模擬電子第五康光華第三章二極管及其基本電路演示文稿

模擬電子第五康光華第三章二極管及其基本電路演示文稿當(dāng)前第1頁\共有60頁\編于星期一\4點（優(yōu)選）模擬電子第五康光華第三章二極管及其基本電路當(dāng)前第2頁\共有60頁\編于星期一\4點本章重點內(nèi)容2.二極管電路的分析方法3.特殊二極管使用1.PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管的特性第三章二極管及其基本電路當(dāng)前第3頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1半導(dǎo)體的基本知識

3.1.1半導(dǎo)體材料

3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)3.1.3本征半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體當(dāng)前第4頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.1半導(dǎo)體材料根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，可分為：導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。當(dāng)前第5頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.2半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的原子結(jié)構(gòu)簡化模型及晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)前第6頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.3本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體——純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)?？昭ā矁r鍵中的空位。電子空穴對——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對?？昭ǖ囊苿印昭ǖ倪\動是靠相鄰共價鍵中的價電子依次充填空穴來實現(xiàn)的。由于隨機熱振動致使共價鍵被打破而產(chǎn)生空穴－電子對當(dāng)前第7頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體——摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體——摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。當(dāng)前第8頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體（1）N型半導(dǎo)體五價雜質(zhì)原子：

4個價電子形成共價鍵，多余的1個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。當(dāng)前第9頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體（2）P型半導(dǎo)體因三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵時，缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個空穴。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。當(dāng)前第10頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體（3）雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響摻入雜質(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:

n=p=1.4×1010/cm3本征硅的原子濃度:

4.96×1022/cm3

以上三個濃度基本上依次相差106/cm3

。

摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3當(dāng)前第11頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2PN結(jié)的形成及特性

3.2.2PN結(jié)的形成3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.4PN結(jié)的反向擊穿3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)

3.2.1載流子的漂移與擴散當(dāng)前第12頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.1載流子的漂移與擴散漂移運動：在電場作用引起的載流子的運動稱為漂移運動。擴散運動：由載流子濃度差引起的載流子的運動稱為擴散運動。當(dāng)前第13頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.2PN結(jié)的形成因濃度差

空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子擴散最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)PN結(jié)形成的物理過程:當(dāng)前第14頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.2PN結(jié)的形成對于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)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。當(dāng)前第15頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。（1）PN結(jié)加正向電壓時低電阻大的正向擴散電流當(dāng)前第16頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)加反向電壓時高電阻很小的反向漂移電流

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關(guān)，這個電流也稱為反向飽和電流。

當(dāng)前第17頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。結(jié)論3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦援?dāng)前第18頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.3PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)V-I特性表達式其中IS——反向飽和電流VT

——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）PN結(jié)的伏安特性當(dāng)前第19頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.4PN結(jié)的反向擊穿當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆雪崩擊穿齊納擊穿電擊穿——可逆當(dāng)前第20頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)（1）擴散電容CD擴散電容示意圖當(dāng)前第21頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.2.5PN結(jié)的電容效應(yīng)（2）勢壘電容CB當(dāng)前第22頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3半導(dǎo)體二極管

3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)

3.3.2二極管的伏安特性

3.3.3二極管的主要參數(shù)當(dāng)前第23頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型兩大類。（1）點接觸型二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖（點接觸型）PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。當(dāng)前第24頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)（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。（a）面接觸型（b）集成電路中的平面型（c）代表符號

當(dāng)前第25頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.2二極管的伏安特性二極管的伏安特性曲線可用下式表示：硅二極管2CP10的V-I特性鍺二極管2AP15的V-I特性當(dāng)前第26頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF(2)反向擊穿電壓VBR和最大反向工作電壓VRM(3)反向電流IR(4)正向壓降VF(5)極間電容CJ（CB、CD）

當(dāng)工作電壓從正向電壓變成反向電壓時，電流不能瞬時截止，需延遲一段時間，延遲的時間就是反向恢復(fù)時間。Trr直接影響二極管的開關(guān)速度，在高頻開關(guān)狀態(tài)時，通常此值越小越好。大功率開關(guān)管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)時，此項指標(biāo)至為重要，Trr越小管子升溫越小，效率越高。當(dāng)前第27頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.3二極管的主要參數(shù)型號IF(A)VRRM(V)VF(V)TrrCd(pF)封裝備注1N4007110001.1-大DO-41低頻、普通整流二極管FR107110001.3500ns15DO-41快恢塑封二極管SF10716001.435ns22DO-41超快恢復(fù)塑封二極管1N58191400.45<10ns100-200DO-41肖特基二極管，反向恢復(fù)時間極短（Trr）1N58223400.525DO-201ADSS141400.5DO-214ACSS242400.5DO-214AA1N41480.2751.24ns4DO-35高速開關(guān)二極管1N600.2400.651ns2DO-35肖特基檢波二極管RN771V-50--0.9UMD2（1712）PIN開關(guān)二極管，Rf=7Ω(10mA)當(dāng)前第28頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.3二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管圖片當(dāng)前第29頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.3二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管圖片當(dāng)前第30頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.3.3二極管的主要參數(shù)半導(dǎo)體二極管圖片當(dāng)前第31頁\共有60頁\編于星期一\4點通常，正向壓降測量值（數(shù)字萬用表）發(fā)光LED（1.8V）>穩(wěn)壓（0.9V）>硅（0.7V）>鍺=肖特基（0.2V）

