模电二极管及其基本电路PPT课件.ppt

第三章二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 2PN结的形成及特性 3 3二极管 3 4二极管的基本电路及其分析方法 教学内容 3 5特殊二极管 1 2 3 1PN结 图1 1表示的是由二极管 灯泡 限流电阻 开关及电源等组成的简单电路 3 1 1半导体的基础知识 3 按图 a 所示 闭合开关S 灯泡发光 说明电路导通 若二极管管脚调换位置 如图 b 所示 闭合开关S 灯泡不发光 由以上演示结果可知 二极管具有单向导电性 4 1 半导体的特性自然界中的各种物质 按导电能力划分为 导体 绝缘体 半导体 1 半导体导电特性处于导体和绝缘体之间 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 2 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 称热敏特性和光敏特性 3 往纯净的半导体中掺入某些杂质 其它化学元素 会使它的导电能力明显改变 半导体为什么有此性质呢 3 1半导体的基本知识 半导体的共价键结构 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 5 3 1半导体的基本知识 硅和锗是四价元素 它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键 共价键中的价电子为这些原子所共有并为它们所束缚 在空间形成排列有序的晶体 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 6 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 3 1半导体的基本知识 7 3 1半导体的基本知识 三 本征半导体 空穴及其导电作用 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 半导体的重要物理特性是它的电导率 电导率与材料内单位体积中所含的电荷载流子的数目有关 电荷载流子的浓度愈高 其导电率愈高 载流子的浓度取决于材料的基本性质 温度值及杂质的存在 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚着 本征半导体中没有可以运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 8 9 光照或受热时 可见 本征激发同时产生电子空穴对 自由电子 空穴 激发价电子成为自由电子 这一现象称为本征激发或热激发 3 1半导体的基本知识 自由电子 空穴 束缚电子 由于共价键中出现了空位 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 10 11 光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为本征激发或热激发 可见 本征激发同时产生电子空穴对 自由电子 带负电的粒子空穴 带正电的粒子自由电子 空穴统称为载流子 3 杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 为何呢 1 N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 或锑 12 多余电子自由电子 施主原子 硅原子 可见 a N型半导体中自由电子很多 多数载流子 空穴很少 少数载流子 b 导电性能显著增加 不能移动的正离子 1 N型半导体 磷 P 杂质半导体主要靠多数载流子导电 掺入杂质越多 多子浓度越高 导电性越强 实现导电性可控 多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多了 少了 为什么 13 14 2 P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素 如硼 或铟 空穴 受主原子 硅原子 可见 a P型半导体中自由电子很少 少子 空穴很多 多子 b 导电性能显著增加 不能移动的负离子 硼 B 多数载流子 P型半导体主要靠空穴导电 掺入杂质越多 空穴浓度越高 导电性越强 在杂质半导体中 温度变化时 载流子的数目变化吗 少子与多子变化的数目相同吗 少子与多子浓度的变化相同吗 15 16 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 a b 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 17 由于在型半导体和型半导体交界面两侧存在着空穴和自由电子两种载流子浓度差 即P区的空穴浓度远大于N区的空穴浓度 N区的电子浓度远大于P区的电子浓度 因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区的运动 