当前位置: 首页 > >

1第1章绪论第3章二极管_图文

1.1 课程介绍
1.2 电子电路及其信号 1.3 模拟电路研究内容 1.4 本课程的特点 1.5 课程要求 1.6 本课程的内容框架 1.7 怎样学好这门课

1.1 课程介绍
1.1.1 大学课程分类:三大平台 a) 基础课
*体现了学历教育和大学教育的基础性 *大学必修课 *特点:课时多,教学内容基本稳定。
b) 专业(技术)基础课 *反映了学科和专业方向的基础性 *学科必修课,是学院的平台课 *特点:课时较多;承前启后;内容相对稳定,但有发展。

c) 专业课 *反映了专业的应用性 *是专业方向必修课和选修课 *特点:分模块,课时少,内容变化快。
1.1.2 本课程的地位 * 是工科重要的专业(技术)基础课 *是电子线路课程体系的第一门课,是电子信息类 专业的主干课程 * 是强调硬件应用能力的工程类课程 * 是工程师训练的基本入门课程 * 是很多重点大学的考研课程

1.2 电子电路及其信号
* 现代社会赖以生存三大要素: 材料(物质)、能源(能量)、信息
* 信息技术(Information Technology,IT)时代是以电子 和微电子技术的充分发展为基础的。
* 电子技术在国防、科学、工业、医学、通信及文生活 等各个领域中起到巨大的作用。
1.2.1 电子技术的应用目标是处理信号 信号的产生、传输和处理。 电子线路是信号的载体,信号是信息的载体。

1.2.2 电子技术研究对象是硬件 电子器件 ( Electronic device) 电子电路(线路) (Electronic circuit) 电子系统 (Electronic system)
1.2.3 电子元器件 电阻(Resistance, R) 电容(Capacitance, C) 电感(Inductance, L ) 变压器(Transformer,Tr) 二极管 (Diode,D) 三极管 (Transistor,T) 集成电路(Integrated Circuit, IC) ……



金属氧化膜电阻器

精密型金属膜电阻器



大功率电阻器

贴片电阻器

压敏电阻器

热敏电阻器

涤纶电容



电解电容

贴片电容

陶瓷电容器

云母电容、钽(tǎn)电解电容( “但”电容 )等。

电 感
电感线圈

贴片电感

色码电感

传输线圈





发光二极管



三 极 管







集成电路芯片



集成电路插座

1.2.4 电子电路分类

按信号的 连续性分类

模拟电路( Analog circuit) 数字电路( Digital circuit )

– 模拟电路:产生和处理模拟信号的电子电路。 – 数字电路:产生和处理数字信号的电子电路。

a) 信号:指变化的电压或电流——电信号。 两类:模拟信号和数字信号。

b) 模拟信号:信号的振幅随时间呈连续变化。如语音(音 频)信号、图像(视频)信号、模拟温度、压力的物理 量检测信号等。 非电物理量 传感器 电信号

模拟信号: 时间和数值(幅度)都连续
采样数据信号: 时间离散, 数值(幅度)连续
c) 数字信号:时间和幅值都是离散。如开关信号、脉冲信 号、计算机编码信号等 。

d) 模拟电路分类 *根据信号频率分为: 低频电路(Low Frequency Circuit) 高频电路(High Frequency Circuit) 微波电路(Microwave Circuit)
*根据器件模型分为: 非线性电路(Nonlinear Circuit) 线性电路(Linear Circuit)

1.2.5 电子系统 通常指由若干相互连接、相互作用的基本电路
组成的具有特定功能的电路整体。 一般要求:规模比较大、功能比较完整、有控
制部分。
一般电子系统组成框图

1.3 模拟电路研究内容
1、电子器件: 器件的工作原理、特点、电特性、电模型 。
2、电子电路: 电路的工作原理、特点、分析方法、电路设计方法。
包括: 分立元件电子电路、集成电路 。
3、电子电路应用:

1.4 本课程的特点
1、电子器件是非线性的,精确求解I(V )关系比较复杂,采用 工程近似估算法。

BJT输入特性曲线

BJT输出特性曲线

一定条件下线性化处理,重工程。 2、有很多微观、细节的问题。

“电路”课重模型 重拓扑结构 重线性

3、R\C的实际值与标称值有差异。

例:标称值1KΩ的电阻:

10%

5%

1%

0.1%

实际值: 900~1100Ω 950~1050Ω 990~1010Ω 999~1001

4、器件的特性具有离散性。

5、器件特性随温度、时间改变。

1.5 课程要求

1、基本理论:电路的工作原理与分析方法(重点)
2、基本知识:器件、电路的性能、应用,器件以外特性为主。
3、基本技能: 实验能力、运算能力、读图能力、 仪器使用、查手册资料等。

