第01章_晶體二極管

1、電子電路基礎電子電路基礎 (Basis of Electronic Circuits) -光電學院電子工程系光電學院電子工程系- 教教 材：材： 電子線路電子線路(線性部分線性部分) （第四版）（第四版） 謝嘉奎謝嘉奎 主編主編 高等教育出版社高等教育出版社 1999 （東南大學）（東南大學） 模擬電子技術(shù)基礎簡明教程模擬電子技術(shù)基礎簡明教程（第三版）楊素行（第三版）楊素行 主編主編 高等教育出版社高等教育出版社 2006 （清華大學）（清華大學） 參考書：參考書： 1、 模擬電子技術(shù)基礎模擬電子技術(shù)基礎（第（第3版）版） 童詩白，華成英主編童詩白，華成英主編 ，高教出版社，高教出版社，200

2、1（清華）（清華） 2、電子技術(shù)基礎電子技術(shù)基礎（模擬部分）（模擬部分） 康華光康華光 編著編著 高等教育出版社高等教育出版社1999 （華中理工）（華中理工） 3、電子線路基礎教程電子線路基礎教程 王成華王成華 主編主編 科學出版社科學出版社 2000 一、學習本課程的意義一、學習本課程的意義 三、本課程特點及學習方法三、本課程特點及學習方法 前前 言言 二、二、目的和任務目的和任務 四、要求四、要求 四、要求四、要求 課程總評成績：由平時成績、階段成績和期末卷面成績加權(quán)構(gòu)成。課程總評成績：由平時成績、階段成績和期末卷面成績加權(quán)構(gòu)成。 作業(yè)：作業(yè)：每周第一次課交上周作業(yè)，發(fā)上上周作業(yè)本。每周

3、第一次課交上周作業(yè)，發(fā)上上周作業(yè)本。 考勤：考勤：課堂隨機點名與課堂簽到相結(jié)合。重修生要求每次簽到。課堂隨機點名與課堂簽到相結(jié)合。重修生要求每次簽到。 平時成績認定：平時成績認定：（占（占15%-30%） （1）課堂出勤次數(shù)（）課堂出勤次數(shù)（2）課堂聽課表現(xiàn)）課堂聽課表現(xiàn)/回答問題情況回答問題情況 （3）作業(yè)上交次數(shù)（）作業(yè)上交次數(shù)（4）每次作業(yè)完成質(zhì)量等）每次作業(yè)完成質(zhì)量等 過程成績過程成績 階段成績認定（階段成績認定（占占30%-45%） ：課內(nèi)測驗課內(nèi)測驗/階段測驗階段測驗/中期考試等中期考試等 期末卷面成績：（期末卷面成績：（少子漂移少子漂移 多子擴散形成多子擴散形成較大較大的正向電流

4、的正向電流IPNPN結(jié)導通結(jié)導通 I 電壓電壓V V 電流電流I I PN結(jié)結(jié)單向?qū)щ娞匦詥蜗驅(qū)щ娞匦?P+N 內(nèi)建電場內(nèi)建電場E E lo - +- + V PN結(jié)結(jié)反偏反偏 阻擋層變寬阻擋層變寬 內(nèi)建電場增強內(nèi)建電場增強 少子漂移少子漂移多子擴散多子擴散 少子少子漂移漂移形成形成微小微小的反向電流的反向電流IR PNPN結(jié)截止結(jié)截止 IR I IR R與與V V 近似無關。近似無關。 溫度溫度T T 電流電流I IR R 結(jié)論：結(jié)論：PNPN結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦?。結(jié)具有單方向?qū)щ娞匦浴?PN結(jié)結(jié)伏安特性方程式伏安特性方程式 PNPN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述：結(jié)正、反向特性，

