模电第1讲二极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,1.1,半导体基础知识,1.2,二极管及其特性,1.3,二极管基本应用电路及其分析方法,1.4,特殊二极管,1.1,半导体基础知识,1.1.1,本征半导体,1.1.2,杂质半导体,1.1.3 PN,结,1.1.1,本征半导体,一、何谓半导体和本征半导体,半导体,导电能力介于导体和绝缘体之间的物质,常用：硅,Si,、锗,Ge,、砷化镓,GaAs,本征半导体,纯净的单晶半导体,二、本征半导体的结构和导电机理,表示四价元素原子核和,内层电子所具有的净电荷,硅,(,锗,),的原子结构模型,硅,(,锗,),的晶格结构示意图,二、本征半导体的结构和导电机理,?,共价键,?,本征激发，成对产生自,由电子和空穴,?,有两种载流子导电：空,穴带正电，电子带负电,?,复合,?,动态平衡,?,温度一定时，自由电子,-,空穴对的浓度一定。温,度升高或受光照时，载,流子浓度增大,?,常温下导电性能差,硅,(,锗,),的晶格结构示意图,1.1.2,杂质半导体,掺杂后的半导体称为杂质半导体,其导电能力大大增强，导电性能得到改善。,掺入,五价,杂质元素（如磷、砷、锑）,?,N,型半导体,掺入,三价,杂质元素（如硼、铝、铟）,?,P,型半导体,一、,N,型半导体的结构及导电机理,晶格结构,?,电结构,?,多子：自由电子；少子：空穴。,整个半导体呈电中性。,?,杂质正离子不是载流子。,二、,P,型半导体的结构及导电机理,晶格结构,?,电结构,?,多子：空穴；少子：自由电子。,整个半导体呈电中性。杂质负离子不是载流子。,三、杂质半导体的导电性能小结,导电性能主要取决于多子浓度。,多子浓度主要由掺杂浓度决定，其值较大且稳定，,故杂质半导体导电性能得到显著改善。,少子对杂质半导体导电性能也有影响，,少子由本征,激发产生，其大小随温度升高和光照而增大，故半导体,器件对温度、光照敏感，在应用中要注意温度、光照对,半导体器件及其电路性能的影响。,1.1.3 PN,结,一、何谓,PN,结,PN,结,1.1.3 PN,结及其单向导电性,一、何谓,PN,结,二、,PN,结的形成,扩散运动,空间电荷区,载流子的扩散运动,内电场,内电场阻碍扩散运动,促进漂移运动,达到动态平衡，形成,PN,结,空间电荷区及其内电场,二、,PN,结的形成,续,?,动态平衡时：扩散电流,等于漂移电流，流过,PN,结的总电流为零。空间,电荷区宽度一定，内电,场强度一定。,?,接触电位差（或内建电,位差）的大小与半导体,材料、掺杂浓度和温度,有关。,动态平衡时的,PN,结中的,载流子运动及电流,三、,PN,结的单向导电性,加在,PN,结上的电压称为偏置电压。,若,P,区端电位高于,N,区端电位，则称,PN,结外接正向,电压或正向偏置，简称正偏。,反之，若,P,区端电位高于,N,区端电位，则称,PN,结外,接反向电压或反向偏置，简称反偏。,PN,结正偏时导通，呈现很小的结电阻，产生较大,的正向电流；反偏时截止，呈现很大的结电阻，反向电,流近似为零。,这种单方向导通特性称为单向导电性。,PN,结为何具有单向导电性？,请留意,正、反偏的接法,正偏时导通,正向电流,I,F,?,I,扩散,大,反偏时截止,反向饱和电流,I,R,=,I,少子漂移,很小,?,0,四、,PN,结伏安特性表达式,i,?,I,(e,u,/,U,T,?,1,),S,i,P,P,区,u,_,N,式中,I,S,反向饱和电流,U,T,温度电压当量,热力学温度,/,绝对温度,U,kT,玻尔兹曼常数,T,?,q,电子电荷量,常温下（,T,=300K,）,:,U,T,= 26mV,五、,PN,结的反向击穿特性,当加于,PN,结两端的反向电压增大到一定值时，,PN,结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，,这种现象称为反向击穿。,电击穿：,PN,结未损坏，可逆。