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文檔簡介
模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)歡迎學(xué)習(xí)
第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)PN結(jié)半導(dǎo)體二極管教學(xué)要求:1、了解半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)2、掌握教學(xué)重點(diǎn):1、PN結(jié)的形成及特性。2、二極管的物理結(jié)構(gòu)、工作原理、特性曲線和主要參數(shù);3、二極管基本電路及其分析方法與應(yīng)用。教學(xué)難點(diǎn):半導(dǎo)體二極管的基本特性
第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路本章內(nèi)容:我們將對教材中的第一章包含二極管、穩(wěn)壓管半導(dǎo)體器件的工作原理、伏安特性等方面的內(nèi)容進(jìn)行總體闡述。即:首先介紹半導(dǎo)體中的載流子和半導(dǎo)體的導(dǎo)電規(guī)律,再研究PN結(jié)的原理、特性;然后介紹在模擬電路中所用到的半導(dǎo)體二極管的工作原理、數(shù)學(xué)模型(特性曲線)、主要參數(shù);并分析討論由這些管子組成的幾種簡單的應(yīng)用電路。
第一章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路關(guān)鍵詞:“管為路用”
在這一章將著重闡述一些基本概念。對于半導(dǎo)體器件,必須本著“管為路用”的原則,重點(diǎn)闡述器件的外部特性,以便我們在研究電路工作原理時(shí)能正確使用和合理選擇這些器件。
“管”→→→即:二極管、晶體管等半導(dǎo)體器件“路”→→→即:電路
§1-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
半導(dǎo)體及其特性半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體
1.導(dǎo)體:電阻率
<10-4
·
cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。
2.絕緣體:電阻率
>109·
cm物質(zhì)。如橡膠、塑料等。
3.半導(dǎo)體:導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的物質(zhì)。大多數(shù)半導(dǎo)體器件所用的主要材料是硅(Si)和鍺(Ge)。半導(dǎo)體導(dǎo)電性能是由其原子結(jié)構(gòu)決定的。
§1-1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)
半導(dǎo)體的特性本征半導(dǎo)體:純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的鍺、硅、硒下一節(jié)上一頁下一頁返回半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:(可做成溫度敏感元件,如熱敏電阻)。摻雜性:純凈的半導(dǎo)體中摻入微量某些雜質(zhì),導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件,如二極管、三極管和晶閘管等)。光敏性:當(dāng)受到光照時(shí),導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件,如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性:當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí),導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體現(xiàn)代電子學(xué)中,用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺,它們的最外層電子(價(jià)電子)都是四個(gè)(4價(jià)元素)。GeSi硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱為價(jià)電子。硅原子結(jié)構(gòu)圖硅原子結(jié)構(gòu)(a)硅的原子結(jié)構(gòu)圖最外層電子稱價(jià)電子
價(jià)電子鍺原子也是4價(jià)元素
4價(jià)元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個(gè)價(jià)電子表示。+4(b)簡化模型硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)在硅和鍺晶體中,原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點(diǎn)陣,每個(gè)原子都處在正四面體的中心,而四個(gè)其它原子位于四面體的頂點(diǎn),每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵,共用一對價(jià)電子。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中,稱為束縛電子,常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子,因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少,所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。形成共價(jià)鍵后,每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè),構(gòu)成化學(xué)上的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力,使原子規(guī)則排列,形成晶體。+4+4+4+4多硅晶塊硅原料高溫下加工提煉、分離、冷卻單晶爐單晶棒高溫、提拉、冷卻晶片通過一定的提純工藝過程,可以將半導(dǎo)體制成晶體。化學(xué)成分完全純凈的,具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體,稱為本征半導(dǎo)體。(制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%,常稱為“九個(gè)9”)。
本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時(shí),所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中,不會(huì)成為自由電子,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,接近絕緣體。本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達(dá)到99.9999999%,常稱為“九個(gè)9”。本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體
這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā),也稱熱激發(fā)。
