二極管及其電路4

1MicroelectronicsCircuitAnalysisandDesignChapter1

SemiconductorMaterialsandDiodesChapter2DiodeCircuitsChapter3TheField-EffectTransistorChapter4BasicFETAmplifiersChapter5TheBipolarJunctionTransistorChapter6BasicBJTAmplifiersChapter7FrequencyResponseChapter8OutputStagesandPowerAmplifiers2Chapter9

IdealOperationalAmplifiersandOp-AmpCircuits2Chapter10

IntegratedCircuitBiasingandActiveLoads2Chapter11

DifferentialandMultistageAmplifiers2Chapter12

FeedbackandStability2Chapter13

OperationalAmplifierCircuits2Chapter14

NonidealEffectsinOperationalAmplifierCircuits2Chapter15

ApplicationsandDesignofIntegratedCircuits(4h)(4h)(10h)基礎(chǔ)、重點章較獨立的分析任務(wù)(4h)(4h)(6h)(8h)(8h)(4h)(共52h)運放內(nèi)部電路2二極管及其電路、分析Ch1.SemiconductorMaterialsandDiodes1.1SemiconductorMaterialsandProperties1.2ThePNJunction1.4DiodeCircuits-ACEquivalentCircuit1.3DiodeCircuits-DCAnalysisandModels1.5OtherDiodeTypesCh2.DiodeCircuits2.1RectifierCircuits2.2ZenerDiodeCircuits2.4Multiple-DiodeCircuits2.3ClipperandClamperCircuits2.5PhotodiodeandLEDCircuits問題1：二極管(PN結(jié))主要特性是什么？其工程描述方法？問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？問題3：常用的二極管電路及功能？31.1SemiconductorMaterialsandProperties1.1.1IntrinsicSemiconductors1.1.2ExtrinsicSemiconductors1.1.3DriftandDiffusionCurrents1.1.4ExcessCarriers原子結(jié)構(gòu)簡化模型Silicon(Si),germanium(Ge),galliumarsenide

ValenceelectronsSemiconductorMaterialsProperties(1)導(dǎo)電能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）(2)摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力41.1.1IntrinsicSemiconductors本征半導(dǎo)體,純半導(dǎo)體,無雜質(zhì)半導(dǎo)體—single-crystalSiliconAtT=0K：allvalenceelectronsarebound; nochargeflows

insulator1.1SemiconductorMaterialsandPropertiesFig1.2CovalentbondingstructureCovalentbondingValenceelectronCovalentband價帶Conductionband導(dǎo)帶ForbiddenBandgap

禁帶隙EgBandgapenergySi:Eg=1.1eV;Ge:Eg=0.66eV;Insulator:Eg=3~6eV;1eV=1.6×10-19J51.1.1IntrinsicSemiconductors1.1SemiconductorMaterialsandProperties本征激發(fā)GenerationFreeelectron溫度光照GenerationFreeelectronValenceelectronGainenergy濃度導(dǎo)電能力Emptystate,positivecharge＋＋空位：帶正電荷；靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空位來實現(xiàn)電荷移動。取名為：Hole空穴 可自由移動的正電荷；溫度

載流子濃度Carrier載流子:自由移動帶電粒子復(fù)合electron-holerecombination

－本征激發(fā)的逆過程

見1.1.4ExcessCarriers61.1.2ExtrinsicSemiconductors1.N型半導(dǎo)體摻入少量的五價元素磷P2.P型半導(dǎo)體摻入少量的三價元素硼B(yǎng)自由電子是多數(shù)載流子（簡稱多子）空穴是少數(shù)載流子（簡稱少子）空穴是多數(shù)載流子自由電子為少數(shù)載流子。1.1SemiconductorMaterialsandProperties空間電荷7

摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

ni

=pi

=1.5×1010/cm31

本征硅的原子濃度:

5×1022/cm3

3以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n0Nd

=1×1016/cm3

,p0

ni2/n0

=2.25×104/cm3雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響8

本征半導(dǎo)體、本征激發(fā)本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子空穴N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價)P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價)