,热击穿：,PN,结烧毁，不可逆。,自学：知识拓展,1.1,复习要点,主要要求：,1.,了解本征半导体和杂质半导体的导电机理，掌握重要,概念，理解半导体器件的性能受温度影响的原因。,2.,理解,PN,结的工作原理，掌握,PN,结的单向导电性。,重点：,自由电子与空穴、载流子、,N,型和,P,型半导体、多,子与少子、扩散运动与漂移运动、扩散电流与漂,移电流、,PN,结、,PN,结的正偏与反偏、,PN,结的单,向导电性、反向击穿等概念。,1.2,二极管及其特性,1.2.1,1.2.2,1.2.3,二极管的结构与类型,二极管的伏安特性,二极管的主要参数,1.2.1,二极管的结构与类型,点接触型,适用高频、小电流,面接触型,适用低频、大电流,平面型,主要用于集成电路,常见的普通二极管外形,1.2.2,二极管的伏安特性,一、伏安方程,i,D,?,I,S,(e,u,D,/,U,T,?,1,),式中,I,S,反向饱和电流,U,T,温度电压当量,T,=300K,）,:,U,T,= 26mV,i,D,u,D,_,常温下（,二、伏安特性曲线,?,死区电压,U,th,?,导通电压,U,D(on),?,反偏截止,?,反向击穿，,反向击穿电压,U,(BR),可见：,?,具有单向导电性，在电路中可,用作开关。,?,导通后具有恒压特性。,?,应避免工作于反向击穿区。,*,讨论：硅管和锗管的伏安特性有何异同？,?,硅管死区电压较大，反向电流很小，反向工作电压较高，允,许的最高结温高。实用中多用硅管。,?,导通,U,D(on),?,0.7 V,硅管,?,死区电压,U,th,= 0.5 V,(,硅管,),电压,0.2 V,锗管,又称门坎电压,0.1 V,(,锗管,),三、温度对二极管特性的影响,温度升高时，正向导通压降减小，反向电流增大。,?,?,在室温附近，温度每升高,1,?,C,，正向导通压降约减小,2 2.5mV,。,温度每升高,10,?,C,，反向电,流约增大一倍。,1.2.3,二极管的主要参数,(1),最大整流电流,I,F,指二极管长期运行允许通过的,最大正向平均,电流。,(2),反向击穿电压,U,BR,和,最大反向工作电压,U,RM,U,RM,指允许施加在二极管两端的最大反向电压。,U,BR,/ 2,1.2.3,二极管的主要参数,(1),最大整流电流,I,F,(2),反向击穿电压,U,BR,和,最大反向工作电压,U,RM,(3),反向电流,I,R,(4),最高工作频率,f,M,越小，则单向导电性和温度稳,定性越好。硅管的,0.7V,，二极管导通，,等效为,0.7 V,的恒压源,三、二极管应用电路及其分析,续,解：,假设二极管断开,U,P,= 15 V,例,1.3.2,试求图示硅二极管电路中电流,I,1,、,I,2,、,I,O,和输出电压,U,O,的值。,I,1,0.7V,P,15 V,V,DD1,N,I,2,V,DD2,I,O,U,P N,0.7V,，二极管导通，,等效为,0.7 V,的恒压源,U,O,=,V,DD1,?,U,D(on),=,（,15,?,0.7,）,V = 14.3 V,R,R,L,1 k,?,U,O,3 k,?,12V,R,L,U,N,?,?,V,DD2,R,L,?,R,3,?,?,12V,?,9V,3,?,1,I,O,=,U,O,/,R,L,= 14.3 V/ 3,k,?,= 4.8mA,I,2,= (,U,O,?,V,DD2,) /,R,= (14.3,?,12) V/ 1,k,?,= 2.3 mA,I,1,=,I,O,+,I,2,=,（,4.8 + 2.3,）,mA = 7.1 mA,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.3,下图所示电路中，输入电压,为振幅,15V,的正弦波，试画,出输出电压波形。,解题分析：,u,i,为交变大信号，因此二极管交,替工作于导通和截止状态。,u,i,振幅远大于,0.7V,，因此可采用理想模型分析法。