这种运动称为扩散 3 1 2PN结的形成及单向导电特性一 PN结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动 气体 液体 固体均有之 P区空穴浓度远高于N区 N区自由电子浓度远高于P区 扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低 靠近接触面N区的自由电子浓度降低 产生内电场 3 1 2PN结的形成及单向导电特性一 PN结的形成 18 PN结的形成 因电场作用所产生的运动称为漂移运动 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同 达到动态平衡 就形成了PN结 由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子 形成内电场 从而阻止扩散运动的进行 内电场使空穴从N区向P区 自由电子从P区向N区运动 19 20 二 PN结的单向导电性1 PN结正向偏置 加正向电压 P区加正 N区加负电压 当内外电场相互抵消时 PN相当于短接 正向电流I E R 内电场被削弱 扩散运动加强形成较大的电流 21 2 PN结反向偏置 加反向电压 P区加负 N区加正电压 I 0 内外电场相互加强 PN相当于断开 反向电流I 0 内电场被加强 扩散受抑制 漂移加强 形成较小的反向漂移电流 0 呈现高电阻 PN结截止 22 综上所述 PN结具有单向导电特性即PN结正偏时导通 呈现很小的电阻 可形成较大的正向电流 PN结反偏时截止 呈现很大的电阻 反向电流近似为零 需要指出的是 反向电压超过一定数值后 反向电流将急剧增加 发生反向击穿现象 单向导电性被破坏 23 24 3 2半导体二极管一 基本结构PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 二极管结构 两层半导体 一个PN结 二 图形符号 25 26 27 三 伏安特性 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 反向击穿电压VBR 理想二极管 死区电压 0 导通正向压降 0 反向饱和电流 0 反向击穿电压 反向饱和电流IS一定电压范围内保持IS 0 击穿使二极管永久损坏 28 其中iD vD的关系为 vD PN结两端的电压降iD 流过PN结的电流IS 为反向饱和电流VT kT q 称为温度的电压当量其中k为玻耳兹曼常数 1 38 10 23J Kq为电子电荷量1 6 10 9CT为热力学温度 单位为K对于常温 相当T 300K 时 则有VT 0 026V 29 30 31 32 RD 0 UD 0 7V 硅管 0 3V 锗管 0 E较大时 相当于短接 称为导通 E 0 5V 硅管 0 2V 锗管 时 I 0 处在死区 尚未导通 实际中这种情况要避免 E 0 7V 硅管 0 3V 锗管 时 五 二极管特点总结1 当二极管上加正向电压时 即PN结正向偏置 33 2 当二极管上加反向电压时 即PN结反向偏置 PN结或二极管具有 单向导电性 E 击穿电压时 RD I 0UD E二极管相当于断开 称为截止 E 击穿电压时 RD 0 UD 0 二极管相当于短接 坏了 这种情况要避免 34 二极管半波整流电路如图所示 画出输出电压uo的波形 例1 35 6 半导体二极管 三极管的型号 国家标准 2AP9 3DG110B 36 二极管总结1 二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴极接负 时 二极管处于正向导通状态 二极管正向电阻较小 正向电流较大 2 二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极接正 时 二极管处于反向截止状态 二极管反向电阻较大 反向电流很小 3 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿 失去单向导电性 4 二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高反向电流愈大 3 4二极管的基本电路及其分析方法 一 简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件 因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法 相对来说比较复杂 而图解分析法则较简单 但前提条件是已知二极管的V I特性曲线 在电子技术中 二极管电路得到广泛的应用 本节重点介绍采用简化模型 分析几种基本的二极管电路 如限幅电路 开关电路 低电压稳压电路等 37 3 4二极管的基本电路及其分析方法 例3 4 1二极管电路及二极管的V I特性曲线如图所示 已知电源VDD和电阻R 求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 38 3 4二极管的基本电路及其分析方法 解 