是？其工程描述方法？ 10 (1)浓度差

11、浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动 复合复合 (2)复合复合空间电荷区空间电荷区内电场内电场 (3)内电场内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散 (4)扩散与漂移达到扩散与漂移达到动态平衡动态平衡 载流子的载流子的 运动：运动： 扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动 漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动 P区区N区区 扩散：空穴扩散：空穴电子电子 漂移：电子漂移：电子空穴空穴 形成过程可分成形成过程可分成4步步 (动画动画) P 型N 型 内电场内电场 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1. PN

12、结的形成结的形成 空间电荷区空间电荷区=PN结结 11 扩散扩散 漂移漂移 因为浓度差因为浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动 在在P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导体结合面，离子薄层 形成的形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。 在空间电荷区中缺少多子，所以也称在空间电荷区中缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。 复合复合 杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 是是 宽宽 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平

13、衡。 否否 问题？问题？ 当动态平衡被外电当动态平衡被外电 场打破后，会如何？场打破后，会如何？ 扩散扩散:空穴空穴电子电子 漂移漂移:电子电子空穴空穴 内电场内电场 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1. PN结的形成结的形成 12 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将 定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 有正向扩散电流有正向扩散电流 (多子多子 电流较大电流较大) 低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩

14、散 反向漂移电流反向漂移电流 (少子少子电流电流很小的很小的) 高电阻高电阻 反向截止反向截止 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 内电场内电场内电场内电场 外电场外电场外电场外电场 13 陡峭陡峭电阻小电阻小 正向导通正向导通 反向击穿反向击穿 PN结方程（理论计算仿真）结方程（理论计算仿真） IS 反向饱和电流反向饱和电流 曲线（对应图解法）曲线（对应图解法） 齐纳二极管、稳压二极管齐纳二极管、稳压二极管 反向特性反向特性 SD Ii 反向击穿特性反向击穿特性 （击穿电压）（击穿电压） 倍增效应倍增效应 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 2.1.3 PN结及其单向导电性结及

15、其单向导电性 特性平坦特性平坦反向截止反向截止 温度一定，由本征激发产温度一定，由本征激发产 生的少子浓度一定生的少子浓度一定 VT 温度的电压当量温度的电压当量(26mV) 14 用来描述势垒区的空间用来描述势垒区的空间 电荷随外加电压变化而变电荷随外加电压变化而变 化的电容效应化的电容效应 多数载流子的扩散运动是多数载流子的扩散运动是 形成扩散电容的主要因素形成扩散电容的主要因素 (1) 势垒电容势垒电容CB (2) 扩散电容扩散电容CD 2.1.4 PN结电容结电容 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 图图2.1.9 势垒电容与外加电压关系势垒电容与外加电压关系 15 2 半导体二极管

16、及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.2 半导体二极管半导体二极管 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.2.4 二极管模型二极管模型 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 2.3.1 整流电路整流电路 2.3.2 限幅电路限幅电路 2.4 特殊二极管特殊二极管 2.4.1 稳压二极管稳压二极管 了解半导体材料的基本结构及了解半导体材料的基本结构及PN结的形成结的形成 掌握掌握PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）

17、的掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用特性及其基本应用 基本要求：基本要求： 问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是？主要特性是？ 其工程描述方法？其工程描述方法？ 问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)分析方法分析方法? 最常用的是？最常用的是？ 问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？ 其他特性其他特性击穿特性击穿特性。结电容。结电容 描述描述PN结方程、伏安特性曲线。结方程、伏安特性曲线。 原理：多子原理：多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移的的动态平衡动态平衡 击穿特性击穿特性 (稳压电路稳压电路) 16 2.2 半导体二极管半导体二极管