多數(shù)載流子、少數(shù)載流子雜質(zhì)半導(dǎo)體復(fù)合*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度↑→載流子濃度↑→導(dǎo)電能力↑*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力91.1.3DriftandDiffusionCurrents1.1SemiconductorMaterialsandProperties擴散運動—濃度差產(chǎn)生的載流子移動漂移運動—在電場作用下，載流子的移動101.2ThePNJunction1.2.1TheEquilibriumpnJunctionObjective1.2.2Reverse-BiasedpnJunction1.2.3Forward-BiasedpnJunction1.2.4IdealCurrent-VoltageRelationship1.2.5pnJunctionDiodeTemperatureEffectBreakdownVoltageSwitchingTransient問題1：二極管(PN結(jié))主要特性是什么？其工程描述方法？11擴散>

漂移1.2.1TheEquilibriumpnJunction

因為濃度差

多子的擴散運動

在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)中缺少多子，所以也稱耗盡層。復(fù)合雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

是寬最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。否問題？當(dāng)動態(tài)平衡被外電場打破后，會如何？P-regionN-region12PN結(jié)的單向?qū)щ娦灾挥性谕饧与妷簳r才…擴散與漂移的動態(tài)平衡將…定義：加正向電壓，簡稱正偏加反向電壓，簡稱反偏

擴散>漂移大的正向擴散電流（多子）低電阻正向?qū)?/p>

漂移>擴散很小的反向漂移電流（少子）高電阻反向截止1.2.2Reverse-BiasedpnJunction1.2.3Forward-BiasedpnJunction13iDvD1.2.3Forward-BiasedpnJunctionSpace-chargeregion(Depletionregion)

Built-inpotentialbarrier(Vbi)vDEAEIThermalequilibrium: (Vbi)DensitygradientDepletionregionisreduced,lowresistance.MajoritycarriersflowacrossPNjunctionmoreeasily.

IDF>>IDR,iD=IDF－IDR

IDF

外加正向偏置電壓<Vbi

excesscarriers141.2.2Reverse-BiasedpnJunctionvRiRvR1.Depletionregionisincreased,

highresistance.2.Majoritycarrierscannotcrossthejunction.3.Minoritycarriers

sweepacrossPNeasily.

But:IDF<<IDR,iR=IDR0EAEI4.JunctionCapacitanceDepletionLayerCapacitanceVRcharges

(若f較高？)VaractorDiode

用來描述勢壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而變化的電容效應(yīng)勢壘電容Cj

SwitchingCharacteristicsVbi-build-involtage151.2.4IdealCurrent-VoltageRelationship圖2.1.8PN結(jié)伏安特性正向特性反向特性PN結(jié)(二極管)特性描述方法陡峭電阻小正向?qū)ㄌ匦云教狗聪蚪刂箿囟纫欢ǎ杀菊骷ぐl(fā)產(chǎn)生的少子濃度一定PN結(jié)方程（理論計算仿真）IS—反向飽和電流VT—溫度的電壓當(dāng)量(26mV)伏安特性曲線（對應(yīng)圖解法）161.2.5pnJunctionDiodeTemperatureEffectBreakdownVoltageSwitchingTransient問題1：二極管(PN結(jié))主要特性是什么？其工程描述方法？circuitsymbolPhotoofrealdiode17圖2.2.2硅二極管的2CP10的伏安特性圖2.2.3鍺二極管2AP15的伏安特性二極管的伏安特性正向特性反向特性反向擊穿特性Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（鍺）注意1.死區(qū)電壓（門坎電壓）2.反向飽和電流(好) 硅：0.1A；鍺：10A3.PN結(jié)方程（近似）18TemperatureEffect1.2.5pnJunctionDiode溫度對二極管特性曲線的影響示意圖溫度升高時:正向特性曲線向左移動溫度1℃，正向壓降2~2.5mV反向特性曲線向下移動溫度

10℃，反向電流一倍ISandVTarefunctionsofT.19BreakdownVoltage1.2.5pnJunctionDiode反向擊穿倍增效應(yīng)雪崩擊穿齊納擊穿PN結(jié)的反向擊穿Storagetimets