當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí),束縛電子能量增高,有的電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導(dǎo)電,成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴
自由電子產(chǎn)生的同時(shí),在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位,稱為空穴。
可見本征激發(fā)同時(shí)產(chǎn)生電子空穴對。外加能量越高(溫度越高),產(chǎn)生的電子空穴對越多。與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象—復(fù)合在一定溫度下,本征激發(fā)和復(fù)合同時(shí)進(jìn)行,達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時(shí):電子空穴對的濃度硅:鍺:自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對1.當(dāng)半導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時(shí),半導(dǎo)體中沒有自由電子,所有的價(jià)電子都被共價(jià)鍵緊緊束縛在共價(jià)鍵中,不會(huì)成為自由電子,因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱,接近絕緣體。
2.當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí),價(jià)電子能量增高,有極少數(shù)的價(jià)電子可以掙脫原子核的束縛,而參與導(dǎo)電,成為自由電子。3.自由電子產(chǎn)生的同時(shí),在其原來的共價(jià)鍵中就出現(xiàn)了一個(gè)空位,原子的電中性被破壞,呈現(xiàn)出正電性,其正電量與電子的負(fù)電量相等,人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個(gè)空位為空穴??昭ㄟ\(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)
這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā),也稱熱激發(fā)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理+4+4+4+4本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子空穴束縛電子
可見因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時(shí)成對出現(xiàn)的,稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去,稱為復(fù)合,如圖所示。激發(fā)復(fù)合本征激發(fā)和復(fù)合的過程
本征激發(fā)與復(fù)合本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理自由電子帶負(fù)電荷電子流載流子空穴帶正電荷空穴流空穴在晶格中的移動(dòng)自由電子帶負(fù)電荷電子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E+-+總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量:溫度變化,導(dǎo)電性變化;光照變化,導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機(jī)制:
在半導(dǎo)體中,同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電,這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn),也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。
當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí),半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流:1、自由電子作定向運(yùn)動(dòng)所形成的電子電流,2、應(yīng)被原子核束縛的價(jià)電子(注意,不是自由電子)遞補(bǔ)空穴所形成的空穴電流。
自由電子和空穴都成為載流子。
本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)的,同時(shí)又不斷地復(fù)合。在一定溫度下,載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,于是半導(dǎo)體中的載流子(自由電子和空穴)邊維持一定數(shù)目。溫度越高,載流子數(shù)目越多,導(dǎo)電性能也就越好。所以,溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響很大。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理
Si
Si
Si
Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子
Si
Si
Si
SiB–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體:摻入少量雜質(zhì)的半導(dǎo)體下一節(jié)上一頁下一頁返回多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對1.N型半導(dǎo)體
在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)雜質(zhì)元素,如硼、鎵等。空穴硼原子硅原子多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子------------P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對2.P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴------------P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)總結(jié)1、N型半導(dǎo)體中電子是多子,其中大部分是摻雜提供的電子,本征半導(dǎo)體中受激發(fā)產(chǎn)生的電子只占少數(shù)。N型半導(dǎo)體中空穴是少子,少子的移動(dòng)也能形成電流,由于數(shù)量的關(guān)系,起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。2、P型半導(dǎo)體中空穴是多子,電子是少子。下一節(jié)上一頁下一頁返回N型半導(dǎo)體(電子型半導(dǎo)體)形成:向本征半導(dǎo)體中摻入少量的5價(jià)元素特點(diǎn):(a)含有大量的電子——多數(shù)載流子
(b)含有少量的空穴——少數(shù)載流子無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的,對外不顯電性。P型半導(dǎo)體(空穴型半導(dǎo)體)形成:向本征半導(dǎo)體中摻入少量的3價(jià)元素特點(diǎn):(a)含有大量的空穴——多數(shù)載流子
