模拟电子电路课件第3章.ppt

第三章半导体二极管及其基本电路 返回 第三章半导体二极管及其本电路 对你的期望 3 掌握二极管外特性 基本电路及分析方法 应用 4 正确理解二极管工作原理 主要参数 使用方法 1 了解PN结的形成 2 掌握以下基本概念 空穴 多子 少子 扩散运动 漂移运动 PN结正偏 PN结反偏 5 掌握稳压管工作原理及使用 第三章半导体二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 3二极管 半导体二极管的特性 半导体二极管具有单向导电性 为什么会具有单向导电性 什么叫PN结 它是如何形成的 3 1半导体的基本知识 3 1 1半导体 3 1 2本征半导体 3 1 3掺杂半导体 3 1 4杂质半导体示意图 3 1 1半导体 导体如金属等 绝缘体如橡皮 塑料等 半导体器件特点 体积小 重量轻 使用寿命长 输入功率小 功率转换效率高 半导体的导电特性 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管等 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 三极管和晶闸管等 3 1 2本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子 称为价电子 价电子 本征半导体的导电机理 空穴 自由电子 当半导体两端加上外电压时 在半导体中将出现两部分电流 1 自由电子作定向运动 电子电流2 价电子递补空穴 空穴电流 注意 1 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 2 温度愈高 载流子的数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 自由电子和空穴都称为载流子 本征激发 粒子运动 3 1 3掺杂半导体 N型半导体和P型半导体 多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 N型半导体 多子 自由电子少子 空穴 硼原子 接受一个电子变为负离子 空穴 P型半导体 多子 空穴少子 自由电子 3 1 3掺杂半导体 3 1 4N型半导体和P型半导体示意表示法 P型半导体 N型半导体 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 第三章半导体二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 3二极管 3 2PN结的形成及特性 3 2 1PN结的形成 3 2 2PN结的单向导电性 3 2 3PN结的反向击穿 3 2 4PN结的结电容效应 自学了解 P型半导体 N型半导体 3 2 1PN结的形成 形成空间电荷区 PN结形成 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 3 2 1PN结的形成 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 3 2 1PN结的形成 因浓度差 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 最后 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质 分别形成N型半导体和P型半导体 PN结的形成 3 2 2PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 P接正 N接负 IF PN结加正向电压时 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 PN正偏 2 PN结加反向电压 反向偏置 IR P接负 N接正 P N 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 PN结加反向电压时 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 PN反偏 3 结论 PN结具有单向导电性 PN结加正向电压时 正向导通 电阻值很小 具有较大的正向导通电流 开关闭合 PN结加反向电压时 反向截止 呈现高电阻 具有较小反向饱和电流 开关断开 4 PN结V I特性表示式 二极管特性方程 3 2 3PN结的反向击穿 当PN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PN结的反向击穿 3 2 4PN结电容效应 自学了解 第三章半导体二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 3二极管 3 3半导体二极管 3 3 1基本结构 3 3 2伏安特性 3 3 3主要参数 3 3半导体二极管 3 3 1基本结构 a 点接触型 b 面接触型 c 平面型用于集成电路制作工艺中 PN结结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 3 3半导体二极管 二极管的结构示意图 符号 D 3 3半导体二极管 伏安特性实验电路 3 3 2伏安特性 3 3 2伏安特性 硅管0 5V 锗管0 1V 反向击穿电压U BR 导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 正向特性 反向特性 特点 非线性 硅0 6 0 8V 锗0 2 0 3V 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数 3 3 3主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 反向击穿电压VBR 3 