二极管与其应用电路

模拟电子技术根底电子教案V20211精选ppt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根底(15h)第4章多级放大电路及模拟集成电路根底(4h)第5章信号运算电路 (5h)第6章负反响放大电路 (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BJTFET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

重点章介绍放大的根本概念分立元件分立元件电路(放大)

构成规律和分析方法核心、基础线索-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精选ppt2半导体二极管及其应用电路2.1PN结的根本知识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根本结构及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特性及其根本应用根本要求：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精选ppt2.1PN结的根本知识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精选ppt2.1.1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结的根本知识1.本征半导体—完全纯洁、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精选ppt2.1.1本征半导体及其导电性2.1PN结的根本知识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精选ppt2.1.2杂质半导体图2.1.3N型半导体的共价键结构2.1PN结的根本知识图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P2.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精选ppt

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:

n=p=1.4×1010/cm31

本征硅的原子浓度:

4.96×1022/cm3

3以上三个浓度根本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3杂质对半导体导电性的影响8精选ppt2.1PN结的根本知识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掺杂N型－5价P型－3价多子－电子多子－空穴空间电荷温度光照本征激发电子空穴复合少子问题1：二极管(PN结)主要特性是？其工程描述方法？9精选ppt2.1.3PN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)扩散与漂移到达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区扩散：空穴电子漂移：电子空穴形成过程可分成4步(动画)内电场1.PN结的形成空间电荷区=>PN结10精选ppt扩散>

漂移

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

是宽最后,多子的扩散和少子的漂移到达动态平衡。否问题？当动态平衡被外电场打破后，会如何？扩散:空穴电子漂移:电子空穴内电场2.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成11精选ppt2.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外电场外电场12精选ppt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精选ppt2.1.4PN结电容图2.1.10扩散电容效应(1)势垒电容CB(2)扩散电容CD2.1PN结的根本知识

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精选ppt2半导体二极管及其应用电路2.1PN结的根本知识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根本结构及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特性及其根本应用根本要求：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精选ppt2.2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精选ppt2.2.1二极管的结构点接触型面接触型平面型17精选ppt2.2.2二极管的伏安特性图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：10A3.PN结方程〔近似〕18精选ppt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

2~2.5mV反向特性曲线向下移动温度

10℃，反向电流

一倍19精选ppt2.2.3二极管的主要参数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Cd5.最高工作频率fM2.2半导体二极管图2.2.3锗二极管2AP15的伏安特性IFVRMVBRIR极限

直流

交流

20精选ppt2半导体二极管及其应用电路2.1PN结的根本知识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根本结构及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特性及其根本应用根本要求：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平安－2个极限参数21精选ppt2.2.4二极管模型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精选ppt(1)二极管电路的分析概述应用电路举例图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流 限幅

初步分析——依据二极管的单向导电性D导通:vO=vI-vDD截止:vO=0D导通:vO=vDD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！vO

0vO

vD右图vO

vD+

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是否平安。23精选ppt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是否平安。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！图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流 限幅

24精选ppt(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iD>IF？ID=0,VD=-10VvD=

？iD=？普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿

VD=-VBR=-40V(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vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mAVD0.7VID0.95mA解25精选ppt(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iD>IF？ID=0,VD=-10VvD=

？iD=？普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿

VD=-VBR=-40V(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-iDR26精选ppt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是否平安。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！图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流 限幅

27精选ppt(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VD<Vth时D截止：Roff=

(开路、断路)28精选ppt(b)等效电路(模型)分析法例2:〔例1(a)〕求VD、ID。〔R=10k〕〔a〕VDD=10V时〔b〕VDD=1V时VDD理想模型恒压模型折线模型理想模型恒压模型折线模型29精选ppt(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iD>IF？ID=0,VD=-10VvD=

？iD=？普通：热击穿－损坏齐纳：电击穿

VD=-VBR=-40V线性

非线性假设D截止〔开路〕求D两端开路电压VD

0.7VD正向导通-VBR<VD

0.7VD反向截止ID=0(开路)VD

-VBRD反向击穿VD=-VBR(恒压)VD=0.7V(恒压降)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=0.93mAVD=0.7V;ID=19.3mA30精选ppt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电路如以下图所示，判断D的状态二极管状态判断1V2.5V+1V_31精选ppt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是否平安。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图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流 限幅

