第2章半导体二极管及其基本电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,模拟电子技术,电子技术基础精品课程,单击编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,第二章 二极管及其基本电路,信息工程学院,电子技术基础课程组,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2,半导体二极管及其基本电路,本章主要内容,引言,2.1,半导体基本知识,2.2 PN,结的形成及特性,2.3,半导体二极管,2.4,二极管基本电路,2.5,特殊二极管,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.1,半导体基本知识,回顾上节主要内容,2.1.1,半导体材料,2.1.2,半导体的共价键结构,2.1.3,本征半导体,2.1.4,杂质半导体,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,PN,结的单向导电性,PN,结,加上正向电压,或,正向偏置,的意思都是：,P,区加正、,N,区加负电压。,PN,结加正向电压,导通,PN,结,加上反向电压,或,反向偏置,的意思都是：,P,区加负、,N,区加正电压。,PN,结加反向电压,截止,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.3,半导体二极管,将,PN,结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管，简称,二极管,P,N,P,N,阳极,阴极,小功率二极管,大功率二极管,稳压,二极管,发光,二极管,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.3,半导体二极管,半导体二极管的类型,按半导体材料分,：,有硅二极管、锗二极管等。,按,PN,结结构分,：,按用途分,：,有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,点接触型,：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型,：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型,：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.3,二极管的伏安特性,与,PN,结一样，二极管具有单向导电性,反向击穿电压,V,(BR),50,I,/mA,V/V,0.2,0.4,25,5,10,15,0,硅管,的伏安特性,锗管,的伏安特性,开启电压,导通电压,反向饱和电流,硅,Si,0.5V,0.50.8V,1,A,以下,锗,Ge,0.1V,0.10.3V,几十,A,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,温度对二极管伏安特性的影响,伏安特性受温度影响,T,（）在电流不变情况下管压降,u,反向饱和电流,I,S,，,U,(BR),T,（）正向特性左移,，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大,1,倍,/10,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,二极管主要参数,最大整流电流,I,F,二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。,其值与,PN,结面积以及外部散热条件有关。,2.,反向击穿电压,V,BR,和,最高反向工作电压,V,RM,V,BR,二极管反向击穿时的电压值。,V,RM,是指二极管工作时允许外加的最大反向电压。,3.,反向电流,I,R,二极管未被击穿时的反向电流，即,Is,。,其值愈小，二极管的单向导电性愈好，但其对温度非常敏感。,4.,最高工作频率,f,M,二极管工作的上限截止频率。,结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。超过此值时，由于结电容的作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,例、电路如图所示，已知二极管的,V,-,I,特性曲线、电源,V,DD,和电阻,R,，求二极管两端电压,v,D,和流过二极管的电流,i,D,。,解：由电路的,KVL,方程，可得,即,是一条斜率为,-1/,R,的直线，称为,负载线,Q,的坐标值（,V,D,，,I,D,）即为所求。,Q,点称为电路的,工作点,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,理想模型,恒压降模型,折线模型,（,a,）,V-I,特性 （,b,）代表符号,理想,二极管,近似分析中最常用,导通时,i,与,u,成线性关系,二极管等效模型,能模拟二极管特性的电路称为二极管的,等效电路,应根据不同的情况选择不同的等效电路：,(1),在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用理想模型来近似分析是可行的。,（,2,）当二极管的电流近似等于或大于,1mA,时恒压降模型才是正确的。,模型分析法应用举例,理想模型,（,R,=10k,）求,V,D,和,I,D,当,V,DD,=10V,时，,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,（,a,）简单二极管电路 （,b,）习惯画法,小信号模型,即,常温下（,T,=300K,）,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是,微变等效电路。,静态电流,Q,越高，,r,d,越小。,v,s,=0,时,Q,点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。,思考：为什么万用表不同欧姆档测二极管的阻值不同？,模型分析法应用举例,小信号工作情况分析,图示电路中，,V,DD,=5V,，,R,=5k,，恒压降模型的,V,D,=0.7V,，,v,s,=0.1sin,w,t,V,。（,1,）求输出电压,v,O,的交流量和总量；（,2,）绘出,v,O,的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.4,二极管基本电路,二极管应用电路,整流电路,限幅电路,低压稳压电路,开关电路,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.4,二极管基本电路,整流电路,利用二极管的单向导电性把交流电转换成单向脉动的直流电的过程称为,整流,。