(b)含有少量的電子——少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng):兩種載流子(電子和空穴)在電場的作用下產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電流方向一致。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng):由于載流子濃度的差異,而形成濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域擴(kuò)散,產(chǎn)生擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。載流子的運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴(kuò)散空間電荷區(qū)
阻止多子擴(kuò)散,促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層
1.PN結(jié)的形成
§1-2PN結(jié)少子飄移補(bǔ)充耗盡層失去的多子,耗盡層窄,E多子擴(kuò)散
又失去多子,耗盡層寬,E內(nèi)電場E多子擴(kuò)散電流少子漂移電流耗盡層動(dòng)態(tài)平衡:擴(kuò)散電流=漂移電流總電流=0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V
因濃度差
多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(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(kuò)散
PN結(jié)的形成過程當(dāng)漂移運(yùn)動(dòng)與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),空間電荷區(qū)便穩(wěn)定下來,PN結(jié)形成。1、空間電荷區(qū)中沒有載流子,所以電阻率很高?!昂谋M層”2、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P中的空穴、N中的電子(都是多子)向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)(擴(kuò)散運(yùn)動(dòng))?!白钃鯇印?、空間電荷區(qū)中內(nèi)電場推動(dòng)P中的電子和N中的空穴(都是少子)向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)(漂移運(yùn)動(dòng))。請注意2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)加正向電壓(正偏)——電源正極接P區(qū),負(fù)極接N區(qū)
外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。
外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)>漂移運(yùn)動(dòng)→多子擴(kuò)散形成正向電流IF正向電流(2)加反向電壓——電源正極接N區(qū),負(fù)極接P區(qū)
外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。
外電場加強(qiáng)內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運(yùn)動(dòng)>擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→少子漂移形成反向電流IRPN
在一定的溫度下,由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的,故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān),所以稱為反向飽和電流。但I(xiàn)R與溫度有關(guān)。
PN結(jié)加正向電壓時(shí),具有較大的正向擴(kuò)散電流,呈現(xiàn)低電阻,PN結(jié)導(dǎo)通;
PN結(jié)加反向電壓時(shí),具有很小的反向漂移電流,呈現(xiàn)高電阻,PN結(jié)截止。
由此可以得出結(jié)論:PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?.PN結(jié)的伏安特性曲線及表達(dá)式
根據(jù)理論推導(dǎo),PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏I(xiàn)F(多子擴(kuò)散)IR(少子漂移)反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆
根據(jù)理論分析:u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q
,稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)
1.38×10-23q
為電子電荷量1.6×10-9T為熱力學(xué)溫度,對于室溫(相當(dāng)T=300K)則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時(shí)當(dāng)u<0|u|>>|UT
|時(shí)4.PN結(jié)的電容效應(yīng)
當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時(shí),耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變,即PN結(jié)中存儲(chǔ)的電荷量要隨之變化,就像電容充放電一樣。
(1)勢壘電容CB(2)擴(kuò)散電容CD
當(dāng)外加正向電壓不同時(shí),PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同,這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號(hào)作用下才會(huì)明顯表現(xiàn)出來極間電容(結(jié)電容)
1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與
(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。
2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。
3.當(dāng)溫度升高時(shí),少子的數(shù)量(a.減少、b.不變、c.增多)。abc
4.在外加電壓(電場)的作用下,P型半導(dǎo)體中的電流主要是
,N型半導(dǎo)體中的電流主要是。(a.電子電流、b.空穴電流)ba5、PN結(jié)的形成過程、主要特性、主要特性的描述方式
二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號(hào)陽極+陰極-
§1-3半導(dǎo)體二極管
二極管=一個(gè)PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號(hào)陽極+陰極-半導(dǎo)體二極管
