02 二极管及其应用

1、第 2 章 二极管及其电路半导体二极管是模拟电路的基本构件之一，在学习电子电路之前，必须对它的结构、 工作原理、外特性及其应用有充分的了解。教学要求理解半导体中两种载流子：电子和空穴的物理意义。理解N和P型半导体的物理 意义及PN结的形成机理。熟练掌握PN结的单向导电性，理解PN结的伏安特性方程的物理意义。 3掌握半导体二极管特性及主要参数，熟练掌握半导体二极管的模型对基本应用电路的分析。4掌握稳压管的特性及主要参数、稳压管稳压稳压电路。特殊二极管.稳压二极管的伏安特性和主要参数。.稳压管的稳压电路。基本概念1. 半导体的基本知识半导体是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。它的导电能力与温

2、度、光照和 掺杂浓度有关。(1) 本征半导体单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅(Si)和锗(Ge),如图2.1所示。的共价键图 2.1 本征硅或锗的晶体结构纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在一定的温度下，本征半导体内 的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生），如图2.2 所示。本征激发产生两种 带电性质相反的载流子自由电子和空穴。温度越高，本征激发越强。电子空穴对电子空穴图 2.2 本征激发产生电子 -空穴对（2） 杂质半导体在本征硅（或错）中掺入微量5价（或3价）元素后形成N型（或P型）杂质半导体（N型：图2.3所示，P型：图2.4所示）。图 2.3 N 型半导

3、体施主正离子 自由电子受主负离子 空穴图 2.4 P 型半导体N型（P型）半导体产生自由电子和杂质正离子对（空穴和杂质负离子对）。由于杂质 电离，N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少 子是自由电子。在常温下，多子少子。多子浓度和掺杂浓度有关，几乎等于杂质浓度， 与温度无关；而少子浓度是温度的敏感函数。杂质半导体的导电率比本征半导体高很多。（3） 半导体中的两种电流在半导体中存在因内电场作用产生的少数载流子漂移电流(这与金属导电一致)；还存 在因载流子浓度差而产生的多数载流子扩散电流。PN 结(1) PN 结在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形成

4、一个特殊的薄层PN 结，如图 2.5 所示。+P型半导体N型半导体P型4N型e $eeeg V时，D的阳极电位高于阴极电位，D导通，此时v被限定为V ； TOC o 1-5 h z iilllol在v的负半周，当|v I V时，D的阳极电位高于阴极电位，D导通，v此时被限定为V ；ii222o2在v的其他时间间隔内，D和D均受反向电压而截至，所以v始终与v的波形相同。 HYPERLINK l bookmark150 o Current Document il 2oi【例2.4】电路如图2.15所示，二极管为硅管，输入信号v = lOsin血tmV,V = 10V，电容CCi 器C对交流信号的容

5、抗可忽略不计，试计算输出电压v的交流分量。O+rjvT oC 25QD疋5.1kOCCV 一亠图 2.15 例 2.4 的电路解：当二极管电路中同时存在较大的直流电源和微变的交流信号时，应该先假设交流信号 为零时，采用二极管的恒压降模型计算出流过二极管的直流电路，然后利用二极管的微变 等效模型分析计算其交流分量，即先作直流分析再做交流分析。当交流信号为0,电容器C开路时，流过二极管的直流电流l0 - 0.75.l x l03A q l.82mA此时，可估算出二极管的动态电阻26mVI mA26l.82q l4.30D在进行交流分析时，令直流电源和电容器短路，二级管可用交流等效电阻代替。电路 等

6、效为图2.l6，由图2.l6可求出输出电压的交流分量为:v q 3.6sine/mVl4.3 + 25 i图 2.16 图 2.15 的交流等效电路【例2.5】如图2.l7所示电路，若稳压管的稳定电压为l2V，最大稳定电流为20毫安，输 入电压为30V，限流电阻为l.5kQ，负载电阻为2kQ,试求：（l）流过稳压管的电流；（2） 当负载开路时，流过稳压管的电流；（3）如果输入电压由 30V 变化到 35V 时，流过稳压管的电流。(I )VO图 2.17 例 2.5 的电路解：此电路为并联稳压电路，当输入电压为30V时，因为输入电压在限流电阻和负载电阻 之间分压可得负载电阻上的电压为30X(2/

