3.二极管及其基本电路课件

1、实际二极管的照片,第三章 二极管及其基本电路,第三章 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,导体：自然界中很容易导电的,电阻率小于10-4cm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，电阻率大于1010cm的物质称为绝缘体，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。,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,1. 热敏性 所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增

2、加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。 例如纯净的锗从20 升高到30 时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,3.1.1 半导体材料,2. 光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。 一种硫化镉薄膜， 在暗处其电阻为几十兆欧姆， 受光照后， 电阻可以下降到几十千欧姆， 只有原来的1%。 自动控制中用的光电二极管和光敏电阻， 就是利用光敏特性制成的。 而金属导体在阳光下或在暗处， 其电阻率一般没有什么变化。,3.1 半导体的基本知识,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例

3、如：,3.1.1 半导体材料,3. 杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件，而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。,半导体之所以具有上述特性， 根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。,3.1 半导体的基本知识,3.1.2 半导体的共价键结构,在电子器件中，用得最多的半导体是硅和锗，它们原子的最外层电子（价电子）的个数都是四个。,3.1 半导体的基本知识,3.1.2 半导体的共价键结构,硅和锗的原子结构简化模

4、型,3.1 半导体的基本知识,常见的半导体硅和锗都是晶体（原子排列有一定规律、整齐地排列的结构）。但是也存在非晶体Si，可以用在太阳能电池上。,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1 半导体的基本知识,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的离子,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，常温下极少数束缚电子能脱离共价键成为自由电子，本征半导体中的自由电子极少，所以本征半导体的导电能力很弱。,原子与原子间形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,1 本征半导体,3.1 半导体的基本知识,通常把纯净的不含任何杂质的半导体 称

5、为本征半导体。,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，不能运动，它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,1 本征半导体,3.1 半导体的基本知识,当温度逐渐升高或在一定强度的光照下，一些价电子从热运动中获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为自由电子。同时，在原来的共价键位置上留下空位，称之为空穴。（相当于带有单位正电荷电荷）,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,1 本征半导体,3.1 半导体的基本知识,自由电子,空穴 （带正电）,束缚电子,这种现象，叫做本征激发。在本征激发中，自由电子和空穴总是成对出现的， 所以称之为自

6、由电子空穴对。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,1 本征半导体,3.1 半导体的基本知识,2 空穴,当价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,自由电子,空穴,束缚电子,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1 半导体的基本知识,空穴的导电作用,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1 半导体的基本知识,空穴的导电作用,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1 半导体的基本知识,空穴的导电作用,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1 半导体的基本知识,空穴

7、移动的方向与电子移动的方向相反，因此可以用空穴移动产生的电流来代替电子移动产生的电流。,1.空穴的导电作用实际上是束缚电子的移动形成的。,3.在分析时，用空穴运动来代替共价键中电子的运动比较方便。,2.空穴的运动是人们根据共价键中出现空位的移动虚拟出来的。,4.空穴和自由电子总是成对产生的，都叫做载流子。,2 空穴,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1 半导体的基本知识,结论：,5.在本征半导体中，自由电子浓度ni和空穴浓度pi总是相等的， 即 ni=pi,3 载流子的产生与复合,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,3.1 半导体的基本知识,另一方面，自由电子和空穴在热运动中

8、又可能重新相遇而复合。本征激发和复合总是同时存在，这是半导体内部进行的一对矛盾运动。在温度一定的情况下，本征激发和复合达到动态平衡，单位时间本征激发产生的自由电子空穴对数目正好等于复合消失的数目，这样在整块半导体内，自由电子和空穴的数目保持一定。,在热能的激励下，价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时产生一个空穴，这就是载流子的产生（本征激发）。,3.1 半导体的基本知识,3.1.4 杂质半导体,由于半导体具有杂敏性，因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、不同用途的半导体器件。根据掺入杂质的不同，又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。,P 型半导体：空穴浓度大大

9、增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,1 P型半导体,空穴,硼原子,思考：P型半导体中只有空穴吗？,P 型半导体中空穴是多子（多数载流子），电子是少子。,1 P型半导体,在加入的受主杂质后会产生空穴，但是原来本征晶体由于本征激发会产生少量的电子-空穴对。,若用NA表示受主原子的浓度，n表示少子电子的浓度，p表示总空穴的浓度，则有下列关系:,2 N型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷，晶体点阵中的某些原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受