Turn-offtimetfWhenforward-bias,excesscarrierisstoredinbothregions.Whenswitchingfromforwardtoreverse,itneedtimetoremove.SwitchingTransient圖2.1.10擴散電容效應(yīng)20(1)勢壘電容CB

(2)擴散電容CD

PN結(jié)電容

用來描述勢壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而變化的電容效應(yīng)勢壘電容CB

圖2.1.9勢壘電容與外加電壓關(guān)系圖2.1.10擴散電容效應(yīng)

多數(shù)載流子的擴散運動是形成擴散電容的主要因素SwitchingTransient211.最大整流電流IF

2.最高反向工作電壓VRM

3.反向電流IR

4.極間電容Cd5.最高工作頻率fM二極管的主要參數(shù)圖2.2.3鍺二極管2AP15的伏安特性IFVRMVBRIR極限

直流

交流

1.2.5pnJunctionDiode221.5OtherDiodeTypes1.5.1SolarCell1.5.2Photodiode1.5.3Light-EmittingDiode1.5.4SchottkyBarrierDiode1.5.5ZenerDiode反向截止?fàn)顟B(tài)少子漂移電流特殊材料正向?qū)òl(fā)光導(dǎo)通電壓較大反向擊穿狀態(tài)變?nèi)荻O管反向截止?fàn)顟B(tài)利用勢壘電容見1.2.2Reverse-Biased…金屬－N開關(guān)速度高閱讀資料，不做要求。但必須掌握“齊納二極管”。VaractorDiode問題1：二極管(PN結(jié))主要特性是什么？其工程描述方法？231.3DiodeCircuits-DCAnalysisandModels1.3.0IdealDiode1.3.1IterationandGraphicalAnalysistechniques1.3.2PiecewiseLinearModel1.3.3ComputerSimulationandAnalysis1.4DiodeCircuits-ACEquivalentCircuit1.3.4SummaryofDiodeModels1.4.1SinusoidalAnalysis1.4.2Small-SignalEquivalentCircuit問題1：二極管(PN結(jié))主要特性是什么？其工程描述方法？問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？241.3.4SummaryofDiodeModels非線性分析方法(PN結(jié)方程,復(fù)雜)圖解分析方法（麻煩）等效電路分析方法(轉(zhuǎn)換為線性)硅二極管的伏安特性理想模型折線模型恒壓降模型折線模型小信號模型問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？

根據(jù)不同的工作條件和要求，在分析精度允許的條件下，采用不同的模型來描述非線性元器件的電特性。251.3.1IterationandGraphicalAnalysistechniques例1:已知伏安特性,求VD、ID。線性線性:vD=

VI-iDR非線性:非線性聯(lián)立求解，可得VD、ID圖解法直線與伏安特性的交點圖解法關(guān)鍵——畫直線又稱為負載線vD=

0iD=

VI/R=1mAvD=

1ViD=(VI-vD)/R=0.9mA靜態(tài)工作點QVD0.7VID0.95mA解問題：若VI=10V，則交點位于什么位置？261.4.1SinusoidalAnalysis例2:已知伏安特性,求vD、iD。例1:已知伏安特性,求VD、ID。VI=

10V,vi=

1Vsint先靜態(tài)分析－直流負載線:再動態(tài)分析－交流負載線:vD=

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

=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

問題2：在D正向?qū)?，則vDVD

=0.7V？問題3：可否用疊加原理求iD和vD?問題1：

vi=

10Vsint27iD=ID+DiDvD=VD+DvD

VI=

10V，vi=

1VsintVD0.7VID0.95mA靜態(tài)分析vi=0動態(tài)分析VI=0疊加原理例2:已知伏安特性,求vD、iD。問題3：可否用疊加原理求iD和vD?1.4.1SinusoidalAnalysis28小信號模型