7、 (2+1.5) 17V,大于稳压管稳定工作电压 12V,所以稳压管可以正常工作为反向击穿区，输出稳定的电压；V = V = 12V, I = 12/2 = 6mA; I = (V- VO)/R = (30 12)/1.5 = 12mAOZORI OI 二I -1 二 6mAz R O如果负载开路，流过稳压管的电流即为限流电阻上电流；如果输入电压由30V变化到35V 时，V = V = 12V,I = 12/2 = 6mA;I =(匕-匕)依=(35 12)/1.5 = 15.3mAO Z O R I O流过稳压管的电流I = I -1 = 9.3mA。z R O【例2.6】已知两只硅稳压管D

8、和D的稳压值分别为5V和10V,请求出下列几种连接电 Z1 Z2路的端电压。已知稳压管的正向压降为0.7V。VI12VVO1DlZ21(a)图 2.18 例 2.6 的电路解：上面 4个图为稳压管的串联和并联图中输入电压大于1.4V,两个稳压管均处于正向导通状态V = V + V = 0.7V + 0.7V = 1.4V。O1 Z1 Z2图中输入电压20V，即两个稳压管均反向击穿，V = V + V = 10V + 5V = 15V。O2 Z1 Z2图中两只稳压管并联，V V，所以在D反向击穿后，V = 5V,D 截止，所以Z1 Z2Z1Z1Z2V 二 5V。O3图中两只稳压管并联，D正向导通

9、后，D截止，所以V = 0.7V。Z2Z1O4习题详解2.1在T=300K时，某硅管和锗管的反向饱和电流分别是0.05pA和10pA。两管按如 图题2.1所示的方式串联，且回路中电流为1mA。试用二极管伏安特性方程估算两管的端 电压。解 ，两管已充分导通，故伏安关系为i = I (eVT -1丿,图 2-1 习题 2.1 的电路DS由此 v V lniD，VT - 26mV (T=300K)D T ITSv = V In1000 = 0.1 19VGe T 10v = V In1000 = 0.2575V。Si T 0.052.2在T=300K时，对于某一二极管，利用PN结伏安方程作以下的估算

10、：（1）若反向饱和电流IS = 0.01pA，求正向电压为0.1V、0.2V和0.3V时的电流。S（2）当反向电流达到反向饱和电流的90%时，反向电压为多少？（3）若正反向电压均为0.05V，求正向电流与反向电流比值的绝对值。解：0.1(1) V=0.1 伏时，I = 0.01(e0.026 1) = 0.458yA ；1V=0.2 伏时，I = 0.01(e鑑1) = 21.9yA ；20.3V=0.3 伏时，I = 0.01(1) = 1.026mA ；3 .(2)按题意-0.91 = I (e0.026 -1)；由上式解出 V = 0.026ln0.1 = 0.06VS SIe 0.00

11、.026 1r Ie 0.0/0.026 13)=6.842.3写出图2-2所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压VD为0.7V。2V2V2VVO3O+2VVO6fl图 2-2 习题 2.3 的电路 解：先假设图中所有二极管均断开，分别求解二极管两端承受压降 VO11.3V,因为二极管两端压降为2V,二极管正向导通。 VO2=0,因为二极管两端压降为-2V,二极管反向截止。VO3 1.3V,因为二极管两端压降为4V,二极管正向导通。 V42V，因为二极管两端压降为-4V,二极管反向截止。 VO51.3V,因为二极管两端压降为4V, 二极管正向导通。 VO62V。因为二极管两端压降为-4V,二

12、极管反向截止。O62.4试分析图2-3电路中的二极管D的状态（导通还是截止）。18koLJ 25k qLJ140kQ10V =A1BD15V-2kQj10k QDM15V 1 -JoR3k012V图 2-3 习题 2.4 的电路图 2-4 习题 2.5 的电路解：去掉二极管，以接地点（设为0）为参考点，则25= X10 +X15 = 3.5AO 18 + 225 + 5=x 15 = 1BO 140 +10因为V V，所以二极管反偏截止。B0 A02.5试判断图2-4电路中二极管D1和D2是导通状态还是截止状态。设二极管的正向 导通压降为0.7V。解：首先将D,和D2断开，求得两管将承受的电压