,解：,u,i,为正半周时，二极管正偏导通，,u,o,=,u,i,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.3,下图所示电路中，输入电压,为振幅,15V,的正弦波，试画,出输出电压波形。,解题分析：,u,i,为交变大信号，因此二极管交,替工作于导通和截止状态。,u,0.7V,，因此可采用理想模型分析法。,i,振幅远大于,解：,u,i,为正半周时，二极管正偏导通，,u,o,=,u,i,u,i,为负半周时，二极管反偏截止，,u,o,= 0,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.3,下图所示电路中，输入电压,为振幅,15V,的正弦波，试画,出输出电压波形。,解题分析：,u,i,为交变大信号，因此二极管交,替工作于导通和截止状态。,u,i,振幅远大于,0.7V,，因此可采用理想模型分析法。,u,i,为正半周时，二极管正偏导通，,u,o,=,u,i,解：,u,i,为负半周时，二极管反偏截止，,u,o,= 0,故可画出,u,o,波形为,此为半波整流电路,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.4,下图所示的二极管电路中，设,V,A,、,V,B,均为理想二极管，,当输入电压,U,A,、,U,B,为低电压,0 V,和高电压,5 V,的不同组合时，,求输出电压,U,O,的值。,习惯画法,电路,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.4,下图所示的二极管电路中，设,V,A,、,V,B,均为理想二极管，,当输入电压,U,A,、,U,B,为低电压,0 V,和高电压,5 V,的不同组合时，,求输出电压,U,O,的值。,解：,输入电压,U,A,U,B,理想二极管,输出,V,A,V,B,电压,正偏,正偏,0 V,导通,导通,0 V,0V,0V,0 V,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.4,下图所示的二极管电路中，设,V,A,、,V,B,均为理想二极管，,当输入电压,U,A,、,U,B,为低电压,0 V,和高电压,5 V,的不同组合时，,求输出电压,U,O,的值。,解：,输入电压,U,A,U,B,理想二极管,V,A,V,B,正偏,正偏,导通,导通,正偏,反偏,导通,截止,输出,电压,0 V,0 V,0 V,0V,5V,0 V,5 V,0 V,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.4,下图所示的二极管电路中，设,V,A,、,V,B,均为理想二极管，,当输入电压,U,A,、,U,B,为低电压,0 V,和高电压,5 V,的不同组合时，,求输出电压,U,O,的值。,解：,输入电压,U,A,U,B,理想二极管,V,A,V,B,正偏,正偏,导通,导通,正偏,反偏,导通,截止,反偏,正偏,截止,导通,输出,电压,0 V,0 V,5V,0V,5 V,0 V,0 V,5 V,0 V,0 V,0 V,三、二极管应用电路及其分析,续,例,1.3.4,下图所示的二极管电路中，设,V,A,、,V,B,均为理想二极管，,当输入电压,U,A,、,U,B,为低电压,0 V,和高电压,5 V,的不同组合时，,求输出电压,U,O,的值。,解：,输入电压,U,A,U,B,理想二极管,V,A,V,B,正偏,正偏,导通,导通,正偏,反偏,导通,截止,反偏,正偏,截止,导通,正偏,正偏,导通,导通,输出,电压,0 V,0 V,5V,5V,0 V,0 V,5 V,5 V,0 V,0 V,5 V,0 V,5 V,实现了,与,功能,5 V,例,1.3.5,试分析下图所示的硅二极管电路,:,（,1,）画出电压传输特性曲线；,（,2,）已知,u,i,10sin,?,t,V,，,画出,u,i,和,u,O,的波形,。