10、束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。,多余 电子,磷原子,2 N型半导体,多余 电子,磷原子,N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,若用ND表示施主原子的浓度，p表示少子空穴的浓度，n表示总自由电子的浓度，则有下列关系:,2 N型半导体,3.1.4 杂质半导体,小结:,半导体掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。受主杂质产生一个空穴，施主杂质产

11、生一个自由电子，尽管杂质含量很微小，但对半导体的导电能力有很大的影响。因此，在半导体中掺杂是提高半导体导电能力的最有效方法。,3.1 end,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成和特性,3.2.1 载流子的漂移和扩散,1 载流子的漂移,由于电场作用而导致载流子的运动称为漂移。,电子的漂移速度:,空穴的漂移速度:,在数字电路或高频模拟电路中，电子导电器件优于空穴导电器件。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.1 载流子的漂移和扩散,2 扩散,在半导体中，某一区域内，由于载流子的浓度差异和随机热运动速度，载流子会由高浓度区域向低浓度区域扩散，从而形成扩散电流。,3.2 PN结的形成和特性

12、,3.2.2 PN结的形成,杂质半导体的示意表示法,3.2 PN结的形成和特性,3.2.2 PN结的形成,PN结的形成 （a） 多子的扩散运动; （b） PN结中的内电场与少子漂移,3.2 PN结的形成和特性,3.2.2 PN结的形成,1） 多子的扩散运动建立内电场 如图，由于P区的多子是空穴， N区的多子是自由电子，因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。,形成了一个从N区指向P区电场，这个电场称为内电场。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.2 PN结的形成,多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子复合而耗尽，所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电离子，形

13、成了一个空间电荷区，也就是PN结。,在空间电荷区内，多子扩散到对方发生复合而耗尽，所以空间电荷区又称耗尽层。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.2 PN结的形成,2）内电场阻碍多子扩散、帮助少子漂移运动 内电场的方向是从N区指向P区，因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反，对多子的扩散起了一个阻碍的作用。,内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。内电场对少子的运动起到了加速的作用。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.2 PN结的形成,小结,浓度差异和随机热运动速度,P区的多子空穴、N区的多子电子向对方扩散,耗尽,剩下了不能移动的带电施主和受主离子形成内电场,内电

14、场阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动,扩散运动和漂移运动相等，达到动态平衡,动画,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,未加外部电压时，PN结内无宏观电流，只有外加电压时，PN结才显示出单向导电性。,1）外加正偏电压 将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极），N区接较低电位（比如电源的负极），称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,动画,PN结正偏时，由于外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移运动很微弱，因此，PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。因为多子数量较多，所以IF较大。

15、 为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。扩散电流随外加电压的增加而增加. 由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况），因此称之为PN结导通状态。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,1）外加正偏电压,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,2 外加反向电压,将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极）， N区接较高电位（比如电源的正极），称为给PN结加反向偏置电压， 简称反偏。,动画,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,2 外加反向电压,PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，内电场增强，

16、使多子扩散减弱到几乎为零。而漂移运动在内电场的作用下，有所增强，在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反， 称为反向电流IR。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,2 外加反向电压,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,2 外加反向电压,PN结反偏时，呈现一个阻值很大的电阻，此时可以基本上认为它基本上是不导电的，称为PN结截止。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,小结:,PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；,PN结加反向电压时，电阻值很大，PN结截止；,1.,2.,PN结的单向导电性在于它的耗

17、尽区的存在，且其宽度随外加电压而变化。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.3 PN结的单向导电性,3 PN结V-I 特性表达式,iD为通过PN结的电流；vD为PN结两端的外加电压；n为发射系数，它和PN结的尺寸、材料及通过的电流有关，其值在12之间；VT为温度电压当量，VT=kT/q，k为波尔兹曼常数，T为热力学温度，q为电子电荷。,(1)vD比VT大几倍时，iD与vD成指数关系。,(1) vD0, vD的绝对值比nVT大几倍时，iD=-IS,3.2 PN结的形成和特性,3.2.4 PN结的反向击穿,1) 雪崩击穿,2）齐纳击穿,碰撞电离倍增效应雪崩击穿,强电场破坏共价键产生电子-空穴对产生