二極管工作在正向特性的某一小范圍內(nèi)時，其正向特性可以等效為:微變電阻根據(jù)得Q點處的微變電導(dǎo)常溫下（T=300K）

特別注意：小信號模型中的微變電阻rd與靜態(tài)工作點Q有關(guān)。該模型用于二極管處于正向偏置條件下，且vD>>VT

。1.4.1SinusoidalAnalysis29VI=

10V，vi=

1Vsint例2:已知伏安特性,求vD、iD。iD=ID+DiD=0.95mA+0.1mAsintvD=VD+DvD0.7V

靜態(tài)分析vi=0疊加原理動態(tài)分析VI=0小信號模型(小信號等效電路)1.4.1SinusoidalAnalysis30例3:(小信號分析)例2中求vD、iD。VI=

10V，vi=

1Vsint解題步驟:(1)

靜態(tài)分析(令vi=0）由恒壓降模型得VD0.7V;ID0.93mA(2)

動態(tài)分析(令VI=0）由小信號模型得1.4.1SinusoidalAnalysis31小信號工作情況分析模型分析應(yīng)用舉例

圖示電路中，VDD=5V，R=5k，恒壓降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求輸出電壓vO的交流量和總量；（2）繪出vO的波形。

直流通路、交流通路、靜態(tài)、動態(tài)等概念，在放大電路的分析中非常重要。1.4.1SinusoidalAnalysis321.3.2PiecewiseLinearModel大信號模型：將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效電路。

(1)理想模型(3)折線模型(2)恒壓降模型VD=0.7V（硅）VD=0.2V（鍺）問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？問題：二極管狀態(tài)判斷方法？33（2）靜態(tài)工作情況分析2.模型分析法應(yīng)用舉例（R=10k）（a）VDD=10V時（b）VDD=1V時理想模型恒壓模型折線模型理想模型恒壓模型折線模型341.3.4SummaryofDiodeModels非線性分析方法(PN結(jié)方程,復(fù)雜)圖解分析方法（麻煩）等效電路分析方法(轉(zhuǎn)換為線性)硅二極管的伏安特性理想模型折線模型恒壓降模型折線模型小信號模型問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？

根據(jù)不同的工作條件和要求，在分析精度允許的條件下，采用不同的模型來描述非線性元器件的電特性。35二極管分析方法小結(jié)（狀態(tài)判斷）假設(shè)D截止（開路）求D兩端開路電壓VD0.7VD正向?qū)?VBR<VD<0.7VD反向截止ID=0(開路)VD-VBRD反向擊穿VD=-VBR(恒壓)VD=0.7V(恒壓降)狀態(tài)等效電路條件將不同狀態(tài)的等效電路（模型）帶入原電路中，分析vI和vO

的關(guān)系畫出電壓波形和電壓傳輸特性，確定功能及指標(biāo)特殊情況：求vD（波動）小信號模型和疊加原理最常用：恒壓降模型1.3.2PiecewiseLinearModel36習(xí)題2.4.4試判斷圖題中二極管導(dǎo)通還是截止，為什么?圖題(a)例4:習(xí)題2.4.3電路如下圖所示，判斷D的狀態(tài)1V2.5V+1V_二極管分析方法小結(jié)（狀態(tài)判斷）37Ch2.DiodeCircuits2.1RectifierCircuits2.2ZenerDiodeCircuits2.4Multiple-DiodeCircuits2.3ClipperandClamperCircuits2.5PhotodiodeandLEDCircuits問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？問題3：常用的二極管電路及功能？2.1.1Half-WaveRectification2.1.2Full-WaveRectification2.1.3Filters,RippleVoltageandDiodeCurrent2.1.4Detectors2.1.5VoltageDoublerCircuit(1)ClipperandRectifierCircuits分析任務(wù)：求vD、iD