18、2.2.1 二极管的结构二极管的结构 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.2.4 二极管模型二极管模型 阴极阴极 k 阳极阳极 a PN结结加上引线和封装加上引线和封装 二极管二极管 按结构分类按结构分类 点接触型点接触型 面接触型面接触型 平面型平面型 17 阴极阴极 引线引线 阳极阳极 引线引线 P N P 型支持衬底型支持衬底 点接触型点接触型 面接触型面接触型 平面型平面型 2.2.1 二极管的结构二极管的结构 18 正向特性正向特性 2.2 半导体二极管半导体二极管 Vth = 0.5V（硅）（硅） Vth = 0.1V（锗

19、）（锗） 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 反向特性反向特性 反向击穿特性反向击穿特性 注注 意意 1. 死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压） 2. 反向饱和电流反向饱和电流 ( 好好)硅：硅：0.1 A；锗：；锗：10 A 3. PN结方程（近似）结方程（近似） )1( / SD D T Vv eIi 19 图图2.2.4 温度对二极管特性曲线温度对二极管特性曲线 的影响示意图的影响示意图 温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2 半导体二极管半导体二极管 温度升高时温度升高时 : vD iD V 50C 25C O

20、50C 25C 正向特性曲线向左移动正向特性曲线向左移动 温度温度 1，正向压降，正向压降 22.5mV 反向特性曲线向下移动反向特性曲线向下移动 温度温度 10，反向电流，反向电流 一倍一倍 20 1. 最大整流电流最大整流电流IF 2. 最高反向工作电压最高反向工作电压VRM 3. 反向电流反向电流IR 4. 极间电容极间电容Cd 5. 最高工作频率最高工作频率fM 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.2 半导体二极管半导体二极管 0 vD/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA 图图2.2.3 锗二极

21、管锗二极管2AP15的伏安特性的伏安特性 IF VRMVBR IR 极限极限 直流直流 交流交流 21 2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.2 半导体二极管半导体二极管 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.2.4 二极管模型二极管模型 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 2.3.1 整流电路整流电路 2.3.2 限幅电路限幅电路 2.4 特殊二极管特殊二极管 2.4.1 稳压二极管稳压二极管 了解半导体材料的基本结构及了解半

22、导体材料的基本结构及PN结的形成结的形成 掌握掌握PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）的掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用特性及其基本应用 基本要求：基本要求： 问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是？主要特性是？ 其工程描述方法？其工程描述方法？ 问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)分析方法分析方法? 最常用的是？最常用的是？ 问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？ 其他特性其他特性击穿特性击穿特性。结电容、。结电容、温度特性温度特性 描述描述PN结方程、伏安特性曲线。结方程、伏安特性曲线。 原理：多子

23、原理：多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移的的动态平衡动态平衡 击穿特性击穿特性 安全安全2个极限参数个极限参数 22 对于非线性器件，分析方法有：对于非线性器件，分析方法有： 2.2.4 二极管模型二极管模型 2.2 半导体二极管半导体二极管 vD/V 0 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA VBR Vth 图图2.2.2 硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性 非线性分析方法非线性分析方法 （PN结方程，比较复杂）结方程，比较复杂） 根据不同的工作条件和要求，在分根据不同的工作条件和要求，在分 析精度允许的条

24、件下，采用不同的模型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。来描述非线性元器件的电特性。 大信号模型、小信号模型大信号模型、小信号模型 图解分析方法（麻烦、直观）图解分析方法（麻烦、直观） 等效电路分析方法等效电路分析方法 （转换为线性）（转换为线性） O vD iD 理想 实际 图图2.2.5 理想模型理想模型 O vD iD O vD iD A B C iD vD 图图2.2.6 恒压降模型恒压降模型 图图2.2.7 折线模型折线模型 O vD iD vD iD Q D VD 图图2.2.8 小信号模型小信号模型 23 (1) 二极管电路的分析概述二极管电路的分析概

25、述 应用电路举例应用电路举例 D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 图图2-3-3(习题习题2-15,16,17） 例例2-2-1和图和图2-3-1 整流整流限幅限幅 初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性 D导通导通:vO = vI - vD D截止截止:vO = 0 D导通导通:vO = vD D截止截止:vO = vI 左图左图中图中图 显然，显然，vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定。决定。 而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！ vO 0vO vD 右图右图 vO vD+