,5.1k,5.1k,?,?,+,V,V,+,+,1,D1,1,D1,0.7V,D1,-,+,+,2V,u,u,i,i,2V,-,-,-,-,（,解：,1,）分析电路工作情况,_,+,+,V,D2,V,0.7V,2,D2,2,D2,+,-,-,u,u,O,O,4V,4V,+,+,-,-,当,u,i,2.7V,时，,V,1,管导,通，,V,2,管截止，,u,O,2.7V,；,当,?,4.7V ,u,i, 2.7V,时，,V,1,管,和,V,2,管均截止，,u,O,u,i,；,当,u,i,?,4.7V,时，,V,1,管截止，,V,2,管导通，,u,O,?,4.7V,。,断开二极管，分析各二极管导通条件：,V,1,V,2,V,1,只能在,u,i,2.7V,时导通；,V,2,只能在,u,i,?,4.7V,时导通；,当,?,4.7V ,u, 2.7V,+,i,6V,-,时，,两管均截止,例,1.3.5,解续,（,2,）画出电压传输特性曲线和,u,i,、,u,O,的波形，如下图所示。,u,O,/V,10,4,2,-4,-2,0,2,4,-2,-4,D,C,B,A,2.7,0,-4.7,-10,u,O,/V,2.7,u,i,/V,t,u,i,/V,t,0,-4.7,双向限幅电路用以限制信号电压范围，常用作保护电路。,1.3.2,图解分析法和小信号模型分析法,一、二极管电路的直流图解分析,100,?,i,D,R,1.2 V,V,DD,u,D,i,D,/ mA,N,（,0,V,DD,/R,）,12,直流负载线,8,Q,直流工作点,I,M,（,V,DD,0,）,0.3,0.6,0.9,1.2,u,/ V,0,D,u,D,=,V,DD,?,i,D,R,U,Q,求解,可得二极管电流、电压,i,D,=,f,(,u,D,),4,Q,直流工作点参数为：,U,Q,= 0.7 V,，,I,Q,= 5 mA,二极管直流电阻,U,Q,R,D,?,?,0,.,7,V,/,5,mA,?,140,?,I,Q,Q,点越高，,二极管直流电阻越小,。,二、二极管电路的交流图解分析,C,u,i,二、二极管电路的交流图解分析,i,D,i,/ mA,D,i,D,/ mA,R,V,DD,/,R,V,DD,u,D,i,d,Q,u,D,/V,O,I,Q,u,i,=,U,im,sin,?,t,，,U,im,很小,C,对交流信号近似短路,O,U,Q,O,?,t,V,DD,u,D,?,t,u,d,= u,i,?,静态,静态分析,静态工作点,?,动态,动态分析,i,?,I,?,总量,=,静态量,+,动态量：,u,?,U,?,u,D,Q,D,Q,d,?,i,d,三、二极管电路的小信号模型分析法,?,工程中，,静态分析采用估算法：,U,Q,=,U,D(on),I,Q,?,动态分析采用小信号模型分析法,i,D,/ mA,V,DD,/,R,I,Q,i,D,/ mA,V,DD,?,U,Q,R,Q,斜率,1/,r,d,u,D,/V,O,V,DD,i,d,?,t,O,U,Q,O,d,u,D,r,d,?,d,i,D,Q,二极管的小信号模型,?,t,u,i,u,d,u,i,i,d,?,?,r,d,r,d,三、二极管电路的小信号模型分析法,i,D,/ mA,V,DD,/,R,I,Q,i,D,/ mA,Q,斜率,1/,r,d,u,D,/V,O,i,d,?,t,O,U,Q,O,V,DD,d,u,D,r,d,?,d,i,D,Q,二极管的小信号模型,?,t,u,i,u,D,/,U,T,由,i,D,?,I,S,(,e,?,1,),I,Q,I,S,U,T,1,得,?,e,?,r,d,U,T,U,T,U,Q,r,d,=,U,T,/,I,Q,?,26 mV /,I,Q,交流电阻,r,d,很小。,I,Q,越大，,r,d,越小,例,1.3.7,图示为硅二极管低电压稳压电路，输入电压,U,I,为,10V,，试分析,当,U,I,变化,1V,时输出电压,U,O,的相应变化量和输出电压值。