二極管材料粗略判斷法二極管選型檢波：1N60（選用肖特基材料）；低壓整流：1N5819；1N5822；SS24；1N4007；高壓高頻整流：FR107；SF107等等第三章二極管及其基本電路二極管補充知識當(dāng)前第32頁\共有60頁\編于星期一\4點下次課內(nèi)容： 二極管基本電路及其分析方法 特殊二極管本次課作業(yè)（P97）：第四次課第三章二極管及其基本電路當(dāng)前第33頁\共有60頁\編于星期一\4點電子技術(shù)基礎(chǔ)主講：孫靜模擬部分第5講當(dāng)前第34頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4二極管基本電路及其分析方法

3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法

3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法要求：掌握二極管電路的簡化模型分析方法當(dāng)前第35頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法二極管是一種非線性器件——電路一般要采用非線性電路的分析方法，相對來說比較復(fù)雜;

但圖解分析法則較簡單，但前提條件是已知二極管的V-I特性曲線。當(dāng)前第36頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.1簡單二極管電路的圖解分析方法例3.4.1電路如圖所示，已知二極管的V-I特性曲線、電源VDD和電阻R，求二極管兩端電壓vD和流過二極管的電流iD。

解：由電路的KVL方程，可得即是一條斜率為-1/R的直線，稱為負(fù)載線

Q的坐標(biāo)值（VD，ID）即為所求。Q點稱為電路的工作點當(dāng)前第37頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法1.二極管V-I特性的建模將指數(shù)模型分段線性化，得到二極管特性的等效模型。（1）理想模型

（a）V-I特性（b）代表符號（c）正向偏置時的電路模型（d）反向偏置時的電路模型當(dāng)前第38頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（2）恒壓降模型

（3）折線模型

（a）V-I特性（b）電路模型（a）V-I特性（b）電路模型當(dāng)前第39頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（4）小信號模型

vs=0時,Q點稱為靜態(tài)工作點，反映直流時的工作狀態(tài)。vs=Vmsint時（Vm<<VDD）,將Q點附近小范圍內(nèi)的V-I特性線性化，得到小信號模型，即以Q點為切點的一條直線。當(dāng)前第40頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法過Q點的切線可以等效成一個微變電阻即（a）V-I特性（b）電路模型（4）小信號模型

得Q點處的微變電導(dǎo)：根據(jù)則常溫下（T=300K）當(dāng)前第41頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（4）小信號模型

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

。（a）V-I特性（b）電路模型當(dāng)前第42頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法2.模型分析法應(yīng)用舉例（1）整流電路

（a）電路圖（b）vs和vo的波形當(dāng)前第43頁\共有60頁\編于星期一\4點當(dāng)前第44頁\共有60頁\編于星期一\4點當(dāng)前第45頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（2）靜態(tài)工作情況分析（a）簡單二極管電路（b）習(xí)慣畫法1)理想模型（R=10k）當(dāng)VDD=10V時，2)恒壓模型（硅二極管典型值）3)折線模型（硅二極管典型值）設(shè)當(dāng)前第46頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（3）限幅電路電路如圖，R=1kΩ，VREF=3V，二極管為硅二極管。分別用理想模型和恒壓降模型求解，當(dāng)vI=6sintV時，繪出相應(yīng)的輸出電壓vO的波形。當(dāng)前第47頁\共有60頁\編于星期一\4點VREF為3V時的輸出波形當(dāng)前第48頁\共有60頁\編于星期一\4點雙向限幅輸出波形當(dāng)前第49頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（4）開關(guān)電路電路如圖所示，求AO的電壓值。解：先斷開D，以O(shè)為基準(zhǔn)電位，即O點為0V。則接D陽極的電位為-6V，接陰極的電位為-12V。陽極電位高于陰極電位，D接入時正向?qū)?。?dǎo)通后，D的壓降等于零，即A點的電位就是D陽極的電位。所以，AO的電壓值為-6V。當(dāng)前第50頁\共有60頁\編于星期一\4點物電系模擬電路教改課程多媒體課件（5）低電壓穩(wěn)壓電路當(dāng)前第51頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.4.2二極管電路的簡化模型分析方法（6）小信號工作情況分析圖示電路中，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。當(dāng)前第52頁\共有60頁\編于星期一\4點第三章二極管及其基本電路3.5特殊二極管

3.5.1齊納二極管(穩(wěn)壓二極管)3.5.2變?nèi)荻O管3.5.3肖特基二極管3.5.4光電子器件當(dāng)前第53頁\共有60頁\編于星期