“四基”:基本概念、 基本原理、基本分析方法、基本应用。

1.6 本课程的内容框架

基本 放大器

三条主线
集成运算 放大器

两源

第一条主线—— 基本放大器
1. 半导体器件
2. 基本放大电路:不同电路,不同公式。 1)静态(直流)工作点:IB,IC,VCE。 2)交流指标:Av,Ri,Ro。 3)放大电路的频率响应:fH, fL ,BW,GBW。 4)功率放大电路。

3. 改善放大器的性能 —— 引入负反馈。
第二条主线—— 集成电路运算放大器
1. 集成运放的内部电路 2. 集成运放的应用
1)两个基本电路 2)加法电路、减法电路 3)比较器 4)滤波器
第三条主线—— 两源
1. 信号源:正弦波信号发生器 2. 电源:直流稳压电源

1.7 怎样学好这门课
*牢固掌握基本理论、基本概念 和基本方法。 *学好电路基础课(必要条件)。 *注意理论与实际相结合。 *强调工程的观点。 *强调自学能力,注意学习方法:
善于总结对比, 寻求内在规律, 增强抽象能力。 *入门时可能会遇到一些困难。 *注意不断改进、总结和调整、提高。

本章结束

3.0 半导体器件的种类及发展 3.1 半导体的基本知识 3.2 PN结的形成及特性 3.3 半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管

3.0 半导体器件的种类及发展
1、种类: 二极管、三极管、场效应管、 集成电路( Integrated Circuit ,IC)
2、发展: 电子器件的更新换代推动电子技术的发展,其中 电子学发展史上三个重要里程碑: 1)1906年电子管发明(进入电子时代) 2)1948年晶体管问世(半导体器件) 3)60年代集成电路出现(进入信息时代)

1) 第一代电子器件——电子管 1906年,福雷斯特(Lee De Fordst)等发明,可实现整
流、稳压、检波、放大、振荡等多种功能电路。电子管体积 大、重量重、寿命短、耗电大。
1946年由美国生产的世界上第一台计算机“埃尼阿克” (ENIAC)用了1.8万只电子管,占地170m2,重30t,耗电 150kW。
ENIAC:Electronic Numerical Integrator and Calculator 电子数字积分器和计算器

2) 第二代电子器件——晶体管(半导体三极管)
1948年,肖克利(W. Shckly)等发明,在体积、重量 等方面性能优于电子管。
但是,由成百上千只晶体管和其他元件组成的分立 电路体积大、焊点多,可靠性差。

3) 第三代电子器件——集成电路

1958年,基尔白等设想将管子、元件和线路集成封装在一

起,三年后集成电路实现了商品化。IC按集成度分:

类别

元件个数/晶体管数

小规模集成电路(Small Scale Integration,SSI):

10~102

中规模集成电路(Medium Scale Integration,MSI): 102 ~ 103

大规模集成电路(Large Scale Integration,LSI):

103 ~ 105

超大规模集成电路(Very Large Scale Integration,VLSI): >105

特大规模集成电路(Ultra Large Scale Integration ,ULSI)

4) 第四代半导体器件—— 发展趋势 目前,贝尔实验室正研制超小体积和超低功耗的第四代
半导体器件,它的问世将掀起电子技术新革命: 微型计算机(嵌入衣服、皮包中) 微型手机(耳机大小,一年充电一次)
单芯片系统(system on chip) 一片单芯片系统=一颗卫星
微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)
外形尺寸在毫米量级,组成元器件尺寸在纳米、微米 量级。将信号探测、处理、控制和执行各子系统集成于一 体的可运作微型机电装置。 例:德国工程师制成黄蜂大小的能升空的直升飞机 应用:军事(小型间谍飞机)

科学家研制出可计数事件的生物电路
美国麻省理工大学和波士顿大学的工程师设计出了一种可 以计算并“记忆”细胞事件的细胞,通过使一系列因子按照特定 顺序活动而形成的简单电路来实现。
这种电路与电脑芯片中的类似,能够用于计数细胞分裂的 次数或者研究某个发展阶段的顺序,也能用作生物传感器来计 数不同毒素的方位。
研究小组开发了两种细胞计数器,虽然这种细胞电路与电 脑的类似,研究者的意图却并非制造微型生物电脑。两篇论文 的第一作者之一,哈佛大学研究生 Timothy Lu说:“我认为生 物电路并不一定能够完成电脑能够完成的事情。” 他认为,在 细胞内进行精细的计算将非常困难,因为控制活细胞要比硅芯 片困难的多。取而代之的是,研究者专注于设计微型的部件来 完成特别的任务。
另一名第一作者Ari Friedland说:“我们的目标是设计一种 能够完成细胞一些方面功能的工具”。

