zch02、二极管及其应用电路4.ppt

模拟电子技术基础,电子教案 V1.0,陈大钦 主编,华中科技大学电信系 邹韬平,2,模拟电子技术基础,第1章 绪论 2学时,第2章 半导体二极管及其应用电路 4学时,第3章 半导体三极管及其放大电路基础 14学时,第4章 多级放大电路及模拟集成电路基础 6学时,第5章 信号运算电路 4学时,第6章 负反馈放大电路 6学时,第7章 信号处理与产生电路 4学时,第8章 场效应管及其放大电路 4学时,共：44学时,第9章 功率放大电路,第10章 集成运算放大器,第11章 直流电源,2个器件,BJT,FET,二极管,核心 内容,1个电路,三极管,放大电路,集成运放,完美的 放大电路,核心 基础,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.2 半导体二极管,2.3 二极管应用电路,2.4 特殊二极管,2 半导体二极管及其应用电路,4,2.1 PN结的基本知识,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1.2 杂质半导体,2.1.3 PN结及其单向导电性,2.1.4 PN结电容,半导体: 导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的 重要特点,1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）,2、掺杂可以显著提高导电能力,原子结构 简化模型,5,图2.1.1 本征半导体的共价键结构,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1 PN结的基本知识,1. 本征半导体, 完全纯净、结构完整的半导体晶体。,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,原子结构 简化模型,6,2.1.1 本征半导体及其导电性,2.1 PN结的基本知识,2. 本征激发,温度,光照,本征激发,自由电子,空位,自由电子,空位,空位：带正电荷； 可自由移动； 靠相邻共价键中的价电子依次充填空位来实现的。 取名为：空穴,温度 载流子浓度,载流子: 自由移动带电粒子,复合本征激发的逆过程,图2.1.3 N型半导体的共价键结构,2.1.2 杂质半导体,2.1 PN结的基本知识,图2.1.4 P型半导体的共价键结构,1. N型半导体,掺入少量的五价元素磷P,2. P型半导体,掺入少量的三价元素硼B,自由电子是多数载流子（简称多子） 空穴是少数载流子（简称少子）,空穴是多数载流子 自由电子为少数载流子。,空间电荷,8,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。,杂质对半导体导电性的影响,9,本征半导体、本征激发,本节中的有关概念,自由电子 空穴,N型半导体、施主杂质(5价) P型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数载流子,杂质半导体,复合,*半导体导电特点1： 其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度载流子浓度导电能力,*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力,10,(1)浓度差多子的扩散运动 复合,(2)复合空间电荷区内电场,(3)内电场少子的漂移运动 阻止多子的扩散,(4)扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步 (动画),2.1.3 PN结及其单向导电性,1. PN结的形成,空间电荷区=PN结,11,PN结形成的物理过程：,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,杂质离子形成空间电荷区 ,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,12,2. PN结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散 漂移 大的正向扩散电流（多子） 低电阻 正向导通,漂移 扩散 很小的反向漂移电流（少子） 高电阻 反向截止,2.1.3 PN结及其单向导电性,13,图2.1.8 PN结伏安特性,3. PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性 （击穿电压）,倍增效应,雪崩击穿,齐纳击穿,2.1.3 PN结及其单向导电性,PN结(二极管)特性描述方法,陡峭电阻小 正向导通,特性平坦反向截止 温度一定，由本征激发产生的少子浓度一定,反向击穿,PN结方程（理论计算仿真）,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量(26mV),曲线（对应图解法）,14,图2.1.10 扩散电容效应,(1) 势垒电容CB,(2) 扩散电容CD,2.1.4 PN结电容,2.1 PN结的基本知识,用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变化的电容效应,多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素,图2.1.9 势垒电容与外加电压关系,15,2.2 半导体二极管,2.2.1 二极管的结构,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,PN结加上引线和封装 二极管,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,16,点接触型,面接触型,平面型,2.2.1 二极管的结构,17,图2.2.2 硅二极管的2CP10的伏安特性 图2.2.3 锗二极管2AP15的伏安特性,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2 半导体二极管,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（锗）,注 意,1. 死区电压（门坎电压）,2. 反向饱和电流 (好) 硅：0.1A；锗：10A,3. PN结方程（近似）,18,图2.2.4 温度对二极管特性曲线 的影响示意图,温度对二极管特性的影响,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2 半导体二极管,温度升高时 :,正向特性曲线向左移动,温度1，正向压降22.5mV,反向特性曲线向下移动,温度 10，反向电流 一倍,19,1. 最大整流电流IF,2. 最高反向工作电压VRM,3. 反向电流IR,4. 极间电容Cd,5. 最高工作频率fM,2.2.3 二极管的主要参数,2.2 半导体二极管,图2.2.3 锗二极管2AP15的伏安特性,IF,VRM,VBR,IR,极限,直流,交流,2 半导体二极管及其应用电路,2.1 PN结的基本知识,2.2 半导体二极管,2.3 二极管应用电路,2.4 特殊二极管,2 半导体二极管及其应用电路,问题1：二极管(PN结)主要特性是什么？其工程描述方法？,问题2：二极管电路(非线性)的分析方法?最常用的是？,问题3：常用的二极管电路及功能？,主要特性单向导电性；其他特性结电容、温度特性、击穿特性。 工程描述方法PN结方程、伏安特性曲线。,2.2.1 二极管的结构,2.2.2 二极管的伏安特性,2.2.3 二极管的主要参数,2.2.4 二极管模型,21,2.2.4 二极管模型,2.2 半导体二极管,图2.2.2 硅二极管的伏安特性,对于非线性器件，分析方法有：,非线性分析方法 （PN结方程，比较复杂）,根据不同的工作条件和要求，在分析精度允许的条件下，采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性。 