18、较大的电流,电击穿,一般的二极管,稳压二极管,可逆的,热击穿,超过最大耗散功率 烧毁,不可逆的,3.2 PN结的形成和特性,3.2.5 PN结的电容效应,二极管的两极之间有电容，由两部分组成：扩散电容CD和势垒电容CB 。,动画,势垒电容：加正向电压时，空间电荷区变窄，空间电荷减少，加反向电压时，空间电荷区变宽，空间电荷增加，PN结中的空间电荷的多少会随着外加电压的变化而变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,3.2 PN结的形成和特性,3.2.5 PN结的电容效应,扩散电容：正向偏置时，形成正向电流，P区多子空穴扩散到N区，注入N区的空穴沿N区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的

19、积累。同理，在P区有N注入的电子的浓度差。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,3.3 二极管,3.3.1 二极管的结构,在P区和N区各引出一 个电极,用管壳封装, 就构成一个二极管。,3.3 二极管,二极管的结构、电路符号: (a)点接触型; PN结面积很小，结电容很小，适用于高频、小电流的场合。 (b)面接触型; PN结面积较大，结电容较大，适用于低频、大电流的场合。,3.3.1 二极管的结构,二极管的伏安特性,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压UBR,导通压降,当正向电压大于死区电压，电流上升很快，二极管进入导通状态。,外加电压大于反向击穿电压二极管被

20、击穿。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.7V 锗0.2V,U,I,死区电压,反向电流在一定电压 范围内保持常数,3.3 二极管,3.3.2 二极管的V-I特性,导通压降: 硅管 0.7V, 锗管 0.2V。,死区电压Vth 硅管0.5V, 锗管0.1V,反向击穿电压VBR,反向漏电流 (很小，A级),反向击穿，电流迅速增大,3.3 二极管,3.3.3 二极管的主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压VBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电

21、压VRWM一般是VBR的一半。,3. 反向电流 IR,指二极管加反向电压未击穿时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。 反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,3.3 二极管,3.3.3 二极管的主要参数,3.3 二极管,3.3.3 二极管的主要参数,4.二极管的极间电容,二极管的两极之间有电容，由两部分组成： 势垒电容CB和扩散电容CD。,5.反向恢复时间TRR,二极管从正向导通到反向截止所用的时间。,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,一、 二极管V- I 特性的建模,二、 应用举例,曲线方程

22、,1. 理想模型,在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。 在实际的电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析是可行的。,VDD,R,D,iD,用理想模型求解：,2. 恒压降（串联电压源）模型,当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，硅的典型值为0.7V。不过，这只有当二极管的电流近似等于或大于1 mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此应用也较广。,VDD,R,D,iD,用恒压降模型求解：,折线模型认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻rD来作近似

23、。其中电池的电压为二极管的门坎电压Vth。电阻rD的值，可以这样来确定，当二极管的导通电流为1mA时，管压降为0.7V则： rD=(0.7 V-0.5 V)/1mA=200 由于二极管特性的分散性，Vth和rD的值不是固定不变的。,3.折线模型,VDD,R,D,iD,用折线模型求解：,4 小信号模型,无信号(直流分析),有小信号-vm vs vm,静态工作点,静态,动态,4 小信号模型,如果二极管在它的V-I特性的某一小范围内工作，例如在静态工作点Q(即V-I特性上的一个点，此时vD=VD, iD=ID)附近工作，则可把i-v特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd

24、。,4 小信号模型,也就是说，要分析动态时的rd，先要求出静态电流ID,D,二极管静态等效,二极管动态等效,根据,总量,小信号模型等效电路,模型分析应用举例,例3.6 在图示的二极管电路中，VDD=5V,R=5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs=0.1sint(V)。 (1)求输出电压的交流量vo和总量vO ；(2)绘出vo的波形。,D,小信号工作情况分析,1.先分析静态工作状态下(无输入信号)的输出电压VO,2.求微变电阻rD。,模型分析应用举例,例3.6 在图示的二极管电路中，VDD=5V,R=5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs=0.1sint(V)。 (1)求输出电压的交流量vo和

25、总量vO ；(2)绘出vo的波形。,D,小信号工作情况分析,3. 求小信号下电路的交流电压vo,4.最后将静态和动态的叠加,模型分析应用举例,例3.6 在图示的二极管电路中，VDD=5V,R=5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs=0.1sint(V)。 (1)求输出电压的交流量vo和总量vO ；(2)绘出vo的波形。,D,小信号工作情况分析,(2)绘出vo的波形。,模型分析应用举例,一、整流电路,1、二极管半波整流：,2.桥式整流电路,模型分析应用举例,一、整流电路,工作原理,a. 当u20时,电流流动方向,D1,D2,D4,D3,2.桥式整流电路,模型分析应用举例,一、整流电路,输出波形,