反向电流IR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值 最大反向工作电压VRM 实际工作时 为安全 VRM VBR 2 在室温及规定的反向电压下的反向电流值 硅管 nA 级 锗管 A 级 思考 如何判断二极管的好坏以及它的极性 使用万用表的R 1K档先测一下它的电阻 黑红表笔分别搭在二极管的两端 若阻值很小 说明黑表笔搭着的是正端 如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷 说明二极管已损坏 第三章半导体二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 3二极管 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 4 1简单二极管电路的图解分析法 P73自学了解 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1理想模型 理想二极管 2恒压降模型 3折线模型 4小信号模型 二极管工作在正向特性的某个小范围内 等效为一小电阻 常温下 T 300K 3 4 3二极管电路分析 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位 若V阳 V阴 二极管导通若V阳 V阴 二极管截止 若V阳 V阴 VF 二极管导通若V阳 V阴 VF 二极管截止 理想模型 恒压模型 电路如图 二极管为硅管 求 UAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴 VF二极管导通 例1 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 在这里 二极管起钳位作用 1 理想模型 UAB 6V 2 恒压降模型 UAB 6 7V V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 例2 D1 D2为理想二极管 求 UAB 在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 V1阴 0V D1截止 UAB 0V 例3 电路如图 设D为理想二极管 判断管子工作状态 并求输出电压 va 12Vvb 15V vab va vb 27V 0 D导通vAO 15V va1 va2 12Vvb1 15Vvb2 0V vab1 3V0 D2导通 D1截止vAO 0V va1 va2 12Vvb1 0Vvb2 4V vab1 12V 0vab2 16V 0 D2导通 vab1 4V 0 D1截止 ui 8V 二极管导通 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 8V 例4 限幅电路 参考点 VD阴 8V VD阳 ui uo 8V uo ui ui 8V 二极管截止 思考 若用恒压降模型分析二极管 输出波形应为什么 若是双限幅电路又待怎样 见P973 4 9 例5全波整流电路 P97题3 4 2 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二极管D1 D3导通 D2 D4截止 3 工作波形 1 电路结构 例5全波整流电路 P97题3 4 2 2 工作原理 3 工作波形 1 电路结构 u正半周 Va Vb 二极管1 3导通 2 4截止 u负半周 Va Vb 二极管2 4导通 1 3截止 第三章半导体二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 4二极管的基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 3二极管 3 5特殊二极管 利用二极管电容效应 多用于高频技术 光电二极管 特点 抗干扰能力强 传输信息量大 传输损耗小且工作可靠 在信号传输和存储等环节中多用 导通电流为2mA 10mA 20mA 导通电压为1V 2V 发光二极管 常见有红 绿 黄三种颜色 主要用于显示 主要应用于小功率光电设备中 如 光盘驱动器和激光打印机的打印头等 激光二极管 3 5 1稳压二极管 1 符号 UZ IZ IZM UZ IZ 2 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 3 主要参数 1 稳定电压UZ稳压管正常工作 反向击穿 时管子两端的电压 2 电压温度系数 环境温度每变化1 C引起稳压值变化的百分数 3 动态电阻 4 稳定电流IZ 最大稳定电流IZM 5 最大允许耗散功率PZM UZIZM rZ愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 4 基本稳压电路 稳压管工作必要条件 工作在反向击穿状态 串入电阻RIZmin IZ IZmax 3 上述电路VI为正弦波 且幅值大于VZ VO的波形是怎样的 思考 1 若稳压管极性接反 会出现什么问题 2 电阻R的作用是什么 不加可不可以 5 选管的原则 例 电路如图 a b 所示 稳压管的稳定电压UZ 3V R的取值合适 uI的波形如图 c 所示 试分别画出uO1和uO2的波形 思考题 电路中 3为理想二极管 灯泡全同 则最亮的灯为哪个 为理想二极管 当用普通指针式万用表置 档 用黑表笔接 红表笔接 则万用表指示值为多少 3 两个稳压管稳压值分别为6V 7V且它们的正向导通压降为0 6V 则两管串联时可能有几种输出电压 两管并联时又可能有几种输出电压 思考题 4 稳压管的稳压值UZ 6V 稳定电流的最小值IZmin 5mA 求电路中UO1和UO2 串联 并联 作业题 必做 P97 3 4 5 3 4 6 a 3 4 9 P99 3 5 1 二极管导通电压为0 7V 选做3 4 7