二极管及其基本应用电路

1、模 拟 电 子 线 路,张智玮,模拟电子线路是电子类专业重要的专业基础课程之一。在学习常用半导体器件基本原理与特性的基础上，着重研究模拟电子线路的基本概念、原理和分析方法。通过本课程的学习，使电子类专业人才掌握一定的基础理论知识、实践能力以及分析问题和解决问题的能力。,模拟电子线路,课程简介,本课程内容多、知识点分散、分析方法多样、器件和电路类型复杂。先行课程为电工基础，后续课程包括数字电路、集成电路原理等。,模拟电子线路,课程简介,二极管,集成器件,三极管,场效应管,单管三组态放大器,差动放大器,低频功率放大器,集成运放应用电路,多级负反馈放大器,直流稳压电源,半导体器件,单元电路,应用电路

2、,课程结构,模拟电子线路,模拟电子线路,考核要求,1. 不得迟到、早退、旷课,2. 课堂上不得随意讲话,3. 按时独立完成作业,半导体基础知识,在各种电子设备中，电子线路是主要组成部分。而半导体器件是电子线路的核心，主要包括二极管（D）、三极管（BJT或T）和场效应管（FET）。 本节讲授半导体的基本知识，为理解半导体器件的特性与工作原理奠定必要的基础。,1.1,1.1半导体基础知识,一、半导体材料,1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间 的一种物质。,2、半导体材料 元素半导体：硅（Si）、锗（Ge） 化合物半导体：砷化镓（GaAs） 掺杂材料：硼（B）、磷（P）,3、重要特性：光敏与热敏

3、特性 掺杂特性,二、半导体的共价键结构,硅和锗的原子的最外层都有4个电子，又叫价电子。,硅,锗,1.1半导体基础知识,共价键中的价电子不同于自由电子，不能导电。,1.1半导体基础知识,三、本征型半导体,1.本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体 化学成分纯净度（99.99999）,2.载流子：可移动的带电粒子,3.本征激发：温度升高或光照增强价电子得到足够的能量成为自由电子在原先共价键中留下一个空位（空穴）,1.1半导体基础知识,自由电子与空穴都是可以移动的载流子 自由电子带负电，空穴带正电 本征半导体中，自由电子与空穴成对出现，成对消失,1.1半导体基础知识,四、杂质半导体,1.N型半

4、导体, 形成一个自由电子和不能移动的施主正离子,掺入五价元素（P）,N型半导体： 自由电子多数载流子 浓度取决于掺杂杂质 空穴少数载流子 浓度取决于本征激发,N型半导体是电中性,1.1半导体基础知识,2.P型半导体, 形成一个空穴和不能移动的受主负离子,掺入三价元素（B）,P型半导体： 空穴多数载流子 浓度取决于掺杂杂质 自由电子少数载流子 浓度取决于本征激发,P型半导体是电中性,1.1半导体基础知识,五、PN结的形成,-,-,-,-,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,空穴扩散,电子扩散,P,N,浓度差,多子扩散运动,空间电荷区,内电场,少子漂移运动,动 态 平 衡,+,+,

5、+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,1.1半导体基础知识,PN结：空间电荷区、耗尽层、 阻挡层、势垒区,扩散运动：由浓度差引起,漂移运动：由内电场引起,内电场的作用：抑制扩散 促进漂移,-,-,-,-,+,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,空穴扩散,电子扩散,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,-,-,P,N,PN结动态平衡时，扩散电流与漂移电流大小相等、方向相反，流过PN的总电流为0。,1.1半导体基础知识,六、PN结的单向导电性,1）正向偏置,P、 N,外电场削弱内电场，从而促进多子的扩散，抑制少

6、子的漂移。,PN结中以多子的扩散电流为主，方向PN，称为正向电流。,正向电流较大，PN结呈现较小电阻，称PN结正向导通。,1.1半导体基础知识,正向导通时， PN结变窄,1.1半导体基础知识,2）反向偏置,P、 N,外电场加强内电场，从而抑制多子的扩散，促进少子的漂移。,PN结中以少子的漂移电流为主，方向NP，称为反向电流Isat。,反向电流较小，PN结呈现较大电阻，称PN结反向截止。,1.1半导体基础知识,反向截止时， PN结变宽,1.1半导体基础知识,二极管及其基本应用电路,1.2,1.2二极管及其基本应用电路,一、二极管的结构与符号,二、二极管的单向导电特性,正向导通、反向截止,二极管单