大信号模型、小信号模型,图解分析方法（麻烦、直观）,等效电路分析方法 （转换为线性）,图2.2.5 理想模型,图2.2.6 恒压降模型,图2.2.7 折线模型,图2.2.8 小信号模型,22,(1) 二极管电路的分析概述,应用电路举例,例2.4.2（习题2.4.12）,习题2.4.5,整流 限幅,习题2.4.6,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通:vO = vI - vD,D截止:vO = 0,D导通:vO = vD,D截止:vO = vI,左图,中图,显然，vO 与 vI 的关系由D的状态决定。 而且，D处于反向截止时最简单！,vO 0,vO vD,右图,vO vD+ VREF,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,23,二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。 而且，D处于反向截止时最简单！,24,(2) 二极管电路的直流分析,例1: 2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏: D反向击穿,iD IF ？,ID = 0, VD = -10V,vD = ？iD = ？,(a) 图解分析法,代数法列方程求解：,线性 , 非线性,线性(KVL): vD = VI - iD R,联立求解， 可得VD、ID,静态工作点Q,图解法 直线与伏安特性的交点,关键 画直线,又称为负载线,25,(2) 二极管电路的直流分析,例1: 2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏: D反向击穿,iD IF ？,ID = 0, VD = -10V,vD = ？iD = ？,(a) 图解分析法,线性 , 非线性,线性(KVL): vD = VI - iD R,图(a)：(0V，1mA) (1V，0.9mA),图(b)：(0V，20mA) (1V，19mA),图(c)：(0V，-1mA) (-10V，0mA),图(c)：(0V，-10mA) (-100V，0mA),线性(KVL): vD = -VI - iD R,26,(b) 等效电路(模型)分析法,理想模型,折线模型,恒压降模型,(2) 二极管电路的直流分析,注 意, 理想模型： VD=Von=Vth=0，Ron=0(短路),Vth 死区电压（门坎电压）, 恒压降模型： VD=Von=Vth=0.7(硅)、0.2(锗)，Ron=0(短路), 折线模型： Vth=0.5(硅)、0.1(锗)，Ron=rD，VD=Vth + iDrD, 当VDVth时D截止： Roff= (开路、断路),27,(b) 等效电路(模型)分析法,例2:（例1(a)）求VD、ID。,（R=10k）,（a）VDD=10V 时,（b）VDD=1V 时,VDD,理想模型,恒压模型,折线模型,理想模型,恒压模型,折线模型,28,(2) 二极管电路的直流分析,例1: 2CP1(硅),IF=16mA,VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏:D正向导通？,正偏:D正向导通！,反偏:D反向截止,反偏: D反向击穿,iD IF ？,ID = 0, VD = -10V,vD = ？iD = ？,线性 , 非线性,假设D截止（开路） 求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,通常采用恒压降模型,分析方法小结,29,二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。 而且，D处于反向截止时最简单！,分析均采用大信号模型,理想模型,折线模型,恒压降模型,30,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,应用电路举例,整流 限幅,D导通:vO = vI - vD,D截止:vO = 0,D导通:vO = vD,D截止:vO = vI,左图,中图,vO 0,vO vD,右图,vO vD+ VREF,图2.2.6 恒压降模型,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,线性(KVL): vD = VI - iD R,中图,假设D截止(开路)，求D两端开路电压,则:vD = vI,当vD 0.7VD导通，vO = VD = 0.7V,当vD 0.7VD截止，vO = vI,31,二极管电路分析的讲课思路：,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。 而且，D处于反向截止时最简单！,分析均采用大信号模型,理想模型,折线模型,恒压降模型,32,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,例3:已知伏安特性,求vD、iD。,例1:已知伏安特性,求VD、ID。,VI = 10V vi = 1Vsint,先静态分析 直流负载线:,再动态分析 交流负载线:,vD = VI + vi - iD R,33,iD=ID+DiD vD=VD+DvD,VI = 10V， vi = 1Vsint,动态分析,叠加原理,例3:已知伏安特性,求vD、iD。,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,34,小信号模型,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为:,微变电阻,根据 得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）,35,VI = 10V， vi = 1Vsint,例3:已知伏安特性,求vD、iD。,iD=ID+DiD = 0.95mA+0.1mAsint,vD=VD+DvD 0.7V,叠加原理,小信号模型(小信号等效电路),(4) 二极管电路的交流分析 小信号,36,例4:(小信号分析) 例3中求vD、iD。,VI = 10V， vi = 1Vsint,解题步骤:,(1) 静态分析 (令vi=0）,由恒压降模型得,VD0.7V; ID 0.93mA,(2) 动态分析 (令VI=0）,由小信号模型得,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,37,二极管电路分析的讲课思路：,先静态（直流），采用大信号模型,(1) 二极管电路的分析概述,(a) 图解分析法,(b) 等效电路(模型)分析法,(2) 二极管电路的直流分析,(3) 二极管电路的交流分析 大信号,(4) 二极管电路的交流分析 小信号,分析任务：求vD、iD 目的1: 确定电路功能，即信号vI传递到vO ，有何变化？ 目的2: 判断二极管D是否安全。,vO 与 vI 的关系由D的状态决定。 而且，D处于反向截止时最简单！,分析均采用大信号模型,后动态（交流）：采用小信号模型,理想模型,折线模型,恒压降模型,38,分析方法小结,假设D截止（开路） 求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析vI和vO 的关系,画出电压波形和电压传输特性,特殊情况：求vD（波动）,小信号模型和叠加原理,恒压降模型,39,习题2.4.4 试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止， 为什么?,图题2.4.4(a),例2:,习题2.4.3 电路如下图所示， 判断D的状态,二极管状态判断,1