5、可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述： ) 1( T S V V eII q kT V T 熱電壓熱電壓 26mV（室溫）（室溫）其中：其中： IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似為反向飽和電流，其值與外加電壓近似 無關，但受溫度影響很大。無關，但受溫度影響很大。 正偏時：正偏時： T S V V eII 反偏時：反偏時： S II PN結(jié)結(jié)伏安特性曲線伏安特性曲線 ID(mA) V(V) VD(on) - -IS SiGe VD(on)= 0.7V IS=(10-910-16)A 硅硅PNPN結(jié)結(jié) VD(on)= 0.3V 鍺鍺PNPN結(jié)結(jié) IS=(10-610-8)A V VD(on)時時 隨著隨著

6、V 正向正向R R很小很小 I PNPN結(jié)導通；結(jié)導通； V 6V) ) 形成原因形成原因: : 碰撞電離碰撞電離。 V(BR) ID(mA) V(V) 形成原因形成原因: : 場致激發(fā)。場致激發(fā)。 發(fā)生條件發(fā)生條件 PNPN結(jié)摻雜濃度較高結(jié)摻雜濃度較高 ( (lo o較窄較窄) ) 外加反向電壓較小外加反向電壓較小( (6V) ) 因為因為T 載流子運動的平均自由路程載流子運動的平均自由路程 V(BR) (BR) 。 。 雪崩擊穿電壓雪崩擊穿電壓具有正溫度系數(shù)。具有正溫度系數(shù)。 齊納擊穿電壓齊納擊穿電壓具有負溫度系數(shù)。具有負溫度系數(shù)。 因為因為T 價電子獲得的能量價電子獲得的能量 V(BR)

7、 (BR) 。 。 VZ ID(mA) V(V) IZmin IZmax + - - VZ Z 利用利用PNPN結(jié)的反向擊穿特結(jié)的反向擊穿特 性，可性，可制成穩(wěn)壓二極管。制成穩(wěn)壓二極管。 要求：要求：Izmin Iz CD ，則，則 Cj CT PN結(jié)總電容：結(jié)總電容： Cj = CT + CD PN結(jié)正偏時，結(jié)正偏時，CD CT ，則，則 Cj CD 故：故：PN結(jié)正偏時，以結(jié)正偏時，以CD為主。為主。 故：故：PNPN結(jié)結(jié)反偏時，以反偏時，以CT為主。為主。 通常：通常：CD 幾十幾十PF 幾千幾千PF。 通常：通常：CT 幾幾PF 幾十幾十PF。 晶體二極管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個晶體二極管的

8、內(nèi)部結(jié)構(gòu)就是一個PNPN結(jié)。就其結(jié)。就其 伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表 示為不同形式的模型：示為不同形式的模型： 適于任一工作狀態(tài)的適于任一工作狀態(tài)的通用曲線模型通用曲線模型 便于計算機輔助分析的便于計算機輔助分析的數(shù)學模型數(shù)學模型 直流簡化電路模型直流簡化電路模型 交流小信號電路模型交流小信號電路模型 電路分析時采用的電路分析時采用的 數(shù)學模型數(shù)學模型伏安特性方程式伏安特性方程式 ) 1e ( T S V V II 理想模型：理想模型： 修正模型：修正模型：) 1e ( T S S nV IrV II r rS S 體電阻 體電阻 + +

9、引線接觸電阻引線接觸電阻 + + 引線電阻引線電阻 其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子 I I 正常時正常時: : n 1 1 I I 過小或過大時過小或過大時: n: n 2 2 注意：注意：考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對及表考慮到阻擋層內(nèi)產(chǎn)生的自由電子空穴對及表 面漏電流的影響，實際面漏電流的影響，實際I IS S理想理想I IS S。 。 曲線模型曲線模型伏安特性曲線伏安特性曲線 V(BR) I (mA) V(V) VD(on)-IS 當當V VD(on)時時 二極管二極管導通導通 當當V 0，則管子導通；反之截止。，則管子導通；反之截止。 實際二極管：若實際二極管：若VVD(

