第一章二极管与其电路

1、第一章二极管与其电路 模拟电子技术是信息工程、计算机、电子等学科的专业基础课，是一门极其重要的课程，它直接影响同学们对硬件的深入学习，对后续课程微机原理、接口技术、单片机原理、计算机网络、嵌入式系统 等有很大的影响。 绪论绪论1.1.信号信号& &信息（消息）信息（消息）2.2.模拟信号模拟信号& &数字信号数字信号3.3.模拟电路模拟电路& &数字电路数字电路 在电子电路中将信号分为模拟信号和数字信号。在电子电路中将信号分为模拟信号和数字信号。 模拟信号在时间和数值上均具有连续性，即对应于任意时间值模拟信号在时间和数值上均具有连续性，即对应于任

2、意时间值均有确定的函数值均有确定的函数值u或或i，并且，并且u或或i的幅值是连续的。的幅值是连续的。 量变量变-质变质变 数字信号在时间和数值上均具有离散性，数字信号在时间和数值上均具有离散性，u或或i的变化在时的变化在时间上不连续，总是发生在离散的瞬间间上不连续，总是发生在离散的瞬间学分：3.0 采用教材：电子技术基础 清华大学出版社 要求：每人准备一个笔记本章节介绍章节介绍p模拟电子技术模拟电子技术n半导体二极管及其电路半导体二极管及其电路n晶体三极管晶体三极管n单级、多级放大电路单级、多级放大电路n集成运算放大电路及应用集成运算放大电路及应用n负反馈放大电路负反馈放大电路n直流稳压电路直

3、流稳压电路课程安排（单、双周）课程安排（单、双周）v一次理论课，一次理论课，v一次讨论课一次讨论课v一次实验课一次实验课 v成绩评定原则：成绩评定原则： 平时成绩平时成绩40%40%： 出勤出勤+ +作业作业20%20%，实验，实验20%20% 期末闭卷考试期末闭卷考试 60%60%学学 习习 资资 源源麻省理工开放式课程麻省理工开放式课程大学课程在线大学课程在线如何利用网络资源如何利用网络资源1、学院图书馆、学院图书馆 2、网络搜索、网络搜索 如只查找如只查找 *.ppt, *.doc 文档文档第第1讲讲 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路p了解半导体的特性和导电方式，理解了解

4、半导体的特性和导电方式，理解PNPN结的结的 单向导电特性单向导电特性p了解半导体二极管、三极管的结构了解半导体二极管、三极管的结构p理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数p二极管电路的应用二极管电路的应用1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导体、的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。绝缘体和半导体。导体：容易导电的物体。如：铜、铁等导体：容易导电的物体。如：铜、铁等绝缘体：几乎不导电的物体。如：木头、橡胶等绝缘体：几乎不导电的物体。如：木头、橡胶等半导体：是导电性能介于导体和绝缘体之半导

5、体：是导电性能介于导体和绝缘体之 间的物体。在一定条件下可导电。间的物体。在一定条件下可导电。典型的半导体有硅典型的半导体有硅 Si和和 锗锗 Ge以及以及 砷化镓砷化镓 GaAs等。等。 1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.本征半导体本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。现以硅原子为例：每个硅原子最外层的现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别个价电子分别和周围和周围4个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价个硅原子的价电子形成共用电子对，构成共价键结构，如图键结构，如图1-1所示。所示。图图1-1 本征半导体的

6、共价键结构本征半导体的共价键结构v本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流子。空穴载流子。本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少数价电子由于温度变化获得足够的能量，挣脱共价键的束缚数价电子由于温度变化获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，成为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为空穴。如图称为空穴。如图1-2所示。（本征激发）所示。（本征激发）图图1-2 本征半导体的两种载流子本征半导体的两种载流子2. 2. 杂质半导体杂

7、质半导体杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电 性能会得到改善。性能会得到改善。按照掺入元素的不同可分为：按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（价元素，如磷（P）等）等; 显示负性：显示负性：negative NP型半导体：在本征半导体中掺入型半导体：在本征半导体中掺入+3价元素，如硼（价元素，如硼（B）等）等 显示阳性：显示阳性：positive, PP 型半导体N 型半导体v无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对