3.1 半导体的基本知识
3.1.1 半导体(Semiconductor)材料 物体的导电性: 导 体-原子核外层电子数小于4,铜、铝等; 绝缘体-原子核外层电子数接近8,玻璃、陶瓷等; 半导体-原子核外层电子数等于4,硅(Si)、锗(Ge)、
砷化镓(GaAs)等。 半导体特点: 导电能力可控(受控于光照、温度、掺杂等)

载流子(Carrier)的种类: 导 体-自由电子(数量很多) 绝缘体-几乎没有 半导体-自由电子、空穴

半导体的两种 载流子是构成 半导体器件的 关键因素。

3.1.2 半导体的共价键(covalent bond)结构

+4

+4

惯性核

Si硅原子

Ge锗原子

(原子序数14) (原子序数32)

+4

+4

+4

+4

(b) 硅晶体的空间排列

(a) 共价键结构平面示意图
半导体是空间排列 有序的晶体(crystal)

半导体的分类:本征半导体、杂质半导体

区别在于组成材料的元素、载流子构成数量不同,从而

导致两种半导体导电能力的大小不同。

intrinsic: (指价值、

3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用 1、本征半导体(Intrinsic Semiconductor)

性质)固有的, 内 在的, 本质的

—— 纯净无掺杂的半导体晶体。

制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%,

常称为“九个9”。

改为“纯净的

特 化学成分纯净的半导体 点 在物理结构上呈单晶体形态

半导体晶体”。 不仅与掺杂有关 而且与结构有关

例判断对错:本征半导体是指没有掺杂的纯净半导体。(×)

2、本征激发 T=0K(-273 ?C)和没有外界激发时:
四个价电子(bonded electron)受共价键束缚,不能自由移 动,是束缚电子,不能参与导电。 T=300K(室温)时:产生自由电子。
本征激发:价电子获得能量挣脱原子 核的束缚,成为自由电子,从而可能 参与导电。这一现象称为本征激发。 也称热激发。
空穴:价电子离开共价键后留下的空 位。
本征激发产生两种载流子:自由电子-空穴(成对出现) 即:电子-空穴对(Electron – Hole Pair)

自由电子: 负电荷 空穴:正电荷(空位处原子核正离子) 代表束缚电子产生的电流(方向相反) 空穴运动是一个虚拟概念。

空穴是半导体区别于导体的重要特点

判断:半导体整体呈电中性 (√) 复合(recombination) :
自由电子释放能量而进入有空位 的共价键,使自由电子和空穴成对消 失,这一现象称为复合 。

本征激发和复合在一定温度下会达到

动态平衡!

温度一定

激发与复合动态平衡

本征激发和复合的过程
载流子数确定

3、本征半导体特点 a) 本征载流子浓度:电子浓度=空穴浓度 b) 导电能力很弱: 室温下只有极少数原子的价电子受激发产生电子 空穴对,如硅约三万亿分之一。 c) 导电性能对温度很敏感: 本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大。
应用:热敏电阻性元件
缺点:载流子少,导电性差,温度稳定性差!

3.1.4 杂质半导体(Extrinsic Semiconductor) 1、概念:在本征半导体中掺入少量其它元素(杂质)的半导体。

N型半导体(n-type semiconductor) P型半导体( p-type semiconductor)

类型: N型半导体( Negative )

P型半导体( Positive )

掺杂: 五价元素(磷),施主杂质/N型杂质 三价元素(硼),受主杂质/P型杂质

(Donor impurities)

(Acceptor impurities)

电荷: 自由电子、空穴、正离子

自由电子、空穴、负离子

载流子:自由电子数>>空穴数

空穴数>>自由电子数

(多子) (少子)

(多子) (少子)

说明: 1)施主杂质、受主杂质:“主”指的是电子。 2)N型杂质、P型杂质:“N、P”指掺入的杂质提供的多子 是 3)什以么P型性半质导的体。为例,束缚电子填补空穴的运动等效于空穴 发生位移,离开杂质原子。可以理解为受主杂质电离为带正 电的空穴和带负电的受主离子。
受主离子

P型半导体

空穴

N型半导体

2、杂质半导体特点: 多子主要由杂质原子提供,所以其浓度主要取决于掺杂
浓度,受温度影响小; 少子由热激发形成,所以其浓度主要取决于本征激发,
受温度影响大。
典型数据:本征硅的原子浓度 = 4.96×1022/cm3
① T=300 K室温下,本征硅的空穴和电子浓度: p = n = 1.4×1010/cm3 (三万亿分之一)
② 掺杂后 N 型半导体中的由电子浓度:n = 5×1016/cm3
浓度基本上相差106/cm3 ——载流子数目剧增! 杂质半导体导电能力远大于本征半导体;(百万倍) 杂质半导体受温度影响远小于本征半导体。 应用:制作集成电路内的电阻元件;
制作半导体有源器件的基本材料-PN结。