Q点称为电路的工作点 其坐标值即为所求 图解法简单直观 但不现实 并不实用 仅对电路的工作原理和相关重要概念有很大帮助 39 3 4二极管的基本电路及其分析方法 迭代法 称为指数模型 又 联立求解上述两式 即可求出vD和iD 图解法和迭代法都不实用 工程上 通常在一定条件下 利用简化模型代替二极管非线性特性 来分析二极管电路 从而使分析大为简化 简化模型分析方法是非常简单有效的工程近似分析方法 40 41 一 模型法1 理想模型 理想二极管 理想模型将二极管看成 死区电压 0 导通正向压降 0 反向饱和电流 0 反向击穿电压 理想二极管模型 US 0 US 0 i US R i 0 伏安特性 42 UD为二极管的导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 2 恒压降模型 实际二极管 恒压降模型将二极管看成 导通正向压降 硅管0 7V 锗管0 3V 反向饱和电流 0 反向击穿电压 恒压降模型 US UD US UD i US UD R i 0 伏安特性 43 Uth为二极管的死区压降 硅管0 5V 锗管0 1V rD为二极管的动态电阻 约为200 3 折线模型折线降模型将二极管看成 反向饱和电流 0 反向击穿电压 折线模型 斜率为1 rD US Uth US Uth 44 3 4二极管的基本电路及其分析方法 4 小信号模型 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成一个微变电阻rd 即 得Q点处的微变电导gd 则 常温下 T 300K Q点处 则 45 3 4二极管的基本电路及其分析方法 2 模型分析法应用举例 1 整流电路 例3 4 2二极管基本电路如图所示 已知vs为正弦波 如图所示 试利用二极管理想模型定性地绘出vo的波形 当vs为正半周时 二极管正向偏置 导通 vo vs 当vs为负半周时 二极管反向偏置 截止 vo 0 解 46 3 4二极管的基本电路及其分析方法 2 二极管的静态工作情况分析 理想模型 例3 4 3如图为硅二极管基本电路 R 10k 对于下列两种情况 求电路的ID和VD 1 VDD 10V 2 VDD 1V 在每种情况下 应用理想模型 恒压降模型和折线模型求解 设折线模型中rD 0 2k 解 1 VDD 10V时 47 3 4二极管的基本电路及其分析方法 折线模型 硅二极管典型值 恒压降模型 硅二极管典型值 48 理想模型 2 VDD 1V 折线模型 硅二极管典型值 恒压降模型 硅二极管典型值 上例表明 在电源电压远大于二极管压降时 恒压降模型得出的结果较合理 当电源电压较低时 折线模型得出的结果较合理 49 恒压源模型 测量值 9 32mA 相对误差 理想二极管模型 相对误差 例3 求图示二极管上的电流I 50 二极管构成的限幅电路如图所示 R 1k UREF 2V 输入信号为ui ui为4V的直流信号 分别采用理想二极管模型 恒压源模型计算电流I和输出电压uo 解 1 采用理想模型分析 2 采用恒压源模型模型分析 例4 uo UREF 2V uo UD UREF 0 7 2 2 7V 51 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图 b 所示 分别采用理想二极管模型和恒压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形 UREF 2V 解 1 采用理想二极管模型分析 波形如图所示 例5 52 2 采用恒压源模型分析 波形如图所示 53 3 4二极管的基本电路及其分析方法 开关电路 在开关电路中 利用二极管的单向导电性以接通或断开电路 这在数字电路中得到广泛的应用 分析原则 判断二极管处于导通还是截止状态 可先将二极管断开 然后计算阳 阴两极间是正向电压还是反向电压 若是正向电压则二极管导通 否则截止 54 55 电路如图 求 UAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴二极管导通理想二极管模型 二极管可看作短路 UAB 6V恒压源模型 UAB 6 3 或UAB 6 7V在这里 二极管起钳位作用 解 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 例6 56 解 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0VV1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 由于二极管是理想 UAB 0VD1承受反向电压为 6V在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 已知二极管是理想的 求 UAB 例7 57 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 ui 18sin tV 二极管是理想的 试画出uo波形 8V 参考点 解 二极管阴极电位为8V 