10、on)，管子導通；反之截止。，管子導通；反之截止。 當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子 優(yōu)先導通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。優(yōu)先導通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。 例例2 2：設二極管是理想的，求設二極管是理想的，求VAO值。值。 圖圖(a)(a)，假設，假設D開路，則開路，則D D兩端電壓：兩端電壓： VD=V1V2= 6 12= 18 0V， VD2=V2( (V1) )=15V 0V （兩管（兩管同時導通會有矛盾）同時導通會有矛盾）由于由于VD2 VD1 ，則，則D2優(yōu)先導通優(yōu)先導通 此時此時VD1= 6V 2V時，時，D D導

11、通，則導通，則vO O= =vi vi 2V時，時，D D截止，則截止，則vO O=2V 由此可畫出由此可畫出vO O的波形。的波形。 + - D V + - + -2V 100R vO O vi t 6 2 0 vi(V) vO O(V) t 0 2 6 vO O(V) 0 2 vi i(V) 2 轉(zhuǎn)移特性轉(zhuǎn)移特性v0vi 小信號分析法小信號分析法 即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用即將電路中的二極管用小信號電路模型代替，利用 得到的得到的小信號小信號等效電路分析電壓或電流的等效電路分析電壓或電流的微變量微變量。 分析步驟：分析步驟： 將直流電源短路，畫交流通路。將直流電源短路，畫

12、交流通路。 用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。用小信號電路模型代替二極管，得小信號等效電路。 利用小信號等效電路分析電壓與電流的利用小信號等效電路分析電壓與電流的微變量微變量。 總量總量= =靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點+ +微變量微變量。 ( )sin( ) d QQsm d r v tVv VVt V Rr 總電壓= ( ) sin ( ) ssm dd v tV itA RrRr T d Q () () VmV r ImA 解： 例：如圖電路，設 ，且 （小信號），求( )sin( ) ssm v tVt V sm VEvi、。 （1）先求由E（大信號）單獨作用時的靜態(tài)工作點 QQ

13、VI（， ） （2）作出小信號 單獨作用時的小信號模型小信號模型。( ) s v t ( )sin ( ) dd ssm dd rr vv tVtV RrRr ( ) sin( ) sm QQ d V i tIiIt A Rr 總電流 i + - R vs(t) (a) v E + - i+ - R vs(t) (c) 小信號模型 u E + - rd （圖解法）（圖解法） IQ + - R vs(t) (b) 大信號單獨作用 VQ E + - 直流穩(wěn)壓電源設備組成框圖：直流穩(wěn)壓電源設備組成框圖： 電電 源源 變壓器變壓器 整流整流 電路電路 濾波濾波 電路電路 穩(wěn)壓穩(wěn)壓 電路電路 vivO

14、O t vi t v1 t v2 t v3 t vO O 整流與穩(wěn)壓電路整流與穩(wěn)壓電路 當當u2(t)在正半周時，在正半周時，D導通，導通， uo(t) =u2(t) （1） 單相半波整流電路單相半波整流電路 u2 t 0 U2m uo t 0 U2m 22 ( )2sin utUt V 設設 輸出電壓輸出電壓uo的平均值：的平均值： 當當u2(t)在負半周時，在負半周時，D截止，截止， uo(t) =0 u1 u2 RLuo D + - * T * + - + - 原理圖原理圖 io 2 2 0 1 2sin T o UUtdt T 22 2 0.45UU 可見，效率較低可見，效率較低 io

15、 Uo 當當u2(t)在正半周時，在正半周時，D1,D3導通，導通， D2,D4截止，截止， uo(t)與與 u2(t)正半周波形相同，電流正半周波形相同，電流i0從從bc u2 t 0 U2m io u1 u2 RL uo + - * T *+ - + - 原理圖原理圖 io - D1 D2 D3 D4 d a b c uo t 0 U2m 當當u2(t)在負半周時，在負半周時， D2,D4 導通，導通， D1,D3截止，截止， 電流電流i0仍從仍從bc ，uo(t)與與 u2(t)負半周波形反相。負半周波形反相。 全波整流全波整流 （2 2）單相橋式整流電路（全波整流）單相橋式整流電路（全