的幾種常用結(jié)構(gòu)二極管的一般符號(hào)
二極管的符號(hào)發(fā)光二極管
穩(wěn)壓二極管
光電二極管
變?nèi)荻O管
隧道二極管
溫度效應(yīng)二極管
to雙向擊穿二極管
磁敏二極管
體效應(yīng)二極管
雙向二極管
交流開關(guān)二極管
二極管按結(jié)構(gòu)分三大類:(1)點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小,結(jié)電容小,用于檢波和變頻等高頻電路。(3)平面型二極管
用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小,用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管
PN結(jié)面積大,用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管的型號(hào)國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下:2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型,P為普通管,Z為整流管,K為開關(guān)管。代表器件的材料,A為N型Ge,B為P型G,C為N型Si,D為P型Si。2代表二極管,3代表三極管。半導(dǎo)體二極管圖片二極管的命名我國國產(chǎn)半導(dǎo)體器件的命名方法采用國家GB249-74標(biāo)準(zhǔn)。二極管的命名二極管的檢測與判別
一、判別方法:
識(shí)別法:通過二極管管殼上的符號(hào)、標(biāo)志來識(shí)別.例如有標(biāo)記的一端一般為N極.檢測法:用萬用表的歐姆檔,量程為R×100Ω或R×1kΩ檔測量其正反向電阻(一般不用R×1Ω檔,因?yàn)殡娏魈螅欢鳵×10kΩ檔的電壓太高,管子有被擊穿的危險(xiǎn)).二極管的檢測與判別二極管的檢測與判別二、檢測法判別步驟(1)二極管好壞的判別
若測得的反向電阻很大(幾百千歐以上),正向電阻很小(幾千歐以下),表明二極管性能良好。若測得的反向電阻和正向電阻都很小,表明二極管短路,已損壞。若測得的反向電阻和正向電阻都很大,表明二極管斷路,已損壞。二極管的檢測與判別(2)二極管正、負(fù)極性的判斷
將萬用表紅、黑表筆分別接二極管的兩個(gè)電極,若測得的電阻值很小(幾千歐以下),則黑表筆所接電極為二極管正極,紅表筆所接電極為二極管的負(fù)極;若測得的阻值很大(幾百千歐以上),則黑表筆所接電極為二極管負(fù)極,紅表筆所接電極為二極管的正極。
半導(dǎo)體二極管的V—A特性曲線
硅:0.5V
鍺:
0.1V(1)正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實(shí)驗(yàn)曲線:uEiVmAuEiVuA鍺硅:0.7V鍺:0.3V伏安特性(與PN結(jié)一樣,具有單向?qū)щ娦?UI死區(qū)(開啟UON)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通電壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)
死區(qū)電壓正向反向外電場不足以克服內(nèi)電場,電流很小外電場不足以克服內(nèi)電場,電流很小(1)正向特性u(píng)EiVmA(2)反向特性u(píng)EiVuA特點(diǎn):非線性PN–+PN+–UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.1~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)
死區(qū)電壓正向反向當(dāng)外加電壓大于死區(qū)電壓內(nèi)電場被大大減削弱,電流增加很快。UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)
死區(qū)電壓反向
由于少子的漂移運(yùn)動(dòng)形成很小的反向電流,且U<U(BR)在內(nèi),其大小基恒定,稱反向飽和電流,其隨溫度變化很大。UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)
死區(qū)電壓反向當(dāng)U>U(BR)時(shí),其反向電流突然增大,反向擊穿。二極管的伏安特性溫度對二極管伏安特性的影響在環(huán)境溫度升高時(shí),二極管的正向特性將??移,反向特性將??移。二極管的特性對溫度很敏感,具有負(fù)溫度系數(shù)。–50I/mAU
/V0.20.4–2551015–0.01–0.020溫度增加
二極管的主要參數(shù)
(1)最大整流電流IF——二極管長期連續(xù)工作時(shí),允許通過二極管的最大整流電流的平均值。(2)反向擊穿電壓UBR———
二極管反向電流急劇增加時(shí)對應(yīng)的反向電壓值稱為反向擊穿電壓UBR。
(3)反向電流IR——
在室溫下,在規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流一般在納安(nA)級(jí);鍺二極管在微安(A)級(jí)。主要參數(shù)1)最大整流電流IF二極管長期使用時(shí),允許流過二極管的最大正向平均電流。2)最高反向工作電壓UR3)反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大,說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響,溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小,鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。4)最高工作頻率fM
在實(shí)際應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)管子所用的場合,按其所承受的最高反向電壓、最大正向平均電流、工作頻率、環(huán)境溫度等條件,選擇滿足要求的二極管。二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓(正向偏置,陽極接正、陰極接負(fù))時(shí),二極管處于正向?qū)顟B(tài),二極管正向電阻較小,正向電流較大。2.二極管加反向電壓(反向偏置,陽極接負(fù)、陰極接正)時(shí),二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài),二極管反向電阻較大,反向電流很小。
3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿,失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響,溫度愈高反向電流愈大。PN–+PN+–總結(jié)
二極管的等效電路
1.
將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD=0截止時(shí)IS=0導(dǎo)通時(shí)UD=Uon截止時(shí)IS=0導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路!理想模型恒壓降模型折線模型Q越高,rd越小。
當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí),則可將二極管等效為一個(gè)電阻,稱為動(dòng)態(tài)電阻,也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流2.