例8 3 4二极管的基本电路及其分析方法 限幅电路 例3 4 4如图 R 1k VREF 3V 二极管为硅二极管 分别用理想模型和恒压降模型求解以下两问 1 vI 0V 4V 6V时 求相应的输出电压vo的值 2 vI 6sin tV时 绘出相应的输出电压vo的波形 58 1 理想模型电路 解 当时 二极管截止 所以 当时 二极管导通 所以 当时 二极管导通 所以 2 理想模型电路 当时 当时 3 4二极管的基本电路及其分析方法 59 1 恒压降模型电路 当时 二极管截止 所以 当时 二极管导通 所以 2 恒压降模型电路 当时 当时 二极管导通 所以 当时 3 4二极管的基本电路及其分析方法 60 3 4二极管的基本电路及其分析方法 小信号工作情况分析 在利用小信号模型分析二极管电路时 要特别注意微变电阻rD与静态工作点Q有关 一般首先分析电路的静态工作情况 求得静态工作点Q 其次 根据Q点算出微变电阻rD 再次 根据小信号模型交流电路模型 求出小信号作用下电路的交流电压 电流 最后与静态值叠加 得到完整的结果 61 3 4二极管的基本电路及其分析方法 例3 4 6如图所示 VDD 5V R 5k 恒压降模型的VD 0 7V vs 0 1sin tV 1 求输出电压vO的交流量和总量 2 绘出vo的波形 62 3 4二极管的基本电路及其分析方法 解 1 由直流通路可知 二极管是导通的 由交流通路 得 63 64 2 伏安特性 3 5特殊二极管一 齐纳二极管 稳压二极管 稳压管结构 两层硅半导体 一个PN结 UZ 稳压管反向击穿时 只要IZ IZmax 就不会永久击穿 稳定电压 斜率很大 1 rZ I U 1 图形符号 稳压管正向使用时与普通硅二极管相同 死区电压 0 5V 导通压降 0 7V 65 3 工作原理 1 当稳压管正向偏置时 E 0 5V时 I 0 处在死区 稳压管尚未导通 E 0 7V时 稳压管电阻 RD 0稳压管电压稳定在 UD 0 7V 稳压管相当于短接 称为导通图中电流 66 2 当稳压管反向偏置时 稳压作用 当E UZ时 稳压管电阻 RD 图中电流 IZ 0稳压管电压 UZ E 稳压管相当于断开 称为截止 当E UZ时 稳压管击穿 上述电路等效为 一般rZ 0 即稳压管两端电压很稳定 为稳定电压UZ 67 4 主要参数 1 稳定电压UZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 2 动态电阻rZrZ U IrZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 3 最小稳定工作电流Izmin保证稳压管击穿所对应的电流 若IZ IZmin则不能稳压 4 最大稳定工作电流Izmax超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 在实际工程应用中 常常忽略动态电阻rz的影响 例1设计一稳压管稳压电路 作为汽车用收音机的供电电源 已知收音机的直流电源为9V 音量最大时需供给的功率为0 5W 汽车上的供电电源在12 13 6V之间波动 要求选用合适的稳压管以及合适的限流电阻 阻值和额定功率 稳压电路例题分析 68 解 依题意 稳压电路如上图 VL VZ 由于负载所消耗的功率PL VLIL 所以负载电流的最大值 稳压电路例题分析 69 稳压电路例题分析 70 稳压电路例题分析 1 输出直流电压VO 2 为保证通过稳压管的电流小于IZmax R的最小值 3 为保证稳压管可靠击穿 RL的最小值 71 稳压电路例题分析 2 为保证通过稳压管的电流小于IZmax R的最小值 1 输出直流电压VO 分析 当VI最大 RL开路时 通过R的电流即稳压管的电流最大 同时为保证稳压管安全工作 IZ IZmax 72 稳压电路例题分析 3 为保证稳压管可靠击穿 RL的最小值 分析 当VI最小 RL最小时 流入稳压管的电流最小 同时为保证稳压管可靠击穿 IZ IZmin 73 补充 二极管的简单测试 用万用表检测二极管如图1 1 8所示 1 判别正负极性 将红 黑表笔分别接二极管两端 所测电阻小时 黑表笔接触处为正极 红表笔接触处为负极 万用表检测二极管 74 2 判别好坏 万用表测试条件 R 1k 1 若正反向电阻均为零 二极管短路 2 若正反向电阻非常大 二极管开路 3 若正向电阻约几千欧姆 反向电阻非常大 二极管正常 万用表检测二极管 75 3 管子类型的判别 硅管的正反向阻值一般比锗管大 所以当测得正向阻值在 500 1000欧之间 则为锗管 几千 几十千欧之间 则为硅管 且正反向阻值差别越大 管子性能越好 76 77 二 变容二极管1 图形符号 3 结电容与电压的关系曲线 2 结电容与电压的关系 结电容随反向电压的增加而减少 78 三 肖特基二极管1 图形符号 2 肖特基二极管的特点 1 结电容很小 工作速度很快 适合用于高频电路或开关状态 2 正向门坎电压和正向导通电压约低于普通二极管导通电压0 2V 很小 3 能承受的反击穿电压较低 大多低于60V 最高约100V 反向漏电流比普通二极管大