26、b. 当u20时,电流流动方向,D1,D2,D4,D3,2.桥式整流电路,模型分析应用举例,一、整流电路,输出波形,模型分析应用举例,二、静态工作情况分析,例3.4.3 设简单硅二极管基本电路如图所示，R=10k,图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值: (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,当VDD=10V,ID=VDD/R=1mA,vD=0V,当VDD=1V,ID=VDD/R=0.1mA,vD=0V,模型分析应用举例,二、静态工作情况分析,例3.4.3 设简单硅二极管基本电路如图所

27、示，R=10k,图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值: (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,当VDD=10V,ID=(VDD-VD)/R=0.93mA,vD=0.7V,当VDD=1V,ID=(VDD-VD)/R=0.03mA,vD=0.7V,模型分析应用举例,二、静态工作情况分析,例3.4.3 设简单硅二极管基本电路如图所示，R=10k,图b是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的ID和VD的值: (1)VDD=10V; (2)VDD=1V。在每种情况下，应用理想模型、恒压降模型

28、和折线模型求解。设折线模型中rD=0.2k,当VDD=10V,ID=(VDD-0.5)/(R+rD) =0.931mA,vD=0.5V+IDrD=0.69V,当VDD=1V,ID=(VDD-0.5)/(R+rD)=0.049mA,vD=0.5V+IDrD=0.51V,我们比较一下刚才的结果,可以看出: (1)当电源电压远远大于二极管压降时，用恒压降模型与用折线模型得出的结果几乎相同，因此用恒压降模型就可以了。,(2)当电源电压较低时，用更符合实际的折线模型得出的结果与其它模型得到的相差很大，这时应用折线模型更精确。,模型分析应用举例,三、限幅电路,例3.4.4 一限幅电路如图所示，R=1k,V

29、REF=3V,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压模型求解:(1)当vI=0V,4V,6V时，求相应的电压输出vo的值。(2)当vI=6sint时，绘出输出电压的波形。,(1)理想模型,vI=0V时，二极管截止，vo=0V,vI=4V时，二极管导通，vo=vREF =3V,vI=6V时，二极管导通，vo=vREF =3V,(2)恒压降模型,vI=0V时，二极管截止，vo=0V,vI=4V时,二极管导通,vo=vREF+ VD=3.7V,vI=6V时,二极管导通,vo=vREF+ VD=3.7V,掌握判断二极管导通还是断开的方法,模型分析应用举例,三、限幅电路,(2)当vI=6sint时，绘出

30、输出电压的波形。,(1)理想模型,(2)恒压降模型,t,模型分析应用举例,掌握判断二极管导通还是断开的方法 举例,例 电路如图所示，设D为理想二极管,试确定它们是否导通？,模型分析应用举例,例. 如图 (a)(b)所示的电路中，设二极管导通时的正向电压降UD=0.7V。计算通过二极管的电流ID。,ID,10V,D,A,B,5V,3k,2k,(a),掌握判断二极管导通还是断开的方法举例,？,模型分析应用举例,三、限幅电路,如图14.10(a)(b) (c)(d)所示的各限幅电路中，在理想模型下，分别画出当输入电压为vi=6sint，即图e所示的正弦信号,VREF=3V时，各自的输出电压波形。,模

31、型分析应用举例,四、开关电路,例3.4.5 二极管开关电路如图所示，利用二极管理想模型求解：当vi1和vi2分别为0V和5V时，求vi1和vi2 的值不同的组合下，输出电压vo的值。,0 V,0 V,正偏 导通,正偏 导通,0 V,0 V,5 V,正偏 导通,反偏 截止,0 V,5 V,0 V,反偏 截止,正偏 导通,0 V,5 V,5 V,反偏 截止,反偏 截止,5 V,二极管构成“与门”电路,什么是“与门”？,模型分析应用举例,五、低电压稳压电路,在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。原理是:vD 随iD的波动很小。,V,模型分析应用举例,六、小信号工作情况分

32、析,2.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与静态工作点有关。,ID为静态工作电流。,3.求出rD后，再根据交流小信号电路模型，求出小信号下电路的交流电压uo、交变电流io；,1.先分析静态工作状态下(无输入信号)的输出电压VO或IO,4.最后将静态和动态的叠加，得到完整的结果。,模型分析应用举例,例3.6 在图示的二极管电路中，VDD=5V,R=5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs=0.1sint(V)。(1)求输出电压的交流量vo和总量vO ；(2)绘出vo的波形。,D,六、小信号工作情况分析,1.先分析静态工作状态下(无输入信号)的输出电压VO,2.求微变电阻rD。

