模电二极管及其基本电路PPT学习教案

1、会计学1 模电二极管及其基本电路模电二极管及其基本电路 2 1.1.1 半导体的基础知识 第1页/共54页 3 若二极管管脚调换位置, 如 图 (b)所示, 闭合开关S, 灯泡 不发光。 由以上演示结果可知: 二极管具有单向导 电性。 第2页/共54页 4 1. 半导体的特性半导体的特性 自然界中的各种物质自然界中的各种物质,按导电能力划分为按导电能力划分为:导体、绝缘体导体、绝缘体 、半导体。、半导体。 (1)半导体导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、半导体导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、 砷化镓和一些硫化物、氧化物等。砷化镓和一些硫化物、氧化物等。 (2)当受外界热和光的作用时

2、，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。 称热敏特性和光敏特性。称热敏特性和光敏特性。 (3)往纯净的半导体中掺入某些杂质往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素其它化学元素)，会，会 使它的导电能力明显改变。使它的导电能力明显改变。 半导体为什么有此性质呢？半导体为什么有此性质呢？ 第3页/共54页 5 sisi 硅原子硅原子 (14)(14) Ge 锗原子锗原子(32)(32) Ge 2. 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素。价元素。 最外层原子轨道上具有最外层原子轨道上具有4个电

3、子个电子,称为价电子。每个原称为价电子。每个原 子的子的4个价电子不仅受自身原子核的束缚个价电子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周而且还与周 围相邻的围相邻的4个原子发生联系个原子发生联系,这些价电子一方面围绕自这些价电子一方面围绕自 身的原子核运动身的原子核运动,另一方面也时常出现在相邻原子所属另一方面也时常出现在相邻原子所属 的轨道上。的轨道上。 第4页/共54页 6 1.形成共价键结构，导电形成共价键结构，导电 能力较弱能力较弱,接近绝缘体。接近绝缘体。 2.光照或受热时，光照或受热时， 可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。 + 4 + 4 + 4 + 4

4、 自由电子自由电子 空穴空穴 这样这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称称 为共价键结构。如图为共价键结构。如图1.2所示。所示。 激发价电子成为自由电子，激发价电子成为自由电子， 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发或或 热激发热激发。 第5页/共54页 7 光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为 本征激发本征激发或或热激发热激发。 可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。 自由电子自由电子带负电的粒子带负电的粒子 空穴空穴带正电的粒子带正电的粒子 自由电子、空穴统称

5、为载流子。自由电子、空穴统称为载流子。 3. 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半 导体的导电性能发生显著变化。导体的导电性能发生显著变化。 为何呢？为何呢？ 1、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑或锑)。 第6页/共54页 8 +4+4 +5+4 多余电子多余电子 自由电子自由电子 施主原子施主原子 硅原子硅原子 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图 。 可见：可

6、见： a) N 型半导体中自由电子很型半导体中自由电子很 多多(多数载流子多数载流子)，空穴很少，空穴很少( 少数载流子少数载流子) ； b) 导电性能显著增加。导电性能显著增加。 不能移动的正离子不能移动的正离子 第7页/共54页 9 2、P 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼(或铟或铟)。 +4+4 +3+4 空穴空穴 受主原子受主原子 整块整块P 型半导体示意图型半导体示意图 。 硅原子硅原子 可见：可见： a) P 型半导体中自由电子很少型半导体中自由电子很少 (少少子子)，空穴很多，空穴很多(多子多子)； b) 导电性能显著

7、增加。导电性能显著增加。 不能移动的负离子不能移动的负离子 第8页/共54页 10 第9页/共54页 11 综述与问题综述与问题 N 型半导体特点型半导体特点: 自由电子很多自由电子很多,空穴很少；空穴很少； 整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图: + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + P 型半导体特点型半导体特点: 自由电子很少自由电子很少,空穴很多；空穴很多； 整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图: 若将上述二者结合在一起，会如何？若将上述二者结合在一起，会如何？ 第10页/共54页 12 1.1.2 PN结的形成及单向导电