26、 VREF 分析任务：求分析任务：求vD、iD 目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？ 目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 24 二极管电路分析的二极管电路分析的讲课思路：讲课思路： (1) 二极管电路的分析概述二极管电路的分析概述 (a) 图解分析法图解分析法 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 (3) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 大信号大信号 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 分析任务：求分析任务：求

27、vD、iD 目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？ 目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定。决定。 而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！ D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 图图2-3-3(习题习题2-15,16,17） 例例2-2-1和图和图2-3-1 整流整流限幅限幅 25 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 例例1: 2CP1(硅硅),IF=16mA,VBR=40

28、V。求。求VD、ID。 + ID VD R=10k VI + 10V + ID VD R=10k VI + 10V + ID VD R=1k VI + 20V + ID VD R=10k VI + 100V (a)(b)(c)(d) 正偏正偏:D正向导通？正向导通？正偏正偏:D正向导通！正向导通！反偏反偏:D反向截止反向截止反偏反偏: D反向击穿反向击穿 iD IF ？ID = 0, VD = -10VvD = ？iD = ？ 普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏 齐纳：电击穿齐纳：电击穿 VD = - VBR= -40V (a) 图解分析法图解分析法 代数法列方程求解：代数法列方程求解： 线性线

29、性 非线性非线性 线性线性(KVL): vD = VI - iD R )1(: / SD D T Vv eIi非非线线性性 联立求解，联立求解， 可得可得VD、ID 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 静态工作点静态工作点 Q 图解法图解法 直线直线与伏安特性的交点与伏安特性的交点 关键关键 画直线画直线 R V v R i I DD 1 又称为又称为负载负载线线 vD = 0 iD = VI /R=1mA vD = 1V iD =(VI -vD)/R=0.9mA VD 0.7V ID 0.95mA 解解 26 vD/V 0 0.2

30、0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/A iD/mA VBR Vth (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 例例1: 2CP1(硅硅),IF=16mA,VBR=40V。求。求VD、ID。 + ID VD R=10k VI + 10V + ID VD R=10k VI + 10V + ID VD R=1k VI + 20V + ID VD R=10k VI + 100V (a)(b)(c)(d) 正偏正偏:D正向导通？正向导通？正偏正偏:D正向导通！正向导通！反偏反偏:D反向截止反向截止反偏反偏: D反向击穿反向击穿 iD

31、 IF ？ID = 0, VD = -10VvD = ？iD = ？ 普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏 齐纳：电击穿齐纳：电击穿 VD = - VBR= -40V (a) 图解分析法图解分析法 线性线性 非线性非线性 线性线性(KVL): vD = VI - iD R 图图(a)：(0V，1mA) (1V，0.9mA) 图图(b)：(0V，20mA) (1V，19mA) 图图(c)：(0V，-1mA) (-10V，0mA) 图图(c)：(0V，-10mA) (-100V，0mA) 线性线性(KVL): vD = -VI - iD R 27 二极管电路分析的二极管电路分析的讲课思路：讲课思路：

32、(1) 二极管电路的分析概述二极管电路的分析概述 (a) 图解分析法图解分析法 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 (3) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 大信号大信号 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 分析任务：求分析任务：求vD、iD 目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？ 目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定。决定。 而且，而且，D处于反向截止时最简单

33、！处于反向截止时最简单！ D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 图图2-3-3(习题习题2-15,16,17） 例例2-2-1和图和图2-3-1 整流整流限幅限幅 28 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 理想模型理想模型折线模型折线模型恒压降模型恒压降模型 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 注注 意意 理想模型：理想模型： VD=Von=Vth=0，Ron=0(短路短路)Vth 死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压） 恒压降模型：恒压降模型： VD=Von=Vth=0.7(硅硅)、0.2(锗锗)，Ron=