微變等效電路(低頻交流小信號(hào)作用下的等效電路)
二極管電路分析舉例定性分析:判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則,正向管壓降硅0.6~0.8V鍺0.1~0.3V
分析方法:將二極管斷開,分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)極性。若V陽
>V陰或UD為正(正向偏置),二極管導(dǎo)通若V陽
<V陰或UD為負(fù)(反向偏置),二極管截止
若二極管是理想的,正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零,反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。電路如圖,求:UAB
解:V陽
=-6V,例1:
取B點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。
在這里,二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–
二極管的鉗位作用是指利用二極管正向?qū)▔航迪鄬Ψ€(wěn)定,且數(shù)值較小(有時(shí)可近似為零)的特點(diǎn),來限制電路中某點(diǎn)的電位。V陽>V陰,二極管導(dǎo)通。1、若忽略二極管壓降,二極管可看作短路,UAB=-6V。2、若考慮二極管壓降,UAB低于-6V一個(gè)管壓降,為-6.3V或-6.7V。V陰=-12V,兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。解:1、V1陽
=-6V,V2陽=0V,V1陰
=V2陰=-12VUD1=?V,UD2=?V.二極管都導(dǎo)通?截止?,UAB=?例2:D1承受反向電壓為-6V流過D2
的電流為求:UAB
在這里,D2起鉗位作用,D1起隔離作用。
BD16V12V3kAD2UAB+–2、∵
UD2>UD1
∴D2優(yōu)先導(dǎo)通,D1截止。解:理想模型:
,加在二極管陽極的電位高于加在二極管陰極的電位,二極管導(dǎo)通。例3電路如圖所示,,。試分別用理想模型和恒壓降模型,求解電路的和的值。
,加在二極管陽極的電位高于加在二極管陰極的電位,二極管導(dǎo)通。解:恒壓降模型:例4電路如圖所示,假設(shè)圖中的二極管是理想的,試判斷二極管是否導(dǎo)通,并求出相應(yīng)的輸出電壓。解:①二極管D導(dǎo)通,輸出電壓。②二極管D截止,輸出電壓。b.V=5V時(shí),判斷出二極管D導(dǎo)通,直流電流為c.V=10V時(shí),1.V=2V、5V、10V時(shí)二極管中的直流電流各為多少?a.V=2V時(shí),判斷出二極管D導(dǎo)通,直流電流為二極管導(dǎo)通電壓UD
為0.6V,UT=26mV
二極管的模型及近似分析計(jì)算例:IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V;鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性二極管的近似分析計(jì)算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例:串聯(lián)電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V
例:二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示,R=1kΩ,UREF=2V,輸入信號(hào)為ui。
(1)若ui為4V的直流信號(hào),分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo解:(1)采用理想模型分析。
采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。(2如果ui為幅度±4V的交流三角波,波形如圖(b)所示,分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解:①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析,波形如圖所示。
若輸入電壓的有效值為20mV,f=1kHz的正弦波,則上述各種情況下二極管中的交流電流的有效值各為多少?a.V=2V,ID≈2.8mAb.V=5V,ID≈8.8mAc.V=10V,ID≈18.8mA在伏安特性上,Q點(diǎn)越高,二極管的動(dòng)態(tài)電阻越?。《O管基本應(yīng)用電路二極管在低頻和高頻以及數(shù)字電路均有廣泛的應(yīng)用。以下主要介紹二極管在低頻電路的幾種應(yīng)用。二極管幾種基本應(yīng)用整流電路限幅電路電平選擇電路(1)工作原理u2的正半周,D導(dǎo)通,A→D→RL→B,uO=u2
。u2的負(fù)半周,D截止,承受反向電壓,為u2;uO=0?;緫?yīng)用電路1、整流電路
整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娮饔茫瑢⒔涣麟娮兂芍绷麟姷碾娐?。半波整流電路改變電路及二極管的接入方式,可得不同波形。基本應(yīng)用電路全波整流電路
牢記全波整流電路下列2個(gè)電路特征:(1)一組全波整流電路中使用兩只整流二極管;(2)電源變壓器次級(jí)線圈必須有中心抽頭。⒉二極管限幅電路又稱為:“削波電路”,能夠把輸入電壓變化范圍加以限制,常用于波形變換和整形。例:二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示,R=1kΩ,UREF=2V,輸入信號(hào)為ui。
(1)若ui為4V的直流信號(hào),分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計(jì)算電流I和輸出電壓uo解:(1)采用理想模型分析。
采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。(2)如果ui為幅度±4V的交流三角波,波形如圖(b)所示,分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解:①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V
②采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析,波形如圖所示。(二極管陽極電位)ui<8V,已知:二極管是理想的,試畫出uo
波形。8V例:二極管的用途:
整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取i18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––二極管D截止,可看作開路,uo=ui.(二極管陽極電位)ui>8V,二極管D導(dǎo)通,可看作短路,uo=8V二極管限幅電路及波形(圖)2.7V例2:⒊二極管電平選擇電路能夠從多路輸入信號(hào)中選出最低電平或最高電平的電路稱為電平選擇電路。二極管電平選擇電路(圖)1、輸入u1、u2,加入方波信號(hào),二極管的導(dǎo)通電壓UON=0.7v2、E為電源,為5V電壓。3、看輸出u0的變化情況以上為低電平選擇電路。
特殊二極管硅穩(wěn)壓二極管光電二極管和光電池發(fā)光二極管100
穩(wěn)壓管是特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管,其反向擊穿是可逆的,且反向電壓較穩(wěn)定。
穩(wěn)壓二極管及其應(yīng)用電路穩(wěn)壓二極管正是利用PN結(jié)的“反向擊穿特性”。穩(wěn)壓二極管可用于限幅和穩(wěn)壓。
穩(wěn)壓二極管
穩(wěn)壓二極管是一種特殊工藝制造的結(jié)面型硅二極管,通常工作在反向擊穿狀態(tài).