,解：,静态分析：,求,U,I,为,10V,、变化量为零时的,U,O,、,I,Q,1.,例,1.3.7,电路,U,O,=U,Q,?,0.7 V,I,Q,= (10,?,0.7) V/3k,?,= 3.1 mA,2.,动态分析,:,求,U,I,变化,1V,时相应变化量,U,O,U,例,1.3.7,电路的,I,有变化时的等效电路,小信号等效电路,r,d,= 26mV /,I,Q,mA= 26 / 3.1,?,?,8.39,?,?,U,r,d,8,.,39,O,?,r,R,?,?,U,I,?,8,.,39,?,3000,?,(,?,1,V),?,?,2,.,79,mV,d,?,例,1.3.7,图示为硅二极管低电压稳压电路，输入电压,U,I,为,10V,，试分,析当,U,I,变化,1V,时输出电压,U,O,的相应变化量和输出电压值。,解：,静态分析：,求,U,I,为,10V,、变化量为零时的,U,O,、,I,Q,1.,U,O,=U,Q,?,0.7 V,I,Q,= (10,?,0.7) V/3k,?,= 3.1 mA,2.,动态分析,:,求,U,I,变化,1V,时相应变化量,U,O,r,d,= 26mV /,I,Q,mA= (26 / 3.1 ),?,?,8.39,?,例,1.3.7,电路,r,d,8,.,39,?,U,O,?,?,?,U,I,?,?,(,?,1,V),?,?,2,.,79,mV,r,d,?,R,8,.,39,?,3000,3.,综合分析,:,U,O,U,O,U,O,700 mV,2.79 mV,利用二极管的正向恒压特性可进行稳压，但一般只用于,34V,以下。,讨论,怎样选用合适的分析方法对二极管应用电路进行分析,？,答：二极管电路分析方法主要有图解分析法和模型分析法，前者常,用于观察器件工作情况是否合适，后者用以分析电路性能，通常采,用模型分析法。分析时先选用合适的模型，再进行电路分析。,对直流电路或大信号电路，应采用理想模型或恒压降模型，若,忽略二极管导通电压时不会引起较大的计算误差，则用理想模型，,否则用恒压降模型。分析时，首先假设二极管未通，看二极管能否,被正偏导通，能则等效为恒压源（或短路），否则等效为断开，然,后进行电路分析。,对既含有直流电源又含有小信号源的电路，,电路中的电流、电,压由静态量和动态量叠加而得。,先用恒压降模型估算静态工作点，,后由公式求,r,d,，再用小信号模型进行动态分析，最后综合分析。,1.3,复习要点,主要要求：,1.,掌握二极管的理想模型、恒压降模型及其应用，了解,二极管的折线模型。,2.,了解二极管电路的图解分析法和小信号模型分析法和,仿真分析法；了解二极管的主要应用。,重点：,通过多练习，掌握理想模型和恒压降模型分析法。,1.4,特殊二极管,1.4.1,1.4.2,1.4.3,稳压二极管,发光二极管与光电二极管,变容二极管和肖特基二极管,1.4.1,稳压二极管,一、符号与伏安特性,二、主要参数,1.,稳定电压,U,Z,2.,稳定电流,I,Z,与普通二极管,有何异同？,i,Z,/mA,?,U,Z,O,3.,最大工作电流,I,ZM,和最小稳定工作电流,I,Zmin,4.,最大耗散功率,P,ZM,?,I,Z,?,U,Z,?,I,Zmin,u,Z,/V,?,I,Z,?,I,ZM,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,5.,动态电阻,r,Z,r,Z,=,?,U,Z,/,?,I,Z,r,Z,越小，稳压效果越好。,6.,稳定电压温度系数,C,T,?,U,Z,/,U,Z,C,T,?,?,100,%,?,T,三、稳压管稳压电路的工作原理,?,当,U,I,波动,、,R,L,不变时,U,R,O,?,?,I,DZ,显著,?,?,I,R,?,U,I,?,?,U,U,O,?,?,当,R,L,变化,、,U,I,不变时,I,R,=,I,DZ,+,I,O,U,O,=,U,I,U,R,?,I,DZ,显著,?,?,I,R,?,R,L,?,U,O,U,O,?,通过自动调节稳压管电流的大小，以调整降压电阻,R,上,的压降，使,U,O,基本稳定。