34、0(短路短路) 折线模型：折线模型： Vth=0.5(硅硅)、0.1(锗锗)，Ron=rD，VD=Vth + iDrD 当当VD IF ？ ID = 0, VD = -10V vD = ？iD = ？ 普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏 齐纳：电击穿齐纳：电击穿 VD = - VBR= -40V 线性线性 非线性非线性 假设假设D截止（开路）截止（开路） 求求D两端两端开路电压开路电压 VD 0.7VD正向导通正向导通 - VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID = 0 (开路开路) VD - VBRD反向击穿反向击穿 VD = - VBR (恒压恒压) VD = 0.7V (恒压降恒压降

35、) 状态状态等效电路等效电路条件条件 通常采用通常采用恒压降模型恒压降模型 分析方法小结分析方法小结 VD =0.7V; ID =0.93mAVD =0.7V; ID =19.3mA 31 习题习题2.4.4 试判断图题试判断图题2.4.4中中 二极管导通还是截止，二极管导通还是截止， 为什么为什么? 图题图题2.4.4(a) 习题习题2.4.3 电路如下图所示，电路如下图所示， 判断判断D的状态的状态 二极管状态判断二极管状态判断 D 3k (a) V V A O 1V 2.5V + 1V _ 32 二极管电路分析的二极管电路分析的讲课思路：讲课思路： (1) 二极管电路的分析概述二极管电路

36、的分析概述 (a) 图解分析法图解分析法 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 (3) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 大信号大信号 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 分析任务：求分析任务：求vD、iD 目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？ 目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定。决定。 而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！ 分析采用大信

37、号模型分析采用大信号模型 理想模型理想模型 恒压降模型恒压降模型 D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 图图2-3-3(习题习题2-15,16,17） 例例2-2-1和图和图2-3-1 整流整流限幅限幅 33 (3) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 大信号大信号 应用电路举例应用电路举例 D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 整流整流限幅限幅 D导通导通:vO = vI - vD D截止截止:vO = 0 D导通导通:vO = vD D截止截止:vO = vI 左图左图中图

38、中图vO 0vO vD右图右图vO vD+ VREF O vD iD 图图2.2.6 恒压降模型恒压降模型 (a) 图解分析法图解分析法 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 线性线性(KVL): vD = VI - iD R R V v R i I DD 1 中图中图 假设假设D截止截止(开路开路)，求，求D两端开路电压两端开路电压 则则:vD = vI 当当vD 0.7VD导通，导通，vO = VD = 0.7V 当当vD 0.7VD截止，截止，vO = vI 利用电压传输特性曲线可直观表达电路功能。利用电压传输特性曲线可直观表达电路功能。 O vI vO 0.7 0.7 34

39、 二极管电路分析的二极管电路分析的讲课思路：讲课思路： (1) 二极管电路的分析概述二极管电路的分析概述 (a) 图解分析法图解分析法 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 (3) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 大信号大信号 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 分析任务：求分析任务：求vD、iD 目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？ 目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状

40、态的状态决定。决定。 而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！ 分析均采用大信号模型分析均采用大信号模型 理想模型理想模型 恒压降模型恒压降模型 D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 图图2-3-3(习题习题2-15,16,17） 例例2-2-1和图和图2-3-1 整流整流限幅限幅 35 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 例例3:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。 例例1:已知伏安特性已知伏安特性,求求VD、ID。 + iD vD R=10k VI + 10V iD + vD 0 D

41、/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 iD D + D + VI R=10k vi VI = 10V vi = 1Vsin t R V v R i I DD 1 先静态分析先静态分析 直流直流负载线负载线: 再动态分析再动态分析 交流交流负载线负载线: R vV v R i iI DD 1 vD = VI + vi - iD R VD 0.7V ID 0.95mA iD=ID+ iD = 0.95mA+0.1mAsin t vD=VD+ vD 0.7V 36 R=10k VI + 10V ID + VD iD D + D + VI R=10k