3.2 PN结( PN Junction)的形成及特性

3.2.1 载流子的漂移与扩散

1. 漂移电流

在电场作用下,载流子定向运动形成的电流。

电场越强,载流子浓度越大飘移电流越强。

电子导电器件优于空穴导电器件。 2. 扩散电流

电子移动速度 约为空穴的3倍

由于载流子浓度不均匀,从浓度大处向浓度小处运动,

形成扩散电流。

扩散电流大小与浓度梯度有关。

3.2.2 PN结的形成

因浓度差
?
多子的扩散运动

在边界处 相遇复合

由杂质离子形成空间电荷区(PN结)

?
空间电荷区形成内电场

?

?

内电场阻止 内电场促使

多子扩散

少子漂移

( Diffusion )

( Drift )

最后,多子的扩散和少子的漂移 达到动态平衡(通过界面的净载 流子数=0)。

总电流为零

说明:

1) PN结实质

=空间电荷区 (Space charge region )

=耗尽层 (区) (Depletion layer)

=内电场 =势垒区 (built-in potential barrier)

内建电场

=非线性电阻(电阻率很高)



位 V

V0



—— 根据某种特征命名 子


-qV0



2) PN结宽度与多子(掺杂)浓度的关系
? 在一定掺杂浓度下: 扩散越强(流过的载流子数量多),空间电荷区越宽
(与半导体材料的介电常数有关) ; 漂移运动使空间电荷区变窄(少子中和交界面上对
方的空间电荷)。
? 对不同掺杂浓度的PN结: 掺杂浓度越高,空间电荷区越窄(薄); 掺杂浓度越低,空间电荷区越宽(厚)。
∵ 在PN结中,掺杂的多子浓度较高时,则产生相同数量 的电荷只需在较窄的区间。

3) PN结的类型 ① 不对称结: 空间电荷区两边宽度不同。

P+N结

PN+结

② 对称结:空间电荷区两边宽度相同。

P

N

3.2.3 PN结的单向导电性

PN结两端外加不同极性的电压,其导电能力不同。

1. PN结加正向电压(P区正)

空穴中和一 部分负离子

P

N

电子中和一部 分正离子

IF

+

_
内电场

EF

VF

R

外加电压削弱内电场 → 两侧多数载流子向PN节移动→ PN结变窄 →扩散运动 > 漂移运动→多子扩散为主→正向电流,大

PN结呈现低阻性, IF大(F_Forward)

2. PN结加反向电压(N区正)

空穴远离PN结

P

N

电子远离PN结

IR/IS S_Saturation

_

内电场 +

R_Reverse

ER

VR

R

外加电压加强内电场→ PN结变宽

→ 漂移运动 > 扩散运动→少子漂移为主→ 反向电流,小

PN结呈现高阻性,反向饱和电流(IS= IR )小。

结论: PN结正向电流 >> 反向电流; 正向电阻很小,反向电阻很大;
即:PN结外加正向电压导通,外加反向电压截止。
-------单向导电性(关键:存在耗尽区)

3. PN结V-I 特性的表达式

iD

理论分析证明:

iD ? IS (evD / nVT ? 1) (D_Diode) VBR

vD :PN结两端的外加电压
iD :通过PN结的电流

IS

0

vD

IS :反向饱和电流

VT ? kT / q :热电压(分子热运动引起 的电压效应/温度的电压当量)

PN结伏安特性

n:发射系数,为经验常数(1~2)。 T=300K( 室温)时:VT ? 26mV

? y ex

通常正向电压 vD

?? VT

, iD

?

I evD /VT S

反向电压 vD ? 0, vD ?? VT ,iD ? ? IS

1

x

0

3.2.4 PN结的反向击穿

( Reverse Breakdown,BR)

当|反向电压| >|VBR| 时,反向电流急剧增大,结电压基 本不变,称为PN结的反向击穿(电击穿) 。

P

N

两种击穿机理:PN结外加反向电压时

_
1) 雪崩击穿(Avalanche breakdown ) :
轻掺杂的PN结中。耗尽层宽,少子 漂移加速,碰撞层内本征原子,产

内电 +
场 ER
VR R

生新电子、空穴对,连锁反应,类似雪崩。碰撞电离。

2) 齐纳击穿(Zener breakdown):重掺杂的PN结中。 耗尽层薄,强电场直接电离层内本征原子,产生新电子 空穴对,反向电流急剧增大。场致击穿。

两种击穿条件:
雪崩击穿:低参杂、高电压 (耗尽区宽,碰撞机会多) 齐纳击穿:高掺杂、低电压 (耗尽区窄,低电压产生强电场)
例:硅材料PN结
VBR >7V :雪崩击穿; VBR <5V: 齐纳击穿; VBR=5~7V:两种都有。 注意: 电击穿:可逆的(前提:不超过PN结最大耗散功率), 为人所用(如稳压管) 热击穿:电击穿后,PN结发热超过耗散功率,过热烧毁。