8、特性结的形成及单向导电特性 一一. PN 结的形成结的形成 第11页/共54页 13 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内电场内电场 空间电荷区空间电荷区 耗尽层、势垒区耗尽层、势垒区 空间电荷区稳定空间电荷区稳定 后形成后形成PN 结结 P区中的多子空穴扩散到区中的多子空穴扩散到N区，与区，与N区的自由电子复合而消失区的自由电子复合而消失 N区中的多子自由电子扩散到区中的多子自由电子扩散到P区，与区，与P区的空穴复合而消失区的空穴复合而消失 第12页/共54页 14 PN结结 变薄变薄 二二

9、. PN 结的单向导电性结的单向导电性 1. PN 结正向偏置结正向偏置(加正向电压加正向电压)P 区加正区加正, N 区加负电压区加负电压 内电场内电场 外电场外电场 + _ RE + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + I 当内外电场相互抵消时当内外电场相互抵消时,PN相当于短接相当于短接:正向电流正向电流IE/ /R 内电场被削弱，扩散内电场被削弱，扩散 运动加强形成较大的运动加强形成较大的 电流。电流。 第13页/共54页 15 2、PN 结反向偏置结反向偏置(加反向电压加反向电压) P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。

10、 内电场内电场 外电场外电场 PN结变厚结变厚 I0 内外电场相互加强内外电场相互加强,PN相当于断开相当于断开: 反向电流反向电流I0 - + RE + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内电场被加强，扩散受抑内电场被加强，扩散受抑 制。漂移加强，形成较小制。漂移加强，形成较小 的反向漂移电流的反向漂移电流0。 呈呈 现高电阻，现高电阻， PN结截止。结截止。 第14页/共54页 16 第15页/共54页 17 1.2 半导体二极管半导体二极管 一、基本结构一、基本结构 PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就

11、成为半导体二极管。 二极管结构二极管结构两层半导体，一个两层半导体，一个PN结。结。 二、图形符号二、图形符号 PN 阴极阴极阳极阳极 D 第16页/共54页 18 三、伏安特性三、伏安特性 死区电压死区电压: 硅管硅管0.5V, 锗管锗管0.1V 。 导通压降导通压降: : 硅管硅管0.7V, 锗管锗管0.3V。 反向击穿反向击穿 电压电压VBR 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ；导通正向压降；导通正向压降=0； 反向饱和电流反向饱和电流=0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。 反向饱和电流反向饱和电流IS IS0 vD iD +vD- - E iD V RmA +vD- - E

12、 iD V RmA 击穿使二极击穿使二极 管永久损坏管永久损坏 第17页/共54页 19 )1(e T S V v D D Ii 其中其中iD、 vD 的关系为：的关系为： vD PN结两端的电压降结两端的电压降 iD流过流过PN结的电流结的电流 IS 为反向饱和电流为反向饱和电流 VT = =kT/ /q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量 其中其中k为玻耳兹曼常数：为玻耳兹曼常数：1.3810 23 J/ /K q 为电子电荷量为电子电荷量1.610 9 C T 为热力学温度为热力学温度,单位为单位为K 对于常温对于常温(相当相当T=300 K)时：则有时：则有VT=0.026V 第18

13、页/共54页 20 四、四、PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流结的反向电压增加到一定数值时，反向电流 突然快速增加，此现象称为突然快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。 1、热击穿、热击穿 热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时， 反向电流急剧增大，二极管的结电阻为反向电流急剧增大，二极管的结电阻为0 ，失去单向导失去单向导 电性，电性，永久损坏二极管，并很容易烧坏永久损坏二极管，并很容易烧坏PN结。结。 一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此 在实