32精选ppt(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-vDD截止:vO=0D导通:vO=vDD截止:vO=vI左图中图vO

0vO

vD右图vO

vD+

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两端开路电压那么:vD=vI当vD0.7VD导通，vO=VD=0.7V当vD<0.7VD截止，vO=vI利用电压传输特性曲线可直观表达电路功能。33精选ppt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是否平安。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！分析均采用大信号模型理想模型恒压降模型图2-3-3(习题2-15,16,17）例2-2-1和图2-3-1整流 限幅

34精选ppt(4)二极管电路的交流分析—小信号例3:伏安特性,求vD、iD。例1:伏安特性,求VD、ID。VI=

10Vvi=

1Vsin

t先静态分析－直流负载线:再动态分析－交流负载线:vD=

VI+vi-iDRVD0.7VID0.95mAiD=ID+DiD

=0.95mA+0.1mAsin

tvD=VD+DvD

0.7V

35精选pptiD=ID+DiDvD=VD+DvD

VI=

10V，vi=

1Vsin

tVD0.7VID0.95mA静态分析ui=0动态分析VI=0叠加原理例3:伏安特性,求vD、iD。(4)二极管电路的交流分析—小信号36精选ppt小信号模型(4)二极管电路的交流分析—小信号

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:微变电阻根据得Q点处的微变电导常温下〔T=300K〕37精选pptVI=

10V，vi=

1Vsin

t例3:伏安特性,求vD、iD。iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsin

tvD=VD+DvD

0.7V

静态分析vi=0叠加原理动态分析VI=0小信号模型(小信号等效电路)(4)二极管电路的交流分析—小信号38精选ppt例4:(小信号分析)例3中求

vD、

iD。VI=

10V，vi=

1Vsin

t解题步骤:(1)静态分析(令vi=0〕由恒压降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)动态分析(令VI=0〕由小信号模型得(4)二极管电路的交流分析—小信号39精选ppt二极管电路分析的讲课思路：先静态〔直流〕，采用大信号模型(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是否平安。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！分析均采用大信号模型后动态〔交流〕：采用小信号模型理想模型恒压降模型40精选ppt

分析方法小结假设D截止〔开路〕求D两端开路电压VD

0.7VD正向导通-VBR<VD

0.7VD反向截止ID=0(开路)VD

-VBRD反向击穿VD=-VBR(恒压)VD=0.7V(恒压降)状态等效电路条件将不同状态的等效电路〔模型〕带入原电路中，分析vI和vO的关系画出电压波形和电压传输特性特殊情况：求vD〔波动〕小信号模型和叠加原理恒压降模型41精选ppt2半导体二极管及其应用电路2.1PN结的根本知识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根本结构及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特性及其根本应用根本要求：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平安－2个极限参数

大信号－恒压降模型42精选ppt2.3二极管应用电路2.3.1整流电路2.3.2限幅电路2.3.3钳位电路例2.4.2〔习题2.4.12〕习题2.4.5整流 限幅习题2.4.6钳位43精选ppt2.3.1整流电路2.3二极管应用电路〔a〕电路图〔b〕vI和vO的波形半波整流全波整流桥式整流电路(习题13和第11章)理想二极管恒压降模型信号处理－绝对值44精选ppt2.3.2限幅电路2.3二极管应用电路vi＞VB时等效电路vi＜VB时等效电路双向限幅见习题17、19和20理想二极管D导通，vO=VBD截止，vO=vI恒压降模型45精选ppt二极管与门2.3二极管应用电路康习题3.4.5习题2-8二极管或门46精选ppt2.3.3钳位电路

图2.3.5二极管钳位电路2.3二极管应用电路KVL:vO=vD=vI

vC设电容初值vC=0那么vI>0时D导通，C充电

vI<0时D截止，C没有放电回路47精选ppt2半导体二极管及其应用电路2.1PN结的根本知识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根本结构及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特性及其根本应用根本要求：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