V-I特性和符號(hào)當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓二極管
穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ
反向擊穿+UZ-限流電阻103穩(wěn)壓二極管符號(hào)及其伏安特性曲線穩(wěn)壓誤差曲線越陡,電壓越穩(wěn)定。-+
IZminiZ
/mAuZ/VOUZ
IZmaxUZIZIZ穩(wěn)壓二極管的特性工作條件:反向擊穿正向同二極管穩(wěn)定電壓雙向穩(wěn)壓管符號(hào)(圖)-+
當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù).穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻并聯(lián)。應(yīng)采取限流措施,以防熱擊穿。外加電源正極接N區(qū),負(fù)極接P區(qū)。使用注意
穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)最小穩(wěn)定電流IZmin(3)最大穩(wěn)定電流IZmax(4)額定功耗PZ(5)動(dòng)態(tài)電阻rZ(6)溫度系數(shù)αz穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)電壓溫度系數(shù)(%/℃)穩(wěn)壓值受溫度變化影響的系數(shù)。(3)動(dòng)態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ(5)最大允許功耗
穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)
(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ
——
在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下,所對應(yīng)的反向工作電壓。
rZ=U
/I
rZ愈小,反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。
(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——
保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流,若IZ<IZmin則不能穩(wěn)壓。
(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——
超過Izmax穩(wěn)壓管會(huì)因功耗過大而燒壞。穩(wěn)壓過程-ˉˉˉ?ˉ?ˉ?RLIZ+uCCUOuRRLUOIZURUO穩(wěn)壓電路分析是依靠R上電壓變化進(jìn)行調(diào)節(jié)。對限流電阻R要合理選擇Rmax要使Uz還能工作,Rmin不能使IZ太大,以免燒毀。對限流電阻R要合理選擇,計(jì)算見書介紹。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管的應(yīng)用
常用的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路:如:ui↑→uo↑→IZ↑→I↑(=IZ+IL)→uR↑→uo(=ui-uR)基本不變同理,當(dāng)ui一定,RL發(fā)生變化時(shí),穩(wěn)壓管兩端的電壓仍然基本保持不變,從而起到穩(wěn)壓作用.光電二極管和光電池
一、光電二極管
光電二極管又稱光敏二極管,可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).它工作在反偏狀態(tài),反向電流與照度成正比.光電二極管和光電池
光電二極管的簡單使用
光電二極管和光電池
二、光電池
硅光電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件,又叫太陽能電池。
光電池控制電路當(dāng)光電池PC1、PC2受到光照射而產(chǎn)生電勢時(shí),單向晶閘管SK導(dǎo)通,若開關(guān)K1合,則此時(shí)便有9V直流電壓加于負(fù)載上。
發(fā)光二極管一、發(fā)光二極管
發(fā)光二極管LED是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管,常用作顯示器件。發(fā)光二極管的代表符號(hào)
發(fā)光二極管
發(fā)光二極管應(yīng)用電路(一)
發(fā)光二極管
發(fā)光二極管應(yīng)用電路(二
)
發(fā)光二極管具有電→光轉(zhuǎn)換的性能.可見光有紅、黃、綠、藍(lán)、紫等。發(fā)光亮度與工作電流成比例。可用于各種指示燈、七段數(shù)碼燈等。點(diǎn)式LED字段式LED點(diǎn)陣式LED光柱式LEDLED的類型
顯示器件的類型VFD熒光顯示器PDP等離子顯示器ECD電致變色顯示器EPD電泳顯示器PLZT鐵電陶瓷顯示器LED(LightEmittingdiode)發(fā)光二極管LCD(LiquidCrystalDisplay)液晶顯示器符號(hào)光的顏色視發(fā)光
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