14、际使用中应避免热击穿。在实际使用中应避免热击穿。 2、电击穿、电击穿 电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向 电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率 ，电流，电流 不超过最大值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后不超过最大值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后 ，二极管仍可恢复原来的工作状态。，二极管仍可恢复原来的工作状态。 稳压二极管稳压二极管(齐纳齐纳二极管二极管)击穿时一般为电击穿。击穿时一般为电击穿。 第19页/共54页 21 RD 0 UD = 0.7V(硅管硅管) 0.3V(锗管锗管) 0(E较大时

15、较大时) 相当于短接相当于短接 称为导通称为导通 E 0.5V(硅管硅管)、 0.2V(锗管锗管)时：时： I 0，处在死区，处在死区,尚未导通。实际中这种情况要避免尚未导通。实际中这种情况要避免 。 E 0.7V(硅管硅管)、 0.3V(锗管锗管)时：时： R UE I D E R D I RD UD 五、五、二极管特点总结二极管特点总结 1、当二极管上加正向电压时：、当二极管上加正向电压时： (即即PN结正向偏置结正向偏置) 第20页/共54页 22 2、当二极管上加反向电压时、当二极管上加反向电压时 (即即PN结反向偏置结反向偏置) PN结或二极管具有结或二极管具有 单向导电性单向导电性

16、 E 击穿电压时：击穿电压时： RD , I 0 UD E 二极管相当于断开，称为截止。二极管相当于断开，称为截止。 E 击穿电压时：击穿电压时： RD 0， UD 0 R E I 二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。 E R D RD UD I 第21页/共54页 23 RL uiuo ui uo t t 二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压 uo 的波形。的波形。 例例1 第22页/共54页 24 六、六、PN结的电容效应结的电容效应 1、势垒电容、势垒电容CB 当当PN结外加反向电压发生变化时，耗尽层

17、结外加反向电压发生变化时，耗尽层(PN结结) 的宽度要相应地随之改变，即的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要结中存储的电荷量要 随之变化，就像电容充放电一样。随之变化，就像电容充放电一样。 空空间间电电荷荷区区 W + + + R + E + + P N CB大小大小式式3.2.6 第23页/共54页 25 2、扩散电容、扩散电容CD 当当PN结外加正向电压不同时，结外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的少子结两侧堆积的少子 的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过 程程。 + 耗尽层耗尽层 N区区P区区 CD大小大小式式3.2.4

18、 二极管的极间电容二极管的极间电容(结电容结电容) CdCB + CD 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。 第24页/共54页 26 第25页/共54页 27 6.半导体二极管、三极管的型号半导体二极管、三极管的型号(国家标准国家标准) 2AP9 用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。 代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。 代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型 Si， D为为P型型Si。 2代表二极管，代表二极管，3

19、代表三极管。代表三极管。 用字母表示材料用字母表示材料, , A锗锗PNP管、管、B锗锗NPN管、管、C硅硅 PNP管、管、D硅硅NPN管管 用字母表示器件的种类用字母表示器件的种类, , X低频小功率管、低频小功率管、D低频大低频大 功率管、功率管、G高频小功率管、高频小功率管、A高频大功率管、高频大功率管、K开关管开关管 用数字表示同种器件型号的序号用数字表示同种器件型号的序号 用字母表示同一型号中的不同规格用字母表示同一型号中的不同规格 三极管三极管 3DG110B 第26页/共54页 28 第27页/共54页 29 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 一、

20、模型法一、模型法 1、理想模型、理想模型(理想二极管理想二极管) 理想模型将二极管看成：理想模型将二极管看成： 死区电压死区电压=0 ；导通正向压降；导通正向压降=0； 反向饱和电流反向饱和电流=0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。 理想二极管模型理想二极管模型 u i US0 US 0 + u - - + US - - i R + u - - i R + US - - + u - - i R + US - - i=US/ /Ri=0伏安特性伏安特性 第28页/共54页 30 i u D U U D为二极管的导通压降。硅管为二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。 2、恒压降模