42、 vi iD=ID+ iD vD=VD+ vD VI = 10V， vi = 1Vsin t iD vD + rd + vI R VD 0.7V ID 0.95mA 静态分析静态分析 i 0 0 动态分析动态分析 VI = 0 叠加原理叠加原理? 例例3:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。 D D d i v r (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 37 小信号模型小信号模型 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 二极管工作在正向特性的某一小范二极管工作在正向特性的某一小范 围内时，其正向特性可以等效为围内时，其正向特性可以等效为:

43、 D D d i v r 微变电阻微变电阻 根据根据 得得Q点处的微变电导点处的微变电导)1( / SD D T Vv eIi Q Vv T Q T e V I dv di r / S D D d D 1 T Q T Q Vv T V I V i e V I T DD / S )1( D )mA( )mV(26 DD d II V r T 常温下（常温下（T=300K） 38 VI = 10V， vi = 1Vsin t 例例3:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。 iD D + D + VI R=10k vi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.

44、8 0.4 1.2 iD=ID+ iD = 0.95mA+0.1mAsin t vD=VD+ vD 0.7V R=10k VI + 10V ID + VD 静态分析静态分析 vi=0 iD D + rd + i R iD D + rd + i R 动态分析动态分析 VI=0 小信号模型小信号模型(小信号等效电路小信号等效电路) (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 39 例例4:(小信号分析小信号分析) 例例3中求中求 vD、 iD。 VI = 10V， vi = 1Vsin t iD D + D + VI R=10k vi 解题步骤解题步骤: (1) 静态分析静态分

45、析 (令令vi=0） R=10k VI + 10V ID + VD 由恒压降模型得由恒压降模型得 VD 0.7V; ID 0.93mA (2) 动态分析动态分析 (令令VI=0） 由小信号模型得由小信号模型得 iD D + rd + i R 28 )mA(93. 0 )mV(26 )mA( )mV(26 DD d II V r T mA krR v i i 1 . 0 2810 1V d D 2.8mV dDD riv (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 40 二极管电路分析的二极管电路分析的讲课思路：讲课思路： 先静态（直流），采用大信号模型先静态（直流），采用大

46、信号模型 (1) 二极管电路的分析概述二极管电路的分析概述 (a) 图解分析法图解分析法 (b) 等效电路等效电路(模型模型)分析法分析法 (2) 二极管电路的直流分析二极管电路的直流分析 (3) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 大信号大信号 (4) 二极管电路的交流分析二极管电路的交流分析 小信号小信号 分析任务：求分析任务：求vD、iD 目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变化？，有何变化？ 目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定。决定。 而且，而且，D处于反向截

47、止时最简单！处于反向截止时最简单！ 分析均采用大信号模型分析均采用大信号模型 后动态（交流）：采用小信号模型后动态（交流）：采用小信号模型 理想模型理想模型 恒压降模型恒压降模型 41 分析方法小结分析方法小结 假设假设D截止（开路）截止（开路） 求求D两端开路电压两端开路电压 VD 0.7VD正向导通正向导通 - VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID = 0 (开路开路) VD - VBRD反向击穿反向击穿 VD = - VBR (恒压恒压) VD = 0.7V (恒压降恒压降) 状态状态等效电路等效电路条件条件 将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型） 带入原电路中

48、，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的 关系关系 画出电压波形和电画出电压波形和电 压传输特性压传输特性 特殊情况：求特殊情况：求 vD（波动）（波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理 恒压降模型恒压降模型 42 2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.2 半导体二极管半导体二极管 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.2.4 二极管模型二极管模型 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 2.3.1 整流电路整流电路 2.