目的1:確定電路功能，即信號vI傳遞到vO

，有何變化？目的2:判斷二極管D是否安全。2.3.1Clippers(2)RectifierandPrecisionRectifier2.1.1Half-WaveRectification2.1.2Full-WaveRectification9.5.6NonlinearCircuitApplication(3)帶有電容的二極管電路(4)ZenerDiodeCircuits38(1)ClipperandRectifierCircuits假設(shè)D截止開路，則vD=vi理想模型：vi0D導(dǎo)通VD=0

vi0

D截止vD=vivDvO2vO1(a)(b)恒壓降模型：vi

0.7VD導(dǎo)通VD=0.7V

vi

0.7V

D截止vD=vi分析結(jié)論：Clippers(Limiter)Rectifier392.3.1Clippers(1)ClipperandRectifierCircuits(a)Parallel-basedclipper(b)Series-basedclipper?(c)Doublelimiter40v2vovot2340vD半波整流全波整流全波橋式整流2.1RectifierCircuitsD導(dǎo)通D截止D1導(dǎo)通D2導(dǎo)通D1,

D3導(dǎo)通D2,

D4導(dǎo)通信號處理：絕對值41橋式整流電路v1v2TD4D2D1D3RLvo+–-+RLD1D4D2D3v2vov2vo~+~-D1,D3導(dǎo)通D2,D4導(dǎo)通42單相整流電路的性能指標(biāo)(1)直流電壓VL（輸出平均電壓）(3)紋波系數(shù)(4)二極管平均整流電流<IF(5)二極管承受的最大反向電壓<VBR選擇變壓器: 匝數(shù)比、線徑選擇二極管:(2)直流電流IL

（輸出平均電流）性能參數(shù): v2vD1vot2340D1,

D3導(dǎo)通D2,

D4導(dǎo)通43利用橋式整流電路實現(xiàn)正、負電源44直流電源小功率直流電源的結(jié)構(gòu)圖和轉(zhuǎn)換過程電源變壓器

v1

v2

tv2整流電路vR

tvRtvF濾波電路vF

穩(wěn)壓電路VO

tVOtv1交流電網(wǎng)電壓459.5.6NonlinearCircuitApplication9.5Op-AmpApplications(1)PrecisionHalf-WaveRectifier因為D在反饋回路，必須先判斷狀態(tài)(2)LogAmplifier(3)AntilogorExponentialAmplifier設(shè)D截止開路，則：vO1通過D引入負反饋，構(gòu)成電壓跟隨器此時運放處于開環(huán)狀態(tài)，vivo20kD2+12V－12V+–D110k10kA1469.5.6NonlinearCircuitApplication(2)LogAmplifier(3)AntilogorExponentialAmplifierIfDisforwardbiased,電路正常工作基本條件：vS>0(VD(on))vS>0vS>VD(on)、V47(3)帶有電容的二極管電路2.1.3Filters,RippleVoltageandDiodeCurrent2.1.4Detectors2.1.5VoltageDoublerCircuit2.3.2Clampers482.1.3Filters,RippleVoltageandDiodeCurrent(1)電容濾波原理u1v2v1bD4D2D1D3RLvoSCv2tvot注意！電容方向?RL未接入忽略整流電路內(nèi)阻RintRL接入v2<vc:放=

RLCv2>vc:vc充=

RintC二極管中的電流（脈沖波）49(2)電容濾波的特點v2tvotRL未接入忽略整流電路內(nèi)阻RintRL接入v2<vc:放=

RLCv2>vc:vc充=

RintCA.二極管的導(dǎo)電角<，流過二極管的瞬時電流很大。B.負載直流平均電壓VO

升高d=

RLC

越大，VO

越高C.直流電壓VL

隨負載電流增加而減小當(dāng)d（35）時，VO=(1.11.2)V22.1.3Filters,RippleVoltageandDiodeCurrent50(3)帶有電容的二極管電路2.1.3Filters,RippleVoltageandDiodeCurrent2.1.4Detectors2.1.5VoltageDoublerCircuit2.3.2Clampers51

圖2.3.5二極管鉗位電路2.3.2Clampers2.3限幅電路和鉗位電路52(4)ZenerDiodeCircuits53基本要求問題1：二極管(PN結(jié))主要特性是什么？其工程描述方法？掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦浴-V特性、PN結(jié)方程問題2：二極管電路(非線性)的分析方法?最常用的是？分段線性的分析方法，關(guān)鍵是工作狀態(tài)判斷