7、向导电示意图,（a）正偏导通,（b）反偏截止,1.2二极管及其基本应用电路,二、二极管的单向导电特性,1）正向特性,Uon：导通电压、死区电压、门限电压 Uon 0.5V(硅) 、0.1V(锗),UD ：管压降 UD0.7V(硅) 、0.2V(锗),1.2二极管及其基本应用电路,2）反向特性,Isat:反向饱和电流(IR）,nA量级 (硅) A量级(锗),二极管伏安特性方程,k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量,在室温（27或300K）时UT26mV,1.2二极管及其基本应用电路,3）反向击穿特性,当二极管的反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增加，此现象称为反向击穿。,UBR：击穿

8、电压,1.2二极管及其基本应用电路,二极管具有电容效应，当其两端电压变化时，其存储的电荷也发生变化。 按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容 （1）势垒电容 （2）扩散电容 结电容为两者之和： 正偏时，结电容以扩散电容为主； 反偏时，结电容以势垒电容为主。,*三、电容效应,1.2二极管及其基本应用电路,半导体具有热敏特性，因此，二极管对温度也有一定的敏感性。 温度每升高1，正向压降减小22.5mV； 温度每升高10，反向电流约增大一倍。 二极管的反向特性受温度的影响较大 温度对二极管的影响是不可避免的，因为温度总是存在于器件中存在且经常变化的。,四、温度特性,1.2二极管及其基本应用电路,1、

9、最大整流电流 IF：最大正向平均电流,2、最高反向工作电压 UR：,3、反向电流 IR：越小越好,4、最高工作频率 fM ：取决于结电容,五、二极管的主要参数,1.2二极管及其基本应用电路,1理想模型,U 0，二极管导通，管压降为0,相当于短路,U 0，二极管截止，电流为0,相当于断路,等效电路,伏安关系,导通,截止,六、二极管的等效电路模型,1.2二极管及其基本应用电路,2恒压降模型,U UD，二极管导通， 管压降为UD，恒定,U UD ，二极管截止，电流为0,相当于断路,等效电路,伏安关系,导通,截止,1.2二极管及其基本应用电路,3折线模型,U Uon，二极管导通， 管压降随电流变化,U

10、 Uon，二极管截止，电流为0,相当于断路,伏安关系,1.2二极管及其基本应用电路,直流电阻,用万用表直接测量出的是二极管的直流电阻RD，一般二极管的正向直流电阻约几十欧至几千欧之间，反向直流电阻约几十千欧至几百千欧以上。,ui为交流小信号，约为几mV， E为控制二极管D通断的直流电压，其值可达几V以上。 当E0时，D截止 当E0.7v时，D导通,七、二极管的基本应用电路 1.开关电路,直流电压E通过控制二极管的状态，实现对交流信号的开关控制。,1.2二极管及其基本应用电路,2.整流电路,a,b,Uab = ui,ui为交流信号，D为理想二极管,ui 0时， D导通，uo=ui ui 0时，

11、D截止，uo=0,1.2二极管及其基本应用电路,b,三、限幅电路,D为硅管 ui5sintV，E2V,a,Uab = uiE,(1) Uab = uiE0.7时， 即ui2.7V，D导通，,uo2.7V,(2) Uab = uiE0.7时， 即ui 2.7V，D截止，,uoui,1.2二极管及其基本应用电路,一、稳压二极管,稳压二极管：工作于反向 击穿状态，具有稳定电压 的特点。,UZUBR, UZ ,1.3特殊二极管,1.伏安特性,2.稳压电路,IZmin IZ IZmax,IZ,Uo = UZ,1.3特殊二极管,例题：稳压管的稳压值UZ6V，求输出电压,1.3特殊二极管,例题：Ui15V，

12、稳压管UZ7V，IZmax20mA，IZmin5mA 求：（1）RL开路时限流电阻R的取值范围 （2）当R800时，接入负载的最小值RLmin,（1）Rmin400 Rmax1.6K ,（2）,RLmin1.4K ,1.3特殊二极管,工作在反偏状态，利用势垒电容 主要用作可变电容（受电压控制） 常用于高频电路中的电调谐电路,二、变容二极管,1.伏安特性,1.3特殊二极管,2.电调谐电路,ui是交流输入信号 U是直流电压，保证变容二极管反偏， 同时控制变容二极管的电容量,1.3特殊二极管,三、发光二极管,1.3特殊二极管,电子空穴复合时，会散发出能量，由磷、砷、镓等化合物半导体制成的PN结以光的形式释放出这些能量。,发光二极管：LED，属于光电子器件，正偏,电信号光信号,1.3特殊二极管,四、光电二极管,光信号电信号,1.3特殊二