模拟电子技术基础 课件 01-2讲义(二极管).ppt

1 2半导体二极管 半导体二极管是由PN结加上引出线和管壳构成的 1 按照所用的半导体材料 可分为锗管和硅管 2 根据其不同用途 可分为检波二极管 整流二极管 稳压二极管 开关二极管等 3 按照管芯结构 可分为点接触型二极管 面接触型二极管及平面型二极管 一 二极管的分类 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 PN结面积小 结电容小 用于高频小电流电路 往往用于集成电路制造工艺中 结面积大 则用于大功率整流 结面积小 则用于高频 脉冲和开关电路中 二极管的符号 二 二极管的伏安特性 半导体二极管的伏安特性曲线如图所示 处于第一象限的是正向伏安特性曲线 处于第三象限的是反向伏安特性曲线 根据理论推导 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 当V 0即处于正向特性区域 正向区又分为两段 当0 V Von时 正向电流为零 Vth称为开启电压 当V Von时 开始出现正向电流 并按指数规律增长 硅二极管的Von 0 5V左右 锗二极管的Von 0 1V左右 反向特性 当V 0即处于反向特性区域 反向区也分两个区域 当VBR V 0时 反向电流很小 且基本不随反向电压的变化而变化 此时的反向电流也称反向饱和电流IS 当V VBR时 反向电流急剧增加 VBR称为反向击穿电压 这个特性也称反向击穿特性 温度升高时 由于少数载流子增加 反向电流急剧增加 三 二极管的参数 最大整流电流IF 反向击穿电压VBR 由于电流通过PN结 使得管子发热 电流达到一定程度 管子因过热而烧坏 最大反向工作电压VRM 指管子长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 指管子反向击穿时的电压 在实际工作时 最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算 正向压降VF 在规定的正向电流下 二极管的正向电压降 小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下 约0 6V 0 8V 锗二极管约0 1V 0 3V 最高工作频率fM 二极管工作的上限频率 超过该频率 结电容起作用 二极管将不能很好的体现单向导电性 反向电流IR 指管子未击穿之前的反向电流 其值愈小 则管子的单向导电性愈好 由于反向电流与温度有关 所以使用二极管时注意温度的影响 四 二极管等效电路 理想模型 电源电压远比二极管的压降大时可以认为 正向偏置时 二极管的管压降为零伏 反向偏置时 认为它的电阻无穷大 电流为零 二极管是非线性器件 为了便于分析 常在一定的条件下 用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管 该电路成为二极管的等效电路 例题 二极管基本电路如图所示 VDD 10V 应用理想模型求解电路的VD和ID ID VDD VD R 10 0 V 10K 1mA 解 VD 0V 恒压降模型 当流过二极管的电流近似等于或大于1mA时 可以认为二极管导通后 管压降是恒定的 且不随电流而变 硅管为0 7伏 锗管为0 3伏 例题 硅二极管基本电路如图所示 VDD 10V 应用恒压降模型求解电路的VD和ID 解 VD 0 7V ID VDD VD R 10 0 7 V 10K 0 93mA 折线模型 为了较真实地描述二极管的V I特性 在恒压降模型的基础上 作一定的修正 即认为二极管的管压降不是恒定的 而是随着流过二极管电流的增加而增加 所以在模型中用一个电池和电阻来作进一步的近似 电池的电压为门坎电压Von 它的电阻为 例题 硅二极管基本电路如图所示 VDD 10V 应用折线模型求解电路的VD和ID 解 rD V Vth I 0 7 0 5 V 1mA 0 2K ID VDD Vth R rD 10 0 5 V 10 0 2 K 0 931mA VD VDD IDR 10 0 931 10 0 69V 小信号模型 如果二极管工作在V I特性的某一小范围内工作时 则可以把V I特性看成一条直线 其斜率的倒数就是微变电阻rd 例题 1 限幅电路 它是用来让信号在预置的电平范围内 有选择地传输一部分 一限幅电路如图所示 R 1K VREF 3V 当Ui 6sin t V 时 利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形 二极管的恒压降为0 7V 解 Ui3 7V时D导通 UO 0 7 3 3 7V 五 二极管应用举例 2 开关电路 利用二极管的单向导电性以接通或断开电路 这在数字电路中广泛应用 例题 二极管开关电路如图所示 当Ui1和Ui2为0V或5V时 求Ui1和Ui2的值不同组合情况下 输出电压Uo的值 设二极管是理想的 截止 截止 截止 截止 导通 导通 导通 导通 0 5 5 5 3 整流电路 将交流电压转换成脉动的直流电压 例题 单相桥式整流电路如图所示 电源US为正弦波电压 试绘出负载RL两端的电压波形 设二极管为理想的 解 Ui 0V时D2 D3导通 UO Ui Ui 0V时D4 D1导通 UO Ui 六 特殊二极管 稳压管 稳压管又称齐纳二极管 它是一种特殊工艺制造的半导体二极管 它的符号如图所示 1 稳压管的伏安特性 稳压管的杂质浓度比较大 空间电荷区内的电荷密度也大 该区域也很窄 容易形成强电场 强电场容易引起齐纳击穿 当反向电压加到某一定值时VZ 产生反向击穿 反向电流急剧增加 只要控制反向电流不超过一定值 管子就不会损坏 2 稳压管的主要参数 稳定电压VZ 指规定电流下稳压管的反向击穿电压 稳压管的稳定电压低的为3V 高的可达300V 它的正向电压约为0 6V 稳定电流IZ Izmin Izmax 指稳压管工作在稳压状态时的参考电流 电流低于Izmin时稳压效果变坏 甚至根本不稳压 只要不超过稳压管的额定功率 电流越大 稳压效果越好 额定功耗PZM 指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积 温度系数 指温度每变化1 时稳压值的变化量 VZ小于4V的管子具有负温度系数 VZ大于7V的管子具有正温度系数 4V至7V的管子温度系数非常小 动态电阻rz 指稳压管两端的电压变化与电流变化之比 曲线越陡 动态电阻愈小 稳压管的稳压性能愈好 接法 反接 电阻R的作用 限流 RL代表 负载 RL IO IR VO IZ IR VO 工作区 反向击穿 3 稳压管的基本电路 稳压电路如图所示 直流输入电压VI的电压在12V 13 6V之间 负载为9V的收音机 当它的音量最大时 需供给的功率为0 5W 稳压管的VZ 9V 稳定电流IZmin 5mA 额定功率为1W R 51 试分析稳压管电路能否正常工作 例题 收音机所需电流 流过R的电流为 流过稳压管的电流为 解 由于收音机音量最大时 稳压管流过的电流 稳压管的稳定电流范围为 所以稳压管失去了稳压作用 光电二极管 光电二极管的结构与普通二极管类似 但在它的PN结处 通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照 这种器件的PN结在反向偏置状态下运行 它的反向电流随光照度的增加而上升 它的符号如图所示 光电二极管基本电路 接法 反接 工作区 反向偏置 作用 把光信号转换