21、型、恒压降模型(实际二极管实际二极管) 恒压降模型将二极管看成：恒压降模型将二极管看成： 导通正向压降硅管导通正向压降硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V ； 反向饱和电流反向饱和电流0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。 恒压降模型恒压降模型 USUD USUD + u - - + US - - i R + u - - i R + US - - uD i R + US - - i=(US- -U D)/ /Ri=0 伏安特性伏安特性 第29页/共54页 31 i u Uth Uth为二极管的死区压降：硅管为二极管的死区压降：硅管 0.5V；锗管；锗管 0.1V。 rD为二极管的动态电阻，约为为

22、二极管的动态电阻，约为200 。 3、折线模型、折线模型 折线降模型将二极管看成：折线降模型将二极管看成： 反向饱和电流反向饱和电流0 ；反向击穿电压；反向击穿电压=。 折线模型折线模型 斜率为斜率为1/ /rD USUthUSUth + u - - + US - - i R + u - - i R + US - - Uth i R + US - - rD + u - - 第30页/共54页 32 US为恒定电压；为恒定电压； ui为动态小信号电压。设：为动态小信号电压。设：ui Um sin t 若电路工作在线性段，则根据叠加定理，电路可若电路工作在线性段，则根据叠加定理，电路可 等效为：等

23、效为： 4、小信号模型、小信号模型 所谓小信号模型如图示：所谓小信号模型如图示： + UD - - US ID R + ud- - id R + ui- - rd + u - - US i R + ui- - 用前面学过用前面学过 的方法求的方法求 )mA( )mV(26 D I rd + u - - US i R + ui- - 第31页/共54页 33 US为恒定电压；为恒定电压； ui为动态小信号电压。为动态小信号电压。ui Um sin t 显然，二极管上的电压电流关系，即负载线方程为：显然，二极管上的电压电流关系，即负载线方程为： 证明：证明： + u - - US i R + ui

24、- - i u R uuU i iS 当当ui0时时称为称为静态静态，此时负载线称为，此时负载线称为直流负载线直流负载线 ，它与伏安特性的交点，它与伏安特性的交点Q(UD, ID)称为静态工作点称为静态工作点。 R uU R u iS 当当ui0时时称为称为动态动态，此时负，此时负 载线称为载线称为交流负载线交流负载线，它随，它随ui 的的 变化而移动，它与伏安特性的交变化而移动，它与伏安特性的交 点在点在Q和和Q之间移动。之间移动。 US US/ /R R Q Q Q US+Um US- -Um 第32页/共54页 34 此时工作点的变化范围很小，且在此时工作点的变化范围很小，且在Q点附近，

25、即在点附近，即在 伏安特性的线性段移动，故对小输入信号伏安特性的线性段移动，故对小输入信号ui而言，二而言，二 极管相当于一个电阻极管相当于一个电阻rd，大小可由下列方法求得：，大小可由下列方法求得： i u Q i u Q d d u i g r 1 Q du di )1(e T S U u Ii TT ee T S T S U U Q U u Q D U I U I du di )1(e T S U U D D II T e S U UD I T D U I 所以：所以： 即：即： D T 1 I U g r d d )mA( )mV(26 D I 第33页/共54页 35 二、图解分析法

26、二、图解分析法 前提条件：已知二极管的前提条件：已知二极管的V-I曲线。曲线。 例例1 已知二极管的已知二极管的V-I曲线及其各元件参数曲线及其各元件参数, 求求uD、iD i u + uD - - UDD iD R 解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：解：由电路得二极管两端电压电流的关系为： uDUDDiDR 在在V-I曲线图上作此直线方程，通过两曲线的交点曲线图上作此直线方程，通过两曲线的交点 即可求出即可求出uD、iD 。 UDD R UDD iD uD 负载线负载线 第34页/共54页 36 )1(e T S U u D D Ii 三、迭代法三、迭代法 前提条件：已知二极管的前提条

