第01章_晶体二极管

1、电子电路基础电子电路基础 (Basis of Electronic Circuits) -光电学院电子工程系光电学院电子工程系- 教教 材：材： 电子线路电子线路(线性部分线性部分) （第四版）（第四版） 谢嘉奎谢嘉奎 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 1999 （东南大学）（东南大学） 模拟电子技术基础简明教程模拟电子技术基础简明教程（第三版）杨素行（第三版）杨素行 主编主编 高等教育出版社高等教育出版社 2006 （清华大学）（清华大学） 参考书：参考书： 1、 模拟电子技术基础模拟电子技术基础（第（第3版）版） 童诗白，华成英主编童诗白，华成英主编 ，高教出版社，高教出版社，200

2、1（清华）（清华） 2、电子技术基础电子技术基础（模拟部分）（模拟部分） 康华光康华光 编著编著 高等教育出版社高等教育出版社1999 （华中理工）（华中理工） 3、电子线路基础教程电子线路基础教程 王成华王成华 主编主编 科学出版社科学出版社 2000 一、学习本课程的意义一、学习本课程的意义 三、本课程特点及学习方法三、本课程特点及学习方法 前前 言言 二、二、目的和任务目的和任务 四、要求四、要求 四、要求四、要求 课程总评成绩：由平时成绩、阶段成绩和期末卷面成绩加权构成。课程总评成绩：由平时成绩、阶段成绩和期末卷面成绩加权构成。 作业：作业：每周第一次课交上周作业，发上上周作业本。每周

3、第一次课交上周作业，发上上周作业本。 考勤：考勤：课堂随机点名与课堂签到相结合。重修生要求每次签到。课堂随机点名与课堂签到相结合。重修生要求每次签到。 平时成绩认定：平时成绩认定：（占（占15%-30%） （1）课堂出勤次数（）课堂出勤次数（2）课堂听课表现）课堂听课表现/回答问题情况回答问题情况 （3）作业上交次数（）作业上交次数（4）每次作业完成质量等）每次作业完成质量等 过程成绩过程成绩 阶段成绩认定（阶段成绩认定（占占30%-45%） ：课内测验课内测验/阶段测验阶段测验/中期考试等中期考试等 期末卷面成绩：（期末卷面成绩：（少子漂移少子漂移 多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流

4、的正向电流IPNPN结导通结导通 I 电压电压V V 电流电流I I PN结结单向导电特性单向导电特性 P+N 内建电场内建电场E E lo - +- + V PN结结反偏反偏 阻挡层变宽阻挡层变宽 内建电场增强内建电场增强 少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散 少子少子漂移漂移形成形成微小微小的反向电流的反向电流IR PNPN结截止结截止 IR I IR R与与V V 近似无关。近似无关。 温度温度T T 电流电流I IR R 结论：结论：PNPN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。 PN结结伏安特性方程式伏安特性方程式 PNPN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，

5、可用理想的指数函数来描述： ) 1( T S V V eII q kT V T 热电压热电压 26mV（室温）（室温）其中：其中： IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似为反向饱和电流，其值与外加电压近似 无关，但受温度影响很大。无关，但受温度影响很大。 正偏时：正偏时： T S V V eII 反偏时：反偏时： S II PN结结伏安特性曲线伏安特性曲线 ID(mA) V(V) VD(on) - -IS SiGe VD(on)= 0.7V IS=(10-910-16)A 硅硅PNPN结结 VD(on)= 0.3V 锗锗PNPN结结 IS=(10-610-8)A V VD(on)时时 随着随着

6、V 正向正向R R很小很小 I PNPN结导通；结导通； V 6V) ) 形成原因形成原因: : 碰撞电离碰撞电离。 V(BR) ID(mA) V(V) 形成原因形成原因: : 场致激发。场致激发。 发生条件发生条件 PNPN结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高 ( (lo o较窄较窄) ) 外加反向电压较小外加反向电压较小( (6V) ) 因为因为T 载流子运动的平均自由路程载流子运动的平均自由路程 V(BR) (BR) 。 。 雪崩击穿电压雪崩击穿电压具有正温度系数。具有正温度系数。 齐纳击穿电压齐纳击穿电压具有负温度系数。具有负温度系数。 因为因为T 价电子获得的能量价电子获得的能量 V(BR)

