ch03半导体二极管及其基本应用电路

1、理想运放工作特点,（1）工作在线性工作区的特点,2020/7/5,安徽科技学院,2,当 时，,注意：此时输入端的输入电流也等于零,（2）工作在非线性（饱和区）工作区的特点,当 时，,当 时，,2020/7/5,安徽科技学院,3,1. 反相比例运算,理想运放组成的基本运算电路,2020/7/5,安徽科技学院,4,2.同相比例运算,返回目录,2020/7/5,安徽科技学院,5,3.反相加法运算,2020/7/5,安徽科技学院,6,4.同相加法运算,2020/7/5,安徽科技学院,7,5.减法运算,2020/7/5,安徽科技学院,8,叠加原理,在线性电阻电路中，某处电压或电流都是电路中各个独立电源单

2、独作用时，在该处分别产生的电压或者电流的叠加。,在叠加电路的分电路中，不作用的电压源置零（在电压源作用处用短路代替）。电路中的所有电阻不予变动。,2020/7/5,安徽科技学院,9,二、集成运放的非线性工作区,（1）输出电压uo只有两种可能的情况，分别为UOM 。,（2）仍具有“虚断”的特点。,即：uPuN，uo =+ UOM ；,uPuN ，uo =- UOM 。,即： iP=iN =0。,在电路中，若集成运放处于开环状态，或只引入了正反馈，则表明集成运放工作在非线性区。,理想运放组成的电压比较器,2020/7/5,安徽科技学院,10,（2）阈值电压,uO发生跳变时的uI,第3章 半导体二极

3、管及其基本应用电路,3.1 半导体基础知识 3.2 半导体二极管及其基本应用电路 3.3 稳压二极管及其基本应用电路 3.4 发光二极管及其基本应用举例,2020/7/5,安徽科技学院,12,3.1 半导体基础知识,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。,根据物质导电性能的不同，对物质的分类：,2020/7/5,安徽科技学院,13,3.1.1 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

4、。,一、半导体,导电特性处于导体（低价元素构成）和绝缘体（高价元素构成）之间，称为半导体，如锗、硅等，均为四价元素。,2020/7/5,安徽科技学院,14,价电子共有化，形成共价键的晶格结构,2020/7/5,安徽科技学院,15,3.1.1 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。,一、半导体,二、本征半导体的导电情况,金属导电是由于其内部有自由电子存在(载流子), 在外电场的作用下,自由电子定向移动,形成电流.,2020/7/5,安徽科技学院,16,半导体中有两种载流子:自由电子和空穴,自由电子,空穴,2020/7/5,安徽科技学院,17,在外电场作用下，电子的定向移动形成电流

5、,2020/7/5,安徽科技学院,18,在外电场作用下，空穴的定向移动形成电流,2020/7/5,安徽科技学院,19,1.本征半导体中载流子为电子和空穴; 2.电子和空穴成对出现,浓度相等; 3.由于热激发可产生电子和空穴,因此半导体的导电性和温度有关,对温度很敏感。,总结,2020/7/5,安徽科技学院,20,3.1.2 杂质半导体,一、N型半导体,在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。,多子-电子; 少子-空穴.,2020/7/5,安徽科技学院,21,1.1.2 杂质半导体,二、P型半导体,在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中

6、硅原子的位置，就形成了P型半导体。,多子-空穴; 少子-电子.,2020/7/5,安徽科技学院,22,3.1.3 PN结,采用不同的掺杂工艺，将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结具有单向导电性。,一、PN结的形成,P区,N区,2020/7/5,安徽科技学院,23,一、PN结的形成,在交界面，由于两种载流子的浓度差，出 现扩散运动。,2020/7/5,安徽科技学院,24,一、PN结的形成,在交界面，由于扩散运动,经过复合,出现空 间电荷区,2020/7/5,安徽科技学院,25,一、PN结的形成,当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。,PN

7、结,2020/7/5,安徽科技学院,26,1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; 2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; 3.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成PN结。,总结,2020/7/5,安徽科技学院,27,二、PN结的单向导电性,1. PN结外加正向电压时处于导通状态,加正向电压是指P端加正电压，N端加负电压，也称正向接法或正向偏置。,注意哦！,2020/7/5,安徽科技学院,28,内电场,外电场,外电场抵消内电场的作用，使耗尽层变 窄，形成较大的扩散电流。,2020/7/5,安徽科技学院,29,2. PN结外加反向电压时处于截止状态,外电场和内电场的共同作用，使耗尽层

8、变 宽，形成很小的漂移电流。,2020/7/5,安徽科技学院,30,三、PN结的伏安特性,PN结的电流方程为,其中， IS 为反向饱和电流， UT26mV，,3.2 半导体二极管,将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了半导体二极管。由P区引出的电极为阳极（A） ，由N区引出的电极为阴极（ K ）。,二极管的符号：,2020/7/5,安徽科技学院,32,3.2.2 伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,2020/7/5,安徽科技学院,33,环境温度升高时，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。在室温附近,温度每升高1C,正向压降减小2

9、2.5mV;温度每升高10C，反向电流约增大1倍。二极管的特性对温度很敏感。,2020/7/5,安徽科技学院,34,3.2.3 二极管的主要参数,1.最大整流电流IF,2.最高反向工作电压UR,二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。,二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿电压的一半。,半导体的参数是对其特性和极限应用的定量描述， 是设计电路时选择器件的主要依据。,2020/7/5,安徽科技学院,35,由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的简单、方便，可在特定情况下对其进行线性化处理，即用线性化的等效模型来代替二极管。,3.2.4 二极管的等效电路,当二极管两端电压远小于与 之串联的