27、件：已知二极管的V-I曲线的数学模型。曲线的数学模型。 例例2 已知二极管的已知二极管的V-I曲线方程为：曲线方程为： + uD - - UDD iD R 解：由电路得二极管两端电压电流的关系为：解：由电路得二极管两端电压电流的关系为： uDUDDiDR 联立两个方程求解即可。联立两个方程求解即可。 求图示电路求图示电路uD、iD 的大小。的大小。 第35页/共54页 恒压源模型恒压源模型 mA3 . 9 K1 V)7 . 010( I 测量值：测量值： 9.32 mA 相对误差：相对误差： 0 0 2 . 0 32. 9 9.332. 9 理想二极管模型理想二极管模型 mA10 K1 V10

28、 I 相对误差：相对误差： 0 0 7 32. 9 32. 910 I R + E 10V - - 1k 0.7V I R 1k + E 10V - - I R 1k + E 10V - - 例例3 求图示二极管上的电流求图示二极管上的电流 I 。 第36页/共54页 二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V， 输入信号为输入信号为ui。 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型的直流信号，分别采用理想二极管模型 、恒压源模型计算电流、恒压源模型计算电流I 和输出电压和输出电压 uo 解解：(1)采用理想模型分析。采用理想模型分析。 (2)采用恒

29、压源模型模型分析。采用恒压源模型模型分析。 mA2 k1 2VV4 REFi R Uu I mA3 . 1 k1 V7 . 02VV4 DREFi R UUu I 例例4 UREF I + ui - - R + uo - - uo = UREF=2V uo=UD+UREF=0.7+2=2.7V 第37页/共54页 如果如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图的交流三角波，波形如图(b)所示。所示。 分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相 应的输出电压波形。应的输出电压波形。 解：解：(1)采用理想二极管模采用理想二极管模 型分

30、析。波形如图所示。型分析。波形如图所示。 0 -4V 4V ui t 2V 2V uo t 例例5 UREF I + ui - - R + uo - - 第38页/共54页 0 2.7V uo t 0 -4V 4V ui t 2.7V (2)采用恒压源模型分析，波形如图所示。采用恒压源模型分析，波形如图所示。 UREF I + ui - - R + uo - - 第39页/共54页 41 D 6V 12V 3k B A UAB + 例例6 第40页/共54页 42 B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 例例7 第41页/共54页 43 ui18sin t V， t 例例8 第42

31、页/共54页 44 DZ 2、伏安特性、伏安特性 3.5 特殊二极管特殊二极管 一、齐纳二极管一、齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管) 稳压管结构：稳压管结构： 两层硅半导体，一个两层硅半导体，一个PN结结 u i IZmax UZ IZ UZ IZ 稳压管反向击穿时稳压管反向击穿时, 只要只要IZIZmax , 就不会永久击穿。就不会永久击穿。 稳定稳定 电压电压 斜率很大：斜率很大： 1/ /rZ= I/ / U 1、图形符号、图形符号 稳压管正向使稳压管正向使 用时与普通硅用时与普通硅 二极管相同。二极管相同。 死区电压死区电压: 0.5V 导通压降导通压降: : 0.7V 第43页/共5

32、4页 45 3、工作原理、工作原理 (1)当稳压管正向偏置时当稳压管正向偏置时 E R DZ I UD RD E 0.5V时：时： I 0，处在死区。稳压管尚未导通。，处在死区。稳压管尚未导通。 E 0.7V时：时： 稳压管电阻：稳压管电阻： RD 0 稳压管电压稳定在稳压管电压稳定在: UD= 0.7V 稳压管相当于短接稳压管相当于短接,称为导通称为导通 图中电流：图中电流： R UE I D 第44页/共54页 46 (2)当稳压管反向偏置时当稳压管反向偏置时 E R DZ UZ IZ RD 稳压作用稳压作用 R UE I Z Z 当当EUZ时：时： 稳压管电阻：稳压管电阻：RD 图中电流：图中电流：