3.2.5 PN结的电容效应 1. 扩散电容CD (D_Diffusion) :
外加电压变化,引起耗尽层外附近的扩散区内,非平衡载 流子浓度分布发生变化,从而导致非平衡载流子电荷量的变化。

PN结正偏时:多子扩散后,积累在PN结的另一侧面,形成一

定的浓度梯度。

以N区为例:

? P区空穴扩散到N区,在

N区的 空穴浓

N区边缘堆积成为超量空 穴(非平衡少子)。

度曲线 ? 超量空穴可视为存储的电

nP

pN ?Qp

荷。

? 电荷量大小取决于正向电

压大小。

设引起 ?Qp 、?Qn的电压变化为 ?V :

CD

?

ΔQ ΔV

?

ΔQn ΔV

?

ΔQp ΔV

?

dQ dvD

Q

?

?tID
VT

τ t :载流子寿命(超量少子的复合时间);

VT:温度的电压当量;ID:二极管工作电流。

nP

PN结反偏时:

载流子数目(少子)很少,

扩散电容值很小,可忽略。

结论
PN结正偏时,CD较大; 反偏时,CD很小,忽略。

pN ?Qp

2. 势垒电容CB(B_Barrier): 外加电压变化,引起耗尽层宽度随之变化,

导致层内正、负离子数量(空间电荷量)变化, 相当PN结中存储的电荷量发生变化,犹如电容的充放电。

-----与平板电容器类似

经理论推导: CB ?

dQ dvD

? ? ?

CB0 1 ? VD V0

m

CB0 :V=0时的CB;

V0 :内建电位差;

m:结的梯度系数,与掺杂有关。

VD :二极管工作点电压,反偏时为负值。 分析上式得:

PN结正偏时,CB大; 反偏时,VD为负值,CB小;反偏电压越高, CB越小。

旧版解释:从多子变化的角度考虑 PN结正偏时,多子进入势垒
区,相当于充电,CB增大; PN结反偏时,多子离开势垒
区,相当于放电,CB减小。
经分析证明:

CB与PN结面积(极板面积)成正比; 与耗尽层厚度 (间距)成反比。

PN结正偏时CB大;反偏时,CB小。

势垒电容 与结电阻

r

并联

C

正偏时:尽管CB大(容抗小),但PN结电阻更小, 故CB影响可忽略。

反偏时:尽管CB小(容抗大), 但PN结电阻更大,故CB作用反而不能

忽略,高频时影响更大(容抗会减小)。

∴ CB反偏时重要

3. PN结高频等效电路 PN结总电容:C=CB+CD

r

结电阻

PN结正偏时: CD、 CB均比反偏时大; 且CD>> CB,故 C ≈ CD
PN结反偏时:

C
CB
CD

结电容

CD、CB均比正偏时小,但CB>> CD,故 C ≈ CB。

结论: 正偏时: r 很小,C较大(以CD为主,几十~几百pF); 反偏时: r 很大,C较小(以CB为主,几~几十pF)。 电容量的大小与外加电压有关, 势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

3.2.6 PN结的温度特性 单向导电特性、击穿特性、电容特性

指PN结的三个基本特性受温度影响的特性。

反映了性能是否稳定,决定了器件的使用级别。

ID

1. 单向导电特性

T?

? 温度每升高1℃,PN结的正向压降减小2~2.5mV。

——负温特性/负温度系数

VD

ΔV ? ?(2 ~ 2.5)mV ?C

IS

0

ΔT ? 温度升高时,反向电流呈指数规律增加。

T?

硅材料:每升高10℃,反向饱和电流增大一倍。

锗材料:每增加12℃,反向电流大约增加一倍。

——正温特性/正温度系数

I ? I 2(T2 ?T1 )/10

S2

S1

2. 击穿特性 雪崩击穿:正温特性; 齐纳击穿:负温特性; 两者都有:有可能获得零温特性。
3. 电容特性 电容量随温度变化。
PN结最高温度限制: 当温度升高到一定程度,本征激发产生的少子浓度可能
达到或超过掺杂(多子)浓度,杂质半导体变得和本征半导 体一样,PN结消失。
硅( Si ) :约为(150~200℃) 锗( Ge) :约为(75~100℃)