33、,模型分析应用举例,例3.6 在图示的二极管电路中，VDD=5V,R=5k,恒压降模型的VD=0.7V,vs=0.1sint(V)。(1)求输出电压的交流量vo和总量vO ；(2)绘出vo的波形。,D,六、小信号工作情况分析,3. 求小信号下电路的交流电压vo,4.最后将静态和动态的叠加,例3.1 电路如图所示，设D为硅二极管,试确定D是正偏还是反偏？计算VX和VY的值。,特殊二极管包括：,3.5 特殊二极管,1.齐纳二极管,2.变容二极管,3.肖特基二极管,4.光电子器件,光电二极管,发光二极管,激光二极管,3.5.1 齐纳二极管(Zener Diodes),齐纳二极管(Zener Diod

34、es)简称稳压管(Voltage Regulators) ，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳定地工作于PN结的反向击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构、伏安特性曲线均与普通二极管相似。,3.5 特殊二极管,曲线越陡，电压越稳定。,稳压误差,3.5.1 齐纳二极管(Zener Diodes),3.5 特殊二极管,(2) 动态电阻rZ,在特定的测试电流IZT下，所对应的反向工作电压值。,rZ =VZ /IZ， rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3) 最大耗散功率 PZM,最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由

35、PZM和VZ可以决定IZmax。,(4) 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,(1) 稳定电压VZ,稳压二极管的参数:,3.5.1 齐纳二极管(Zener Diodes),3.5 特殊二极管,稳压管的等效模型分析,1.稳压二极管工作在反向击穿区,2.在通过小信号时，稳压二极管有一定的稳压误差。,考虑以上两点:必须考虑动态电阻带来的误差。,Vz较大时，rz较小时，可忽略rz的影响，即Vz为定值。,3.5.1 齐纳二极管(Zener Diodes

36、),3.5 特殊二极管,常用的稳压电路并联式稳压电路,VI由整流滤波电路提供，DZ为稳压管，R为限流电阻，它的作用是使DZ工作在合适的状态，并使工作电流满足IZ(min)IzIz(max),例3.5.1设R=180,VI=10V,RL=1k,稳压管的VZ=6.8V,IZT=10mA，rz=20，Iz(min)=5mA,试分析当VI出现1V的电压变化时，Vo的变化是多少？,当VI=9V时,IZ=5.95mAIz(min),此时,Vo1=6.6V+5.9520mV=6.719V,当VI=11V时,IZ=15.78mA,此时,Vo2=6.6V+15.7820mV=6.916V,Vo0.2V,可见，当

37、输入电压变化了2V,输出只变化了0.2V，稳压特性明显。,设计电路时计算出来的电阻值经常会与电阻的标称值不相符，有时候需要根据标称值来修正电路的计算。,例3.5.2设计一稳压管稳压电路，作为汽车的收音机的供电电源，已知收音机的直流电源是9V,音量最大时需供给的功率是0.5W。汽车上的供电电源在1213.6V之间波动。要求选用合适的稳压管以及合适的限流电阻。,负载的最大电流IL(max):,分析:,因为稳压值9V，初步考虑用2CW107,2CW107的IZ(min)=5mA,必须有:IZIZ(min),考虑最坏的情况,IL最大,VI最小,R最大,此时IZ是所有情况中最小的,仍需满足上述条件。即:

38、,在保证稳压管可靠击穿的前提下，尽可能选择较大的限流电阻，又考虑到标称值，取R=47欧.,下面来检验:,例3.5.2设计一稳压管稳压电路，作为汽车的收音机的供电电源，已知收音机的直流电源是9V,音量最大时需供给的功率是0.5W。汽车上的供电电源在1213.6V之间波动。要求选用合适的稳压管以及合适的限流电阻。,分析:,已求出R=47,IZ(max)怎么求?考虑极端的情况,当负载断路时,VI最大时，IZ=IZ(max),综上,稳压管参数为:VZ=9V,IZ(min)=5mA, IZ(max)=98mA,PZ(max)=882mW2CW107,限流电阻参数为:R=47,最大功耗一般取2倍的PR(m