7、 (BR) 。 。 VZ ID(mA) V(V) IZmin IZmax + - - VZ Z 利用利用PNPN结的反向击穿特结的反向击穿特 性，可性，可制成稳压二极管。制成稳压二极管。 要求：要求：Izmin Iz CD ，则，则 Cj CT PN结总电容：结总电容： Cj = CT + CD PN结正偏时，结正偏时，CD CT ，则，则 Cj CD 故：故：PN结正偏时，以结正偏时，以CD为主。为主。 故：故：PNPN结结反偏时，以反偏时，以CT为主。为主。 通常：通常：CD 几十几十PF 几千几千PF。 通常：通常：CT 几几PF 几十几十PF。 晶体二极管的内部结构就是一个晶体二极管的

8、内部结构就是一个PNPN结。就其结。就其 伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表 示为不同形式的模型：示为不同形式的模型： 适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型 便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学模型数学模型 直流简化电路模型直流简化电路模型 交流小信号电路模型交流小信号电路模型 电路分析时采用的电路分析时采用的 数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式 ) 1e ( T S V V II 理想模型：理想模型： 修正模型：修正模型：) 1e ( T S S nV IrV II r rS S 体电阻 体电阻 + +

9、引线接触电阻引线接触电阻 + + 引线电阻引线电阻 其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子 I I 正常时正常时: : n 1 1 I I 过小或过大时过小或过大时: n: n 2 2 注意：注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表 面漏电流的影响，实际面漏电流的影响，实际I IS S理想理想I IS S。 。 曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线 V(BR) I (mA) V(V) VD(on)-IS 当当V VD(on)时时 二极管二极管导通导通 当当V 0，则管子导通；反之截止。，则管子导通；反之截止。 实际二极管：若实际二极管：若VVD(

10、on)，管子导通；反之截止。，管子导通；反之截止。 当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。 例例2 2：设二极管是理想的，求设二极管是理想的，求VAO值。值。 图图(a)(a)，假设，假设D开路，则开路，则D D两端电压：两端电压： VD=V1V2= 6 12= 18 0V， VD2=V2( (V1) )=15V 0V （两管（两管同时导通会有矛盾）同时导通会有矛盾）由于由于VD2 VD1 ，则，则D2优先导通优先导通 此时此时VD1= 6V 2V时，时，D D导

11、通，则导通，则vO O= =vi vi 2V时，时，D D截止，则截止，则vO O=2V 由此可画出由此可画出vO O的波形。的波形。 + - D V + - + -2V 100R vO O vi t 6 2 0 vi(V) vO O(V) t 0 2 6 vO O(V) 0 2 vi i(V) 2 转移特性转移特性v0vi 小信号分析法小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用 得到的得到的小信号小信号等效电路分析电压或电流的等效电路分析电压或电流的微变量微变量。 分析步骤：分析步骤： 将直流电源短路，画交流通路。将直流电源短路，画

12、交流通路。 用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。 利用小信号等效电路分析电压与电流的利用小信号等效电路分析电压与电流的微变量微变量。 总量总量= =静态工作点静态工作点+ +微变量微变量。 ( )sin( ) d QQsm d r v tVv VVt V Rr 总电压= ( ) sin ( ) ssm dd v tV itA RrRr T d Q () () VmV r ImA 解： 例：如图电路，设 ，且 （小信号），求( )sin( ) ssm v tVt V sm VEvi、。 （1）先求由E（大信号）单独作用时的静态工作点 QQ

13、VI（， ） （2）作出小信号 单独作用时的小信号模型小信号模型。( ) s v t ( )sin ( ) dd ssm dd rr vv tVtV RrRr ( ) sin( ) sm QQ d V i tIiIt A Rr 总电流 i + - R vs(t) (a) v E + - i+ - R vs(t) (c) 小信号模型 u E + - rd （图解法）（图解法） IQ + - R vs(t) (b) 大信号单独作用 VQ E + - 直流稳压电源设备组成框图：直流稳压电源设备组成框图： 电电 源源 变压器变压器 整流整流 电路电路 滤波滤波 电路电路 稳压稳压 电路电路 vivO

14、O t vi t v1 t v2 t v3 t vO O 整流与稳压电路整流与稳压电路 当当u2(t)在正半周时，在正半周时，D导通，导通， uo(t) =u2(t) （1） 单相半波整流电路单相半波整流电路 u2 t 0 U2m uo t 0 U2m 22 ( )2sin utUt V 设设 输出电压输出电压uo的平均值：的平均值： 当当u2(t)在负半周时，在负半周时，D截止，截止， uo(t) =0 u1 u2 RLuo D + - * T * + - + - 原理图原理图 io 2 2 0 1 2sin T o UUtdt T 22 2 0.45UU 可见，效率较低可见，效率较低 io