8、外不显电性。v掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。v少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少 决定于温度。1.1.2 PN1.1.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性利用不同的掺杂工艺，将利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和型半导体和N型半导体制作在同型半导体制作在同一个半导体硅片上，在一个半导体硅片上，在P型半导体和型半导体和N型半导体的交界面就型半导体的交界面就形成了形成了PN结。结。PN结的形成过程如图结的形成过程如图1-5： 两种运动：两种运动： 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 多子扩散 形成空间电荷区产生内电场 少子漂移 扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结u

9、外加正向电压（也叫正向偏置外加正向电压（也叫正向偏置正偏）正偏）u若将电源的正极接区若将电源的正极接区, 负极接区负极接区, 则称此为正向接法或正则称此为正向接法或正向偏置。向偏置。u外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，过漂移运动，N N区电子不断扩散到区电子不断扩散到P P区，区，P P区空穴不断扩散到区空穴不断扩散到N N区，形成较大的正向电流，这时称区，形成较大的正向电流，这时称PNPN结处于结处于状态。状态。空间电荷区变窄E R内电场外电场PNIu外加反向电压（也叫反向偏置外加反向电压（也叫反向偏置反偏）反

10、偏）u外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称移运动产生的，反向电流很小，这时称PNPN结处于结处于状态状态。E R内电场外电场空间电荷区变宽PNI二极管二极管 Diode 正极正向箭头导通；正极正向箭头导通； 负极垂直，不通负极垂直，不通+-Iconducting+-forwardbiasRnon-conducting+-reversebiasI=0Rectifiers - how would you

11、 do it? 整流器整流器RloadACVloadtRectifiersVloadtRloadACtwo diode dropsRectifiers：全波整流：全波整流 + RC 滤波滤波VloadtRloadACRipple 波纹波纹 R RC C小结：小结：PNPN结具有单向导电特性，即：结具有单向导电特性，即：pPNPN结加正向电压时，正向电阻很小，结加正向电压时，正向电阻很小，PNPN结导通，结导通，可以形成较大的正向电流。可以形成较大的正向电流。pPN结加反向电压时，反向电阻很小，结加反向电压时，反向电阻很小，PN结截结截止，反向电流基本为零。止，反向电流基本为零。Se1Tu Ui

12、I根据理论分析，根据理论分析，PNPN结两端的电压结两端的电压V V与流过与流过PNPN结的电流结的电流I I之间的关系为之间的关系为当当PN结的反偏电压增大到一定数值结的反偏电压增大到一定数值时，共价键遭到破坏，产生电子时，共价键遭到破坏，产生电子-空空穴对，反向电流急剧增加，这种现穴对，反向电流急剧增加，这种现象称为象称为PN结的反向击穿结的反向击穿 3. PN结的伏安特性结的伏安特性Diode Impedance 阻抗阻抗 breakdownvoltage75VreversebiasedI current through diodeV voltage drop across diodeK

13、irchoffs laws dont applyif 10mA is flowing throughthe diode, Vd0.5Vforwardbiased半导体二极管是由半导体二极管是由PN结的结的P区和区和N区分别引出两根电极引区分别引出两根电极引线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、结构、符号如图结构、符号如图1-9所示。所示。图 二极管的外形、结构及符号1.2 1.2 半导体二极管半导体二极管q 按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。二极管等。q

14、 按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。型二极管。q 按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。按照用途划分：整流二极管、稳压二极管、发光二极管等。q 按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二极管。极管。 1.2.2 二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性及主要参数1二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线 死区电压死区电压反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压-60 -40 -200.4 0.8 U /V40302010I /

15、mA0正向特性反向特性外加正向电压较小时，外外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，多子扩散的阻力，PNPN结仍结仍处于截止状态处于截止状态 。正向电压大于死区电压后正向电压大于死区电压后，正向电流，正向电流 随着正向电随着正向电压增大迅速上升。通常死压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为区电压硅管约为0.5V0.5V，锗，锗管约为管约为0.2V0.2V。外加反向电压时，外加反向电压时， PNPN结处于截止状态，反向电流结处于截止状态，反向电流 很小。很小。 反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。二极管的伏安