39、ax)即1W的电阻。,习题3.5.4 设计一稳压管稳压电路，要求输出电压VO=4V，输出电流Io=15mA，若输入直流电压VI=6V,且有10%的波动，试选用稳压管型号和合适的限流电阻，并检验它们的功率定额。,分析:,初步考虑用2CW52,下面来检验。,2CW52的IZ(min)=10mA,考虑最坏的情况,因为Io=15mA,当VI最小,R最大,此时IZ是所有情况中最小的,须满足IZIZ(min)。即:,在保证稳压管可靠击穿的前提下，尽可能选择较大的限流电阻，又考虑到标称值，取R=56欧.,习题3.5.4 设计一稳压管稳压电路，要求输出电压VO=4V，输出电流Io=15mA，若输入直流电压VI

40、=6V,且有10%的波动，试选用稳压管型号和合适的限流电阻，并检验它们的功率定额。,分析:,IZ(max)怎么求?考虑极端的情况.,即:负载断开,VI最大时。,综上,稳压管参数为:VZ=4V,IZ(min)=10mA, IZ(max)=43mA,PZ(max)=186mW2CW52,限流电阻参数为:R=56,最大功耗一般取2倍的PR(max)即0.25W的电阻。,分析这类问题的求法:,1.先分析负载的最大电流IL(max)。,2.根据稳压值，初步选定某一型号DZ,得IZ(min),然后来检验其它的参数。,3.根据IZIZ(min),即 求R(max),4.根据标称值确定R的值。,5.当负载断开

41、,VI最大时， 求出IZ(max) 。,6.求最大耗散功率: 。,7.求限流电阻的额定功耗。,8.取2倍额定功耗的计算值作为选择的条件。 一般小功率的电阻功耗为1/8W，1/4W，1/2W，1W,3.5.2 变容二极管(Varactor Diode ),3.5 特殊二极管,变容二极管(Varactor Diode )又称可变电抗二极管 (Variable Capacitance Diode)。是一种利用PN结电容（势垒电容)与其反向偏置电压的依赖关系及原理制成的二极管。,原理: 二极管的PN结具有结电容，当加反向电压时，阻挡层加厚，结电容减小，所以改变反向电压的大小可以改变PN结的结电容大小，

42、这样二极管就可以作为可变电容器用。 变容二极管是一种电抗可变的非线性电路元件。因此，被使用于自动频率控制、扫描振荡、调频和调谐等用途。,3.5.2 变容二极管(Varactor Diode ),3.5 特殊二极管,电容最大值、最小值之比可达20以上。,3.5.2 变容二极管(Varactor Diode ),3.5 特殊二极管,因为变容二极管的结电容能随外加的反向偏压而变化，所以它被用作调频、扫频及相位控制。目前，变容二极管的应用已相当广泛。,用途一:彩色电视机普遍采用具有记忆功能（预选台）的电子调谐器，其工作原理就是通过控制直流电压来改变变容二极管的结电容量，以选择某一频道的谐振频率。,用途

43、二:许多中小功率的调频发射机都采用变容二极管直接调频技术，即在工作于发射载频的LC振荡回路上直接调频，采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。较之中频调制和倍频方法，这种方法的电路简单、性能良好、副波少、维修方便，是一种较先进的频率调制方案。,变容二极管的用途,应用三、变容二极管在无绳电话机中主要用在手机或座机的高频调制电路上，实现低频信号调制到高频信号上，并发射出去。在工作状态，变容二极管调制电压一般加到负极上，使变容二极管的内部结电容容量随调制电压的变化而变化。,3.5.2 变容二极管(Varactor Diode ),3.5 特殊二极管,自动频率控制,Amplitude Modulati

44、on称为调幅,甚高频,超高频,3.5.3 肖特基(势垒)二极管(Schottky Barrier Diode ),3.5 特殊二极管,肖特基势垒二极管SBD（Schottky Barrier Diode，简称肖特基二极管）是近年来间世的低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒）。,正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。这些优良特性是快恢复二极管所无法比拟的。,3.5.3 肖特基(势垒)二极管(Schottky Barrier Diode ),3.5 特殊二极管,肖特基二极管是贵金属（金、银、铝、铂等）A为正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属-半导体器件。,结构:,3.5.3 肖特基(势垒)二极管(Schottky Barrier Diode ),3.5 特殊二极管,1.肖特基整流管仅用一种载流子（电子）输送电荷，