10、元器件电压，流过 二极管的电流远小于与之并 联分支电流时，可将二极管 理想化。 认为：二极管正向导通，导 通电压为0，反向截止，截止电流为0。,2020/7/5,安徽科技学院,36,3.2.4 二极管的等效电路,当二极管两端电压超过导通电压时，认为二极管导通，导通电压为Uon,当二极管两端电压小于导通电压或者为负电压时，认为二极管截止,截止电流为0。,2020/7/5,安徽科技学院,37,Q,iD,uD,3.2.4 二极管的等效电路,2020/7/5,安徽科技学院,38,3.2.5 二极管的基本应用,【例1】画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。,二极管整流,2020/7/5,安徽科技学院,

11、39,【例2】画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。,0.7V,0.7V,-3V,二极管限幅,2020/7/5,安徽科技学院,40,【例3】电路如图所示，二极管的导通电压UD约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。,当开关断开时，二极管因加正向电压而处于( )状态，故输出电压为,导通,分 析,2020/7/5,安徽科技学院,41,【例3】电路如图所示，二极管的导通电压UD约为0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。,当开关闭合时，二极管外加反向电压，因而（ ），故输出电压为,分 析,截止,2020/7/5,安徽科技学院,42,UO1( )，UO2( )，U

12、O3( )， UO4( )，UO5( )，UO6( ),【例4】写出图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD 0.7V。,1.3V,0,1.3V,2V,1.3V,2V,2020/7/5,安徽科技学院,43,3.3 稳压二极管及应用,1. 稳压管的工作原理,稳压管的符号,3.3.1 稳压二极管,2020/7/5,安徽科技学院,44,2. 稳压管的主要参数,稳定电压UZ,UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。,稳压电流IZ,额定功耗PZM,IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。,PZM 等于稳定电压UZ与最大稳定电流IZM （或 IZ

13、max ）的乘积。,2020/7/5,安徽科技学院,45,3. 稳压管的稳压条件,稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。,必须工作在反向击穿状态；,流过稳压管的电流在IZ和IZM之间 。,注意！,2020/7/5,安徽科技学院,46,3.3.2. 稳压管的应用,【例1】典型应用电路：,RL为负载电阻，R限流电阻 当UI变化时，由于稳压管的作用，输出UO不变。,2020/7/5,安徽科技学院,47,【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZmin=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、15V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什

14、么现象？,解题思路,首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压， 是否满足稳压条件；然后假设稳压管工作（稳压）， 看其是否满足稳压条件。,2020/7/5,安徽科技学院,48,解：假设稳压管不工作,UI为10V时,稳压管不工作，UO=3.3V,【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZmin=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？,2020/7/5,安徽科技学院,49,UI为35V时,同理可求出 UO =6 V,稳压管将因功耗过大而损坏,【例2】已知稳压管的UZ=6V, 最小电流IZ

15、min=5mA, 最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算UI为10V、35V时输出UO的值。 （2）若UI为35V时负载开路，则会出现什么现象？,假设稳压管工作,IR=(UI-UZ)/R=29mA, IDZ IZmax,IDZ = IR- IL =29mA,UI为35V时负载开路,2020/7/5,安徽科技学院,50,【例3】两只稳压管的稳压值分别为5V和10V，正向 导通电压为0.7V,将他们串联或者并联，可能得到几种 电压值？,15V,5.7V,10.7V,1.4V,5V,0.7V,2020/7/5,安徽科技学院,51,3.4 发光二极管,1. 光电二极管是一种将光能转换为电能的半

16、导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。,2020/7/5,安徽科技学院,52,2. 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成,当发光二极管正偏时，注入到N区和P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。,2020/7/5,安徽科技学院,53,3. 发光二极管的发光颜色取决于所用的材料，目前常见的有红、绿、黄、橙等色。,4. 发光二极管工作在正向区，只有当外加正向电压使得正向电流足够大时才可以发光，它的开启电压比普通二极管的大。 红色：1.61.8V 绿色：2V左右 正向电流越大，发光越强。,1.2 半导体二极管,二极管的符号：,2020

17、/7/5,安徽科技学院,55,一、伏安特性,导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压UBR,2020/7/5,安徽科技学院,56,二、 二极管的主要参数,1.最大整流电流IF,2.最高反向工作电压UR,2020/7/5,安徽科技学院,57,三、二极管的等效电路,当二极管两端电压远小于与 之串联的元器件电压，流过 二极管的电流远小于与之并 联分支电流时，可将二极管 理想化。 认为：二极管正向导通，导 通电压为0，反向截止，截止 电流为0。,当二极管两端电压超过导通电压时，认为二极管导通，导通电压为Uon,当二极管两端电压小与导通电压或者为负电压时，认为二极管截止,截止电流为0。,2020/7/5,安徽科技学院,58,四、二极管的应用,【例1】画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。,二极管 整流电路,2020/7/5,安徽科技学院,59,【例2】画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。,0.7V,0.7V,-3V,二极管 限幅电路,2020/7/5,安徽科技学院,60,五、 稳压二极管及应用,1. 稳压管的工作原理,稳压管的符号,2020/7/5,安徽科技学院,61,2. 稳压管的主要参数,稳定电压UZ,UZ是指击穿后在电流为规