3.3 半导体二极管(Diode)
图片

3.3.1 半导体二极管的结构
二极管= PN结 + 引线 + 管壳。 类型:点接触型、面接触型和平面型。

(1) 点接触型

三价元素

瞬时正向 大电流熔接
PN结面积很小,极间电容很小。 适用于高频、小电流。

(2) 面接触型

(3) 平面型

PN结面积大,极间电容大。 适合整流,不适合高频。 符号
阳极(Anode)
阴极(Cathode) 电路符号(电气图用)

集成电路中
理想二极管符号 ∕旧的电路符号

3.3.2 二极管的V-I特性

1. 正向特性 门坎电压(死区电压):室温下 硅管Vth=(0.5~0.6)V 锗管Vth =(0.1~0.2)V 导通电压VD(on) : 硅管0.7V;锗管0.2V 。

非线性 器件!

Vth (th_threshold)

2. 反向特性 反向饱和电流:

硅管:< 0.1μA

锗管:< 几十μA

单向导电性(主要的) 反向电流随温度升高

导通后的非线性

明显增加 3. 反向击穿特性

3.3.3 二极管的主要参数
1. IF——最大整流电流 长期连续工作时,允许通过的最大正向平均电流。
2. VBR——反向击穿电压 最高反向工作电压一般约为击穿电压的一半。
3. IR(IS)—— 反向饱和电流 值越小,说明管子的单向导电性越好。其受温度影响明显。
4. Cd __ 极间电容 电压变化,电荷变化(充放电)。
包括势垒电容CB 、扩散电容CD。 5. TRR __ 反向恢复时间
外加电压从正偏变为反偏时,二极管中电流由正向翻转为 反向电流,至反向电流减为很小的时间。

3.4 二极管基本电路及其分析方法

电路组成:二极管、电阻、电压源。 分析方法:图解法、模型法(等效电路法)。
3.4.1 简单二极管电路的图解分析法

R
+
VDD Vv_D iID

A

B

图解法 求vD,iD。 ? 图示电路可分为A、B两部分;
D ? A部分的电压与电流关系:
vD=VDD - iDR
? B部分的电压与电流关系就是二极管 的伏安特性。

? 在二极管的伏安特性上画出vD=VDD - iDR 。 ? 求交点(电路工作点)。

R

+

D

VDD Vv_D iID

VDD iD R

iD

VBR

O

IS

A

B

Q
vD vD VDD

* 图解法的前提:已知二极管的V-I 特性曲线——实际中不现实。

* 解方程组: ??iD ? IS (evD /VT ?1)

? ??iD

?

VDD ? vD R

,复杂,借助计算机完成。

* 简化模型分析法:有效的工程近似方法。

3.4.2 二极管电路的简化模型分析法 1. 二极管V-I 特性建模
大信号模型(单向导电特性) 理想模型、恒压降模型、折线模型

(1) 理想模型
iD
vD

基本思想: 正向偏置时: 电阻为0,管压降为0。

a

k

iD

代表符号

V-I 特性

vD 反向偏置时: 电阻为∞,电流为0。

使用条件:电源电压 >> 二极管管压降时

(2) 恒压降模型 基本思想:
二极管导通时:管压降 vD=0.7V 恒定。
iD

vD

iD
代表符号
使用条件:
当 iD≈1mA 或

vD
0.7V
V-I 特性
iD >1mA 时。应用较广泛。

(3) 折线模型 基本思想:

二极管导通时,管压降不恒定,随电流增加而增加。

vD

iD

rD

Vth

iD

V-I 特性

代表符号
参数的确定:

vD
Vth 0.7V

Vth=0.5V

rD:二极管导通电流=1mA时,管压降=0.7V。即:

rD

?

vD ? Vth iD

?

0.7 V? 0.5 V 1mA

? 200 ?

vD ? Vth ? iD rD

直流 电阻

(4) 小信号模型

直流大信号导通状态下的微变关系。

iD

微变电阻rd (交流电阻)求法:

① V-I 特性上

静态工作点

V-I 特性 代表符号

Q ?iD

rd ? ?vD ?iD

(Q_Quiescent Piont) —— 直流工作状态

② 用V-I 特性表达式 vD

iD ? IS (evD /VT ?1)

?vD

rd

?

?? diD ?

dvD

???1 ?

Q

?

??? ISevD /VT ?

?1 VT

????1 ?

Q

?vD

?iD

rd ? VT ? VT ? 26(mV) (T=300K)

iD Q ID ID (mA)

rd

? VT ID

?

26(mV) ID (mA)

说明:直流电阻和交流电阻

iD

① 直流电阻 rD:二极管两端所加直流

ID

电压VD与流过二极管的直流电流ID之比。

rD ? VD ID

② 交流电阻 rd :二极管在其直流工作 状态(IDQ,VDQ)处的电压微变量与电 流微变量之比。

rd

?