15、 Uo 当当u2(t)在正半周时，在正半周时，D1,D3导通，导通， D2,D4截止，截止， uo(t)与与 u2(t)正半周波形相同，电流正半周波形相同，电流i0从从bc u2 t 0 U2m io u1 u2 RL uo + - * T *+ - + - 原理图原理图 io - D1 D2 D3 D4 d a b c uo t 0 U2m 当当u2(t)在负半周时，在负半周时， D2,D4 导通，导通， D1,D3截止，截止， 电流电流i0仍从仍从bc ，uo(t)与与 u2(t)负半周波形反相。负半周波形反相。 全波整流全波整流 （2 2）单相桥式整流电路（全波整流）单相桥式整流电路（全

16、波整流） u1 u2 RL uo + - * T *+ - + 简化图简化图 io - 输出电压输出电压uo的直流成分：的直流成分： 022 22 0.9UUU 同理：同理：Io=0.9U2/RL （均为半波整流的（均为半波整流的2倍）倍） 二极管参数要求：二极管参数要求： 2 DM 1 0.45 2 o L U II R 2 2 RM UU （每个二极管只有半周导通）（每个二极管只有半周导通） 1. 符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管 稳压时工作在稳压时工作在反向电击穿反向电击穿状态。状态。 (a)稳压二极管符号

17、稳压二极管符号 DZ (b) 伏安特性伏安特性 UZ UZ U/V 稳压二极管及稳压电路稳压二极管及稳压电路 (1) 稳定电压稳定电压UZ (2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向 工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的 反向工作电压。反向工作电压。 rZ = UZ / IZ (3)(3)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin (4)* 稳定电压温度系数稳定电压温度系数 : 定义为定义为 = UZ / T 2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数 rZ 越小，稳压效果越好越小，稳压效果越好 UZ UZU/

18、V 3. 稳压电路稳压电路 正常稳压时正常稳压时 UO =UZ (1)稳压稳压 原理原理 a. 若若RL不变而不变而Ui改变改变 若若Ui UZ UZU/V + R - IR + - RL IO VOVI IZ DZ UiUo U0 (UZ ) IZ IR UR U0 反之，若反之，若Ui减小，变化过程相反。减小，变化过程相反。 b. 设设Ui不变而不变而RL变化变化 若若RL U0 IZ IR UR U0 反之，若反之，若RL减小，变化过程相反减小，变化过程相反 综上，经稳压后综上，经稳压后U0基本稳定在基本稳定在UZ值值 IZmin IZ IZmax UZ UZU/V + R - IR +

19、 - RL IO VOVI IZ DZ UiUo 不行。不行。R称称为限流电阻为限流电阻，其作用是保，其作用是保 证稳压管可靠地工作在反向击穿区。证稳压管可靠地工作在反向击穿区。 二、限流电阻的选择二、限流电阻的选择 + R - IR + - RL IO VOVI IZ DZ UiUo 要求：要求： 1. 当电压当电压Ui最高、负载电流最小时，最高、负载电流最小时，IZ 将会最大，但将会最大，但 不应超过不应超过Izmax。 2. 当电压当电压Ui最低、负载电流最大时，最低、负载电流最大时，IZ 将会最小，但将会最小，但 不应小于不应小于Izmin。 max 0minmaxm mi 0m n

20、inax iZiZ ZZ UUUU R IIII 例（例（不讲不讲）：如上图，）：如上图，U2=10V，C=100 F，稳压管的稳压值，稳压管的稳压值 UZ=6V， Izmin=6mA， Izmax=40mA,若若:（1）RL在在200600 之间之间 变化；（变化；（2）电网电压波动为）电网电压波动为 10%。试选择限流电阻。试选择限流电阻R值。值。 解：解： 例：例： （1）根据如下方框图画出电路原理图）根据如下方框图画出电路原理图 单相交 流电源 桥式 整流 电容 滤波 并联式 稳压 负载 u1u2 C DZ RL R I0 U0 Ui IZ 因因I0=UZ/RL 故故: I0max=6V/200 =30mA I0min=6V/600 =10mA 例：如上图，例：如上图，U2=10V，C=100 F，稳压管的稳压值，稳压管的稳压值UZ=6V， Izmin=6mA， Izmax=40mA,若若:（1）