,半波整流电路,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.4,二极管基本电路,限幅电路,下图所示电路是一种简单的双向限幅电路，,R,为限流电阻。,限幅电路,限流电阻,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.4,二极管基本电路,低压稳压电路,利用二极管正向导通时的恒压特性可以用作某些电路的低压稳压电路，如下图所示。设,D1,、,D2,为硅二极管，合理选取电路参数，可以获得,Vo,2V,D,1.4v,（,V,D,0.7v,）的输出电压。,限幅电路,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.4,二极管基本电路,开关电路,分析这种电路时，应当掌握一条基本原则，即判断电路中的二极管是处于导通或截止状态,.,先将二级管断开，然后分析正、负两极间是正电压还是负电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.4,二极管基本电路,开关电路,v,i1,v,i2,二极管工作状态,v,o,D1,D2,开关电路,0V 0V,导通,导通,0V,0V 5V,导通,截止,0V,5V 0V,5V 5V,截止,导通,0V,截止,截止,5V,举 例,电路如图所示，求,AO,的电压值,解：,先断开,D,，以,O,为基准电位，,即,O,点为,0V,。,则接,D,阳极的电位为,-6V,，接阴极的电位为,-12V,。,阳极电位高于阴极电位，,D,接入时正向导通。,导通后，,D,的压降等于零，即,A,点的电位就是,D,阳极的电位。,所以，,AO,的电压值为,-6V,。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.5,特殊二极管,稳压二极管,发光二极管,光电二极管,变容二极管,肖特基二极管,2.5特殊二极管,稳压二极管,1.,伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个,PN,结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,2.,主要参数,稳定电压,U,Z,、稳定电流,I,Z,最大功耗,P,ZM,I,ZM,U,Z,动态电阻,r,z,U,Z,/,I,Z,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,斜率？,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.5,特殊二极管,发光二极管（,light-emitting diode,）,发光二极管（,LED,）,由镓（,Ga,）与砷（,AS,）、磷（,P,）的化合物制成，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，,包括可见光、不可见光、激光等不同类型。,发光二极管外形及符号,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,发光二极管,发光二极管参数,普通发光二极管的正向饱和压降为,1.6V2.1V,，正向工作电流为,520mA,。,超亮发光二极管有三种颜色，然而三种发光二极管的压降都不相同。正常发光时的额定电流均为,20mA,。,红色的压降为,2.02.2V,黄色的压降为,1.82.0V,绿色的压降为,3.03.2V,。,白色发光二极管的正向电压降约为,3.5,左右，需要正向工作电流左右时，才能使其正常发光。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,发光二极管,-,思考,1.,发光二极管直接与,5V,电压源相连，会发生什么现象？,2.,请测试红、黄、绿、蓝、白光发光二极管的正向导通电压；画出测试电路，并设计测试表格，记录测试数据并分析。,3.,将两种不同颜色发光二极管并接后接入驱动电路，会发生什么现象？,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.5,特殊二极管,光电二极管,光电二极管是一种光敏器件，通常用硅材料制成，工作在反向工作状态,光电二极管符号及伏安特性,光电流随光照增强而增大,可用于遥控、报警、微型光电池和光电传感器中。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.5,特殊二极管,变容二极管,变容二极管符号及压控特性,结电容（势垒电容）随反向偏压的增加而减小,在高频中应用广泛,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,2.5,特殊二极管,肖特基二极管（,SBD,）,/,金属半导体二极管,/,表面势垒二极管,变容二极管符号及压控特性,多子导电，无少子的积累和消散，故电容效应小工作速度快；,耗尽区只在,N,侧，开启电压和正向压降比,PN,结二极管小。,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,半导体二极管及其基本电路,基本知识,PN,结,半导体二极管,特殊二极管,PN,结的形成,单向导电性,伏安特性,电容特性,分类,伏安特性,主要参数,等效电路,电子技术基础精品课程,模拟电子技术基础,第二章 半导体二极管及其基本电路,作业：,P33 4,，,7,，,10,，,11,发光二极管,普通发光二极管的检测,用,万用表,检测。利用具有,10k,挡的指针式万用表可以大致判断发光二极管的好坏。正常时，二极管正向电阻阻值为几十至,200k,反向电阻的值为。如果正向电阻值为,0,或为，反向电阻值很小或为,0,，则易损坏。这种检测方法，不能实地看到发光管的发光情况，因为,10k,挡不能向,LED,提供较大正向电流。,如果有两块指针万用表（最好同型号）可以较好地检查发光二极管的发光情况。用一根,导线,将其中一块万用表的“,+”,接线柱,与另一块表的“,-”,接线柱连接。余下的“,-”,笔接被测发光管的正极（,P,区），余下的“,+”,笔接被测发光管的负极（,N,区）。两块万用表均置,10,挡。正常情况下，接通后就能正常发光。若亮度很低，甚至不发光，可将两块万用表均拨至,1,若，若仍很暗，甚至不发光，则说明该发光二极管性能不良或损坏。应注意，不能一开始测量就将两块万用表置于,1,，以免电流过大，损坏发光二极管。,外接,电源,测量。用,3V,稳压源或两节串联的干,电池,及万用表（指针式或数字式皆可）可以较准确测量发光二极管的光、电特性。,