16、波整流） u1 u2 RL uo + - * T *+ - + 簡化圖簡化圖 io - 輸出電壓輸出電壓uo的直流成分：的直流成分： 022 22 0.9UUU 同理：同理：Io=0.9U2/RL （均為半波整流的（均為半波整流的2倍）倍） 二極管參數(shù)要求：二極管參數(shù)要求： 2 DM 1 0.45 2 o L U II R 2 2 RM UU （每個二極管只有半周導通）（每個二極管只有半周導通） 1. 符號及穩(wěn)壓特性符號及穩(wěn)壓特性 利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓時工作在穩(wěn)壓時工作在反向電擊穿反向電擊穿狀態(tài)。狀態(tài)。 (a)穩(wěn)壓二極管符號

17、穩(wěn)壓二極管符號 DZ (b) 伏安特性伏安特性 UZ UZ U/V 穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路 (1) 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ (2) 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向 工作電流工作電流IZ下，所對應的下，所對應的 反向工作電壓。反向工作電壓。 rZ = UZ / IZ (3)(3)最大穩(wěn)定工作電流最大穩(wěn)定工作電流 IZmax 和最小穩(wěn)定工作電流和最小穩(wěn)定工作電流 IZmin (4)* 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) : 定義為定義為 = UZ / T 2. 穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)穩(wěn)壓二極管主要參數(shù) rZ 越小，穩(wěn)壓效果越好越小，穩(wěn)壓效果越好 UZ UZU/

18、V 3. 穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓電路 正常穩(wěn)壓時正常穩(wěn)壓時 UO =UZ (1)穩(wěn)壓穩(wěn)壓 原理原理 a. 若若RL不變而不變而Ui改變改變 若若Ui UZ UZU/V + R - IR + - RL IO VOVI IZ DZ UiUo U0 (UZ ) IZ IR UR U0 反之，若反之，若Ui減小，變化過程相反。減小，變化過程相反。 b. 設設Ui不變而不變而RL變化變化 若若RL U0 IZ IR UR U0 反之，若反之，若RL減小，變化過程相反減小，變化過程相反 綜上，經(jīng)穩(wěn)壓后綜上，經(jīng)穩(wěn)壓后U0基本穩(wěn)定在基本穩(wěn)定在UZ值值 IZmin IZ IZmax UZ UZU/V + R - IR +

19、 - RL IO VOVI IZ DZ UiUo 不行。不行。R稱稱為限流電阻為限流電阻，其作用是保，其作用是保 證穩(wěn)壓管可靠地工作在反向擊穿區(qū)。證穩(wěn)壓管可靠地工作在反向擊穿區(qū)。 二、限流電阻的選擇二、限流電阻的選擇 + R - IR + - RL IO VOVI IZ DZ UiUo 要求：要求： 1. 當電壓當電壓Ui最高、負載電流最小時，最高、負載電流最小時，IZ 將會最大，但將會最大，但 不應超過不應超過Izmax。 2. 當電壓當電壓Ui最低、負載電流最大時，最低、負載電流最大時，IZ 將會最小，但將會最小，但 不應小于不應小于Izmin。 max 0minmaxm mi 0m n

20、inax iZiZ ZZ UUUU R IIII 例（例（不講不講）：如上圖，）：如上圖，U2=10V，C=100 F，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值 UZ=6V， Izmin=6mA， Izmax=40mA,若若:（1）RL在在200600 之間之間 變化；（變化；（2）電網(wǎng)電壓波動為）電網(wǎng)電壓波動為 10%。試選擇限流電阻。試選擇限流電阻R值。值。 解：解： 例：例： （1）根據(jù)如下方框圖畫出電路原理圖）根據(jù)如下方框圖畫出電路原理圖 單相交 流電源 橋式 整流 電容 濾波 并聯(lián)式 穩(wěn)壓 負載 u1u2 C DZ RL R I0 U0 Ui IZ 因因I0=UZ/RL 故故: I0max=6V/200 =30mA I0min=6V/600 =10mA 例：如上圖，例：如上圖，U2=10V，C=100 F，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ=6V， Izmin=6mA， Izmax=40mA,若若:（1）