,四、稳压管稳压电路的组成原则,要给稳压管加上足够大的反偏电压，使稳压管,工作于反向击穿区；同时要给稳压管串接大小适当,的限流电阻，使稳压管的工作电流,I,DZ,满足：,I,Zmin,?,I,DZ,?,I,ZM,例,1.4.1,图示稳压电路中，已知稳压管参数为,U,Z,= 12V,，,I,Z,= 5mA,，,I,ZM,= 50mA,，试分析：（,1,）若,U,I,= 3V,，,R,L,=,R,，求,U,O,；,（,2,）若,U,I,= 20V,，其允许变化量为,2V,，,I,O,的变化范围,为,0,15mA,，试选择限流电阻,R,的阻值与功率。,R,解：,（,1,）当,U,I,= 3V,时，,稳压管反偏截止,U,O,R,L,3,?,U,I,?,V,?,1,.,5,V,R,L,?,R,2,I,O,I,DZ,R,L,U,O,U,I,（,2,）当,U,I,= 20V,时，只要,R,值合适，电路可稳压工作。,当,U,I,最大且,I,O,最小时，流过稳压管的电流最大，,R,值应,使,I,DZ,I,ZM,。,R,min,U,Imax,?,U,Z,?,I,Omin,?,I,ZM,R,U,Im,ax,?,U,Z,(,20,?,2,?,12,),V,?,?,?,200,?,I,ZM,?,I,O,min,50,mA,例,1.4.1,解续,当,U,I,最小且,I,O,最大时，流过稳压管,的电流最小，,R,值应使,I,DZ,I,Z,，,U,I,R,I,O,I,DZ,R,L,U,Im,in,?,U,Z,?,I,Omax,?,I,Z,R,U,Im,in,?,U,Z,(,20,?,2,?,12,),V,R,max,?,?,?,300,?,I,Z,?,I,O,max,(,5,?,15,),mA,例,1.4.1,解续,当,U,I,最小且,I,O,最大时，流过稳压管,的电流最小，,R,值应使,I,DZ,I,Z,，,因此,R,的最大值为,U,I,R,I,O,I,DZ,R,L,U,Im,in,?,U,Z,(,20,?,2,?,12,),V,R,max,?,?,?,300,?,I,Z,?,I,O,max,(,5,?,15,),mA,应根据,200,?,R,300,?,选取,R,值。,若取,R,270,?,，则,R,上的最大功耗为,(,U,Im,ax,?,U,Z,),(,22,?,12,),P,R,max,?,?,W,?,0,.,37,W,R,270,考虑一定的安全裕量，可选用,270,?,、,1W,的电阻。,2,2,1.4.2,发光二极管与光电二极管,一、发光二极管（,LED,）,?,用自由电子和空穴复合时能,产生,光的半导体制成。,?,需正偏,。,?,正向电流大则亮。,几毫安到几十毫安，,典型,10mA,。,?,正向导通电压较大。,LED,的驱动电路,R,= (,U,?,U,F,)/,I,D,U,可以是直流、交流或脉冲信号。,对交流信号为有效值，,对脉冲信号则为高电平值。,*,例,1.4.2,图示电路中，数字电路的输出为高电平（,5V,）或低电,平（,0V,），现采用,LED,来监测输出电平的高低，当输出为低电平,时，,LED,亮，当输出为高电平时，,LED,灭，已知,LED,的正向压降,为,2V,，参考工作电流为,10mA,，试确定限流电阻,R,的阻值。,(,5,?,2,),V,解：,R,?,?,300,?,10,mA,二、光电二极管,?,接收光照的玻璃窗口。,?,需反偏。,?,光照强度增加则反向电流上升,(,这时的反向电流叫光电,流,),。光电流也与入射光的波长有关。,光电二极管,外形举例,光电耦合器,1.4,复习要点,主要要求：,1.,掌握稳压二极管的符号、工作特点、主要参数，理,解稳压管稳压电路的组成、工作原理和分析方法。,2.,了解发光二极管、光电二极管、变容二极管和肖特基,二极管的符号、工作特点及应用。,重点：,1.,稳压二极管的主要参数、工作特点。,2.,稳压管稳压电路的组成、工作原理与分析计算。,