13、值分别为：D,管V = 12V; D2管 TOC o 1-5 h z 1210A2V = 12V -5V = 7V;因为D,两端承受的正向压降大，所以D,导通，又因为D,导通所以A BA 111点电位被钳位于-0.7V,故V =-5V - （-0.7V） = -4.3V，使D2截止。BA2结论：D导通，D2截止。2.6电路如图题2.5所示，二极管导通电压VD=0.7V,常温下VT26mV,电容C对交 流信号可视为短路；v.为正弦波，有效值为10mV。试问二极管中流过的交流电流有效值为 i多少？iD图 2-5 习题 2.6 的电路解：二极管的直流电流I = (V-V )/R = 2.6mADD其

14、动态电阻r = V /I = 26mV/2.6mA100d T D故动态电流有效值i = v /r a 1mAD i d2.7 电路如图 2-6所示，假设二极管是理想开关，试画出图示并联型双向限幅器的输出电 压v的波形。图中v是振幅为12V的正弦电压。并试总结：要使上限幅电压为V 和下限 oiMAX幅电压为V 的电路构成原则以及对输入电压的要MIND立D不16V丄6V丄求。解：(1)支路上D,有6V反偏，v -6V时，D图 2-6 习题 2.7 的电路不通。.-6V v 6V 时，D,导通，v = 6V。i 1 o当 v V ，两电压均可正负。MAX MIN对v的要求：V Viimax max

15、2.8电路如图2-7(a)所示，其输入电压vil和vi2的波形如图(b)所示，二极管导通电压VD 为0.7V。试画出输出电压v的波形，并标出幅值。f CC 牡 |4.7kQvD1-41 1flvvdDot(a)(b)图 2-7 习题 2.8 的电路和输入波形解：v 的波形如习题 2.8 解图所示 o题 2.8习题 2.8 的解图Avi+v o图 2-8 习题 2.9 的电路2.9图2-8所示电路中，v是振幅为10V的低频正弦电压，二极管视为恒压降器件（正 i向导通电压为0.7V）。试画出v的波形。o解一 丁二极管在回路中有2V正偏，又D导通电压为0.7V， v 1.3V 时，D 导通。v =-

16、0.7 + v + 2 = 1.3 + vi o i i当 v 0.7 V 时，D 导通，v = v 一 0.7。v 2,R 一 R 0.273kQ，R 12 + 9当V = 15V，且R开路时，D管耗最大。此时，ILZ管耗应小于250mW，即P15 - 915 - 9I -zmax = 27.78mA,即卩= O.216k0 HYPERLINK l bookmark174 o Current Document Zmax VR27.78Z ，应选取2160R V = 8 V 时，iZv 一V =0.7V 时，i ONV v V 时，D 截止，。ON i ZZ波形图如习题 2.11 的解图V 2

17、DW12D 左IrllkQQvO图 2-9 习题 2.10 的波形D 击穿，ZD 导通，Zvov = 8Voov = 0.7 V oo=vi图 2-10 习题 2.11 的电路vo习题 2.11 的解图2.12分析图2-11所示二极管箝位电路，画出输出电压v的近似波形。图中v是振幅为 iMIN V要求：Vi imax MAX imin2.13图2-12为串联型二极管双向限幅电路。假设D,和D2为理想开关，试分析画出v1 2 O 对 v 的电压关系曲线。I解:状态1 D,、D2均截止，此时v = 10VB, d2不能截止。但要求 v 40 V， v 40 Vo（40 - 10）x 10020V2

18、0 V = v = v ， CB2.145V的正弦电压。试总结：要使底部电压箝位于V 和顶部电压箝位于V 的原则以及对 MIN MAX 输入电压的要求，设二极管为理想。解：因为二极管D上有3V反偏，故当v 3V后,D导通,C被快充电至（v峰值时）2V。 ii 之后12v = 40 V。丁 v vCC B此状态不存在。状态2： D导通，D2截止。此时， v = v = 40 V，CD状态3： D,截止，D2导通。此时臥12O50 +100但要求，v v . v 20 VoI B I状态4： D、D均导通。由状态2、3可知，20 v 18V0+- +e+1_1+1_12CW152CW15S12CW15J5IVV 8.7VVV 10.7VVV 1.4VOIOO2CW17 _2CW172CW170O0-RRR十2CW15VO-2CW174V 二 18V oV 二 8.7V oV 二 10.7V oV = 1.4V o习题 2-14（2）