16、特性曲线分为二极管的伏安特性曲线分为3部分：部分：（1 1）正向特性。）正向特性。（2 2）反向截止特性。）反向截止特性。（3 3）反向击穿特性。）反向击穿特性。随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大，特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大，温度每增加温度每增加10，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管的正向压降将减小，温度每增加的正向压降将减小，温度每增加1，正向压降将减小，正向压降将减小22.5mV。 1.2.3二极管的主要参

17、数二极管的主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。（2）最大反向工作电压）最大反向工作电压UR：指二极管正常工作时所能承受：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而被损坏。通常规定最大反向工作电压为击穿电压的一半。而被损坏。通常规定最大反向工作电压为击

18、穿电压的一半。（即（即UR =1/2*UBR）（3）反向峰值电流）反向峰值电流IR：指二极管未发生击穿时的反向电流。：指二极管未发生击穿时的反向电流。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。（4）最高工作频率）最高工作频率FM：指二极管正常工作时的上限频率值，：指二极管正常工作时的上限频率值，它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的单向导电性会受到影响。单向导电性会受到影响。 1.3 二极管的等效电路及其应用二极管的等效电路及其应用1二极管的等效电路二极管的等效电路（1）理想模型：）理想模型： 伏安

19、特性曲线和等效电路分别如图伏安特性曲线和等效电路分别如图(a)、(b)所示。所示。（2）恒压降模型：二极管正向导通后，其管压降不随电流）恒压降模型：二极管正向导通后，其管压降不随电流变化，认为是恒定值，并且二极管的反向电流为变化，认为是恒定值，并且二极管的反向电流为0。理想二极管串联电压源理想二极管串联电压源UD(on)Si:0.7V，Ge:0.3V 等效电路是理想等效电路是理想二极管串联电压二极管串联电压源源Uth和电阻和电阻rD，且且 rD=U/I（3）折线模型：当二极管正向电压大于开启电压）折线模型：当二极管正向电压大于开启电压Uth后，其后，其电流与电压成线性关系，直线斜率为电流与电压

20、成线性关系，直线斜率为1/rp；当二极管两端电；当二极管两端电压小于开启电压时，二极管截止，电流为零。压小于开启电压时，二极管截止，电流为零。解采用二极管的恒压降模型分析当开关断开时O1D(on)(50.7)4.3(V)UVUO2=12(V)UV前前3 3种为一般模型：计算二极管上加特定范围电压时的响应。种为一般模型：计算二极管上加特定范围电压时的响应。第第4 4种为小信号模型：计算叠加在种为小信号模型：计算叠加在Q Q点上微小增量的响应。点上微小增量的响应。（4）交流小信号等效模型：直流电压和低频小信号共同作）交流小信号等效模型：直流电压和低频小信号共同作用。用。r rd d=u=uD D/

21、i/iD D晶体二极管电路的应用晶体二极管电路的应用 利用晶体二极管的单向导电性和反向击穿特性，可以构成利用晶体二极管的单向导电性和反向击穿特性，可以构成各种电路，比较典型的有：整流、稳压、限幅等电路。各种电路，比较典型的有：整流、稳压、限幅等电路。 利用二极管的单向导电性将交流电转换为直流电的电路，利用二极管的单向导电性将交流电转换为直流电的电路，称为整流电路。在整流电路中，由于电源电压远大于二极称为整流电路。在整流电路中，由于电源电压远大于二极管的正向压降，因此用理想二极管模型来分析电路。管的正向压降，因此用理想二极管模型来分析电路。 二极管电路分析举例二极管电路分析举例【例【例1-1】电

22、路如图】电路如图1-15所示，假设图中的二极管是所示，假设图中的二极管是Si管，管，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。（a） (b)解：解：二极管二极管D导通，输出电压导通，输出电压 。 二极管二极管D截止，输出电压截止，输出电压 。【例【例1-2】电路如图所示，二极管的正向导通压降为】电路如图所示，二极管的正向导通压降为0.7V，试分析电路的工作原理，并画出，试分析电路的工作原理，并画出 和和 的波形。的波形。VU3 . 2O1VU5O2uiuO解：解：【例【例1-3】电路如图所示，已知】电路如图所示，已知ui=6sintV，图中的，图中