?vD ?iD

IDQ ,VDQ

?

dvD diD

IDQ ,VDQ

0 iD

rD、rd 随Q(IDQ,VDQ)变化,是非线性电阻。

特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同, 0 同一点处的交、直流电阻也不同。

Q1
Q2
vD
VD
Q ?iD
vD
?vD

2. 模型分析法应用举例

(1) 二极管整流电路 ( Diode Rectifier) 整流:将交流电转变为脉动直流电。

vi

例3.4.2

D

t
0

+

+

vo

vi

RL

vo

-

-

0

t

半波整流电路

整流电路中,通常 vi >>VD(on),选择理想模型: VD(on) =0。 1、正半周时,vi ≥ 0,二极管加正向电压(正偏)导通,在 理想模型中二极管相当于短路,故 vo=vi,输出正半周波形。
2、负半周时,vi﹤0,二极管加反向电压(反偏)截止,在理 想模型中二极管相当于开路断开,故 vo=0,输出零波形。

例:全波整流电路的输出波形。
正半周: D1、D3 导通 D2、D4 截止
负半周 D2、D4导通 D1、D3截止

(2) 二极管电路的静态工作情况分析 例3.4.3(旧2.4.1):求VDD=10、1V时,二极管的电流ID、电压VD
值(rD=0.2kΩ) 。
解:

a) VDD=10V时 ① 理想模型
VD ? 0V
② 恒压降模型 VD ? 0.7V

参考电位点

习惯 画法

ID

?

VDD R

?

10 V 10 kΩ

? 1mA

ID

? VDD ? VD R

?

10V ? 0.7V 10k?

?

0.93mA

③ 折线模型

vD ? Vth ? iDrD

ID

?

VDD ? Vth R ? rD

?

10 V? 0.5 V 10k Ω ? 0.2 k Ω

?

0.931mA

iD

VDD R
rD vD

VD ? Vth ? IDrD ? 0.5 V? 0.931mA? 0.2kΩ ? 0.69 V

Vth

理想模型

VDD=10V时

0V 1mA

恒压降模型
0.7V 0.93mA

折线模型
0.69V 0.931mA

b) VDD=1V时: 计算方法同上。

理想模型

恒压降模型

折线模型

0V 0.1mA

0.7V 0.03mA

0.51V 0.049mA

模型选 择方法

电源电压远大于管压降时:恒压降模型与折线模型 结果很接近,使用恒压降模型。

电源电压较低时:恒压降模型误差大,使用折线模型。

(3) 限幅电路(Amplitude Limiting)

例3.4.4 使用理想模型和恒压降模型求解。

① 求 vI=0,4,6V时,vO=? ② vI=6sinωt V,vO波形。

vI/V
6

1kΩ

+R

+

D

vI

VREF

vO
3V

-

-

① vI=0V,二极管截止, vO=vI。
vI=4、6V,二极管导通: vO=3V(理想模型)。 vO=3.7V(恒压降模型)。

0 -6
vO/V
3 0 -6
vO/V
3.7 0 -6

t
t
② 理想模型
t
② 恒压降模型

例旧2.4.2 采用折线模型, 设Vth=0.5V,rD=200 ?, ① 求 vI=0,4,6V时,vO=? ② vI=6sinωt V,vO波形。

1kΩ

解: ① vI=0V,二极管截止, vO=vI。

+R

+

vI

D

vO

VREF 3V

-

-

vI=4、6V,二极管导通:

vO

? VREF

? Vth

?

vI

? VREF ? Vth rD ? R

rD

?

VREF

? Vth ?

VREF ? Vth rD ? R

rD ?

rD rD ?

R

vI

1k?

+

R rD

+

? ? ?

rD rD ?

R

vI

?

R rD ? R

VREF ? Vth

vI

vO

Vth

-

VREF 3V

-

vI ? 4V, vI ? 6V,

vO ? 3.583V vO ? 3.917V

1kΩ

+

R rD

+

? ? vO

?

rD rD ?

R

vI

?

R rD ? R

VREF

? Vth

vI

Vth

vO

VREF 3V

-

-

vI ? 4V, vI ? 6V,

vO ? 3.583V vO ? 3.917V

② vI=6sinωt V

例:双向限幅电路如图所示,使用恒压降模型。

改变V 值就可 改变限 幅电平

+R

vI D1

_

V

上限幅

D2 +
vO

vI

_
下限幅

vO
0.7V

|vI |<0.7V时,D1、D2截止,vO=vI -0.7V

| vI |>0.7V时, D1、D2中有一个导通,|vO | =0.7V

例:理想二极管电路中 vI= Vm sinωt V,求输出波形vO。 vI

Vm VR

0

t

解:

vO

vI> VR时,二极管导通,vO=vI 。 Vm

vI<VR时,二极管截止,vO =VR 。 VR

0

t

(4) 开关电路(电平选择电路) 二极管的单向导电性表现为开关特性。可作为电子开关。

例3.4.5(旧2.4.3) 求vI1和vI2不同值组合时的vO值(二极管为理想

模型)。

解:

基 本



vI1/V

判首原

惯 画 法

5

断先则

其将:

0

t 状二

vI2/V 5

态极 是管 导断

理 想 模 型

0 vO/V
5

t

通开 或,

截然

止后

0
与逻辑

t



例:二极管“或”门电路

(设二极管为理想模型)。

VA

VD1
VA

VB

VD2

Vo vA/V 5

VB VC

VD3
VC

0

t

R

vB/V

5

0

t

vO/V

5

0 或逻辑 t

VCC
R VD1
Vo
VD2
VD3
“与”门电路

(5) 低压稳压电路 例旧2.4.4(新例3.4.6类似) VI=10V,R=10k ? , 若?VI ? ?1V ,
问 vD如何变化?

解: ① VI=10V时,采用恒压降模型,有:

VD=0.7V, ID=(10-0.7)V/10k ?=0.93mA ② 在此Q点上:

二极管上的 电压变化很小

rd

? VT ID

?

26mV 0.93mA

?

28?

0.7V ? 2.79mV

③ 二极管电压变化:? vD

?

?1V ?

rd R? rd

? ?2.79mV

3-4V以下时,采用多只二极管串接,可获得较好的稳压特性。

3.5 特殊二极管
3.5.1 齐纳二极管(稳压管) 1. 稳压作用
稳压管是应用在反向击穿区的 特殊硅二极管。电流增量很大的变 化,只引起电压增量很小的变化。
稳压值:VZ (测试电流IZT时) 注意: 反向电流<最小工作电流IZ(min):
稳压管进入反向截止状态。 反向电流>最大工作电流IZ(max):
稳压管可能烧毁。

普 通 二 极 管 伏安特性

伏安特性曲线与硅二极管的 完全一样。动态电阻rz 很小。
反向击穿电压曲线越陡, 动态电阻rz愈小, 稳压性能愈好。

2. 应用电路 R

稳压二极管在工作时应反接,

I

并串入一只电阻。

+ R:* 限流电阻。限制IZ,防止管耗

-VZ

过大(IZ<IZ(max))。 * 使电路有一个合适的工作状态。

稳压管工作条件: a) 反偏; b) IZ满足 IZ(min) < IZ< IZ(max)。

RL与稳压管并联

+
VI
-
3. 主要参数

R

IZ

IL

DZ

RL

并联式稳压电路

+
VO
-

(1) 稳定电压VZ —— 在规定的稳压管反向工作电流下,所对应的反向工
作电压。

(2) 动态电阻rZ —— 与一般二极管的动态电
阻概念相同,但稳压二极管 的动态电阻是从它的反向特 性上求取。 rZ愈小,反映稳 压管的击穿特性愈陡,稳压 性能愈好。
rZ =?VZ /?IZ
(3) 最大耗散功率 PZM ——
取决于PN结面积和散热等条件。反向工作时PN结的功 率损耗为 PZ= VZ IZ,由 PZM和VZ可以决定IZ(max)。

(4) 最大稳定工作电流IZ(max) 和最小稳定工作电流IZ(min) —— IZ(max)取决于最大耗散功率:PZmax =VZIZmax 。
Izmin对应于VZmin,若IZ<IZmin则不能稳压。
(5)稳定电压温度系数CTV —— 温度的变化改变VZ。
* 当?VZ ?>5.7 V时,温度系数为正值,雪崩效应占优势。 * 当?VZ ?<5 .7V时,温度系数为负值,齐纳效应占优势。 * 当5 V<?VZ ? <7 V时,稳压管可以获得接近零的温度系
数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。

3.5.2-4 其他二极管
变容二极管:PN结加反向电压,利用势垒电 容制作的二极管。
肖特基二极管:利用金属与N型半导体接触, 在交界面形成势垒的二极管。
光电二极管:利用光能在耗尽层内激发出大量 电子、空穴对,改变反向饱和电流的大小,反 偏使用。
发光二极管:用特殊半导体材料制成PN结,可 发出可见光(红、黄、绿、兰等)和不可见光 (红外线等),且发光强度与正偏电压大小成 比例。
激光二极管:发射出单波长的光,主要是红外 线。

PN结三大特性的基本应用: 单向导电特性:晶体二极管等; 反向击穿特性:稳压二极管等: 电 容 特 性:变容二极管等。 其他……

结束了




友情链接: 时尚网 总结汇报 幼儿教育 小学教育 初中学习资料网