49、3.2 限幅电路限幅电路 2.4 特殊二极管特殊二极管 2.4.1 稳压二极管稳压二极管 了解半导体材料的基本结构及了解半导体材料的基本结构及PN结的形成结的形成 掌握掌握PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）的掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用特性及其基本应用 基本要求：基本要求： 问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是？主要特性是？ 其工程描述方法？其工程描述方法？ 问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)分析方法分析方法? 最常用的是？最常用的是？ 问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？ 其他特性其他特性

50、击穿特性击穿特性。结电容、。结电容、温度特性温度特性 描述描述PN结方程、伏安特性曲线。结方程、伏安特性曲线。 原理：多子原理：多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移的的动态平衡动态平衡 击穿特性击穿特性 安全安全2个极限参数个极限参数 大信号恒压降模型大信号恒压降模型 43 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 2.3.1 整流电路整流电路 2.3.2 限幅电路限幅电路 2.3.3 钳位电路钳位电路 例例2.4.2（习题（习题2.4.12） D vO R iD vI + iD vO R vI + 习题习题2.4.5整流整流限幅限幅习题习题2.4.6 vO + D vI + C + vC 钳位钳位

51、44 2.3.1 整流电路整流电路 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 + vO - R + vI - D O t vI 2 3 4 （a）电路图）电路图 （b）vI和和vO的波形的波形 O t vO 2 3 4 D1 RL Tr v1 v2 vO iD1 vD1 v2 D2 iD2 vD2 半半 波波 整整 流流 全全 波波 整整 流流 桥式整流电路桥式整流电路(习题习题13和第和第11章章) 理想二极管理想二极管恒压降模型恒压降模型 信号处理绝对值信号处理绝对值 45 0 t 2 3 vI/V VB 2.3.2 限幅电路限幅电路 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 vO + D VB

52、vI + R vO + VB vI + R vO + VB vI + R 0 t 2 3 vO/V VB viVB时等效电路时等效电路viVB时等效电路时等效电路 双向限幅见习题双向限幅见习题17、19和和20 理想二极管理想二极管 D导通，导通，vO = VB D截止，截止，vO = vI 恒压降模型恒压降模型 46 二极管与门二极管与门 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 D1 3k V A O D2 + vI1 - - + v I2 - - D1 3k (b) V V A O D2 康康 习题习题3.4.5 习题习题2-8 D1 3k V A D2 vI1 vI2 D1 3k A D2

53、 vI1 vI2 二极管或门二极管或门 47 vI 0时时D导通，导通，C充电充电 图图2.3.5 二极管钳位电路二极管钳位电路 2.3.3 钳位电路钳位电路 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 0 t T vO/V T/2 T/4 -2Vm KVL: vO = vD = vI vC 设电容初值设电容初值 vC = 0 48 2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2.1 PN结的基本知识结的基本知识 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 2.2 半导体二极管半导体二极管 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2

54、.2.4 二极管模型二极管模型 2.3 二极管应用电路二极管应用电路 2.3.1 整流电路整流电路 2.3.2 限幅电路限幅电路 2.4 特殊二极管特殊二极管 2.4.1 稳压二极管稳压二极管 了解半导体材料的基本结构及了解半导体材料的基本结构及PN结的形成结的形成 掌握掌握PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 掌握二极管（包括稳压管）的掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本应用特性及其基本应用 基本要求：基本要求： 问题问题1：二极管二极管(PN结结)主要特性是？主要特性是？ 其工程描述方法？其工程描述方法？ 问题问题2：二极管电路二极管电路(非线性非线性)分析方法分析方法? 最常用的是？最常用的是？ 问题问题3：常用的二极管电路及功能？常用的二极管电路及功能？ 其他特性其他特性击穿特性击穿特性。结电容、。结电容、温度特性温度特性 描述描述PN结方程、伏安特性曲线。结方程、伏安特性曲线。 原理：多子原理：多子扩散扩散和少子和少子漂移漂移的的动态平衡动态平衡 击穿特性击穿特性 安全安全2个极限参数个极限参数 大信号恒压降模型大信号恒压降模型 请自学请自学 49 教学大纲