23、的D1和和D2为理想二极管为理想二极管(导通时正向压降为零，截止时反向电流为零导通时正向压降为零，截止时反向电流为零)。试画出试画出ui与与uo的波形，并标出幅值。的波形，并标出幅值。二极管限幅电路二极管限幅电路练一练练一练 在图所示的各电路图中，二极管的正向压降可忽略不计，在图所示的各电路图中，二极管的正向压降可忽略不计，画出则输出电压画出则输出电压uo的波形。的波形。DER( a )( b)( c )( d)RRREEDiuouiuiuouououiuDLRLRLRLRED0V/outiuV5EV100V/outiuV5EV10例题例题 电路如图电路如图P1.5（a）所示，其输入电压）所示

24、，其输入电压uI1和和uI2的波形如图的波形如图（b）所示，二极管导通电压）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。的波形，并标出幅值。 解：解：uO的波形如解图P1.5所示。例子：例子：Practice makes Perfect!KEY:KEY:U UO1O11.3V1.3V，U UO2O20 0，U UO3O31.3V1.3V，U UO4O42V2V，U UO5O51.3V1.3V，U UO6O62V2V。 1.4 特殊二极管特殊二极管1.4.1 稳压管稳压管稳压管又称齐纳二极管，是一种工作在反向击穿状态下的面稳压管又称齐纳二极管，是一种工

25、作在反向击穿状态下的面接触型硅半导体二极管。接触型硅半导体二极管。稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图(a)，(b)，(c)所示。所示。(a)伏安特性伏安特性 (b)符号符号 (c)等效电路等效电路稳压管的主要参数稳压管的主要参数（1）稳定电压）稳定电压UZ：指在规定电流下，稳压管的反向击穿电：指在规定电流下，稳压管的反向击穿电压。压。（2）稳定电流）稳定电流IZ：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至不能稳压。在保证不超过

26、稳压管的额定功率前提下，电流不能稳压。在保证不超过稳压管的额定功率前提下，电流越大，稳压管稳压效果越好。越大，稳压管稳压效果越好。（3）额定功耗）额定功耗PZM：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积。积。（4）动态电阻）动态电阻rZ：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。越小，端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。越小，稳压管稳压效果越好。稳压管稳压效果越好。（5）温度系数）温度系数aUZ：用于反映温度变化对稳定电压的影响，：用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指温度每变化

27、是指温度每变化1所引起的稳定电压的变化量。所引起的稳定电压的变化量。例题：例题： 设硅稳压管设硅稳压管Dz1和和Dz2的稳定电压分别为的稳定电压分别为5V和和10V，求图中，求图中各电路的输出电压各电路的输出电压U0，已知稳压管的正向压降为，已知稳压管的正向压降为0.7V。DZ1DZ225VUO1k( )bDZ1DZ225VUO1k( )c( )d( )aDZ1DZ225VUO1kDZ1DZ225VUO1k知识点：知识点：对于稳压管来讲对于稳压管来讲1.1.工作在反向状态，才能稳压，此工作在反向状态，才能稳压，此时两端电压等于其稳定电压；时两端电压等于其稳定电压；2.2.工作在正向状态，稳压管两端电工作在正向状态，稳压管两端电压等于其压降。压等于其压降。练一练：练一练： 有两个稳压管有两个稳压管Dz1和和Dz2，其稳定电压分别为，其稳定电压分别为5.5V和和8.5V，正向压降都正向压降都0.5V，能否得到，能否得到0.5V、6V、9V和和14V几种稳定几种稳定电压，说明理由。电压，说明理由。1.4.2 光电二极管光电二极管l特点：电路中一般处于反向工作状态，没有光照射时，特点：电路中一般处于反向工作状态，没有光照射时，其反向电阻很大，其反向电阻很大，PNPN结流过的反向电阻很小；