模电课件 第二章 二极管及其放大电路.ppt

模拟电子技术模拟电子技术电子技术基础精品课程电子技术基础精品课程第二章第二章 半导体半导体二极管及其电路二极管及其电路信息工程学院信息工程学院电子技术基础课程组电子技术基础课程组TAKE A REST4/3/20232 2.半导体半导体二极管及其基本电路二极管及其基本电路半导体基本知识半导体基本知识PN结的形成和特性结的形成和特性半导体二极管半导体二极管(diode)特殊二极管特殊二极管http:/en.wikipedia.org/wiki/Diode术语术语http:/en.wikipedia.org/wiki/PN_junctionhttp:/en.wikipedia.org/wiki/Semiconductor_device作业作业 4/3/2023半导体半导体二极管二极管一、二极管的结构一、二极管的结构 二极管二极管=PN结结+管壳管壳+引线引线NP结构结构符号符号阴阴极极阳极阳极+二、二、二极管的伏安特性二极管的伏安特性三、三、二极管的主要参数二极管的主要参数分类分类 型号型号四、四、二极管的等效模型和应用电路二极管的等效模型和应用电路 4/3/2023二极管分类（按管芯结构）二极管分类（按管芯结构）1.1.点接触型二极管点接触型二极管N型锗型锗正极引线正极引线负极引线负极引线外壳外壳金属触丝金属触丝PN结面积小，结电容小，只允许通结面积小，结电容小，只允许通过较小电流（不超过几十毫安）过较小电流（不超过几十毫安）用于用于检波检波和和变频变频等高频小电流电路。等高频小电流电路。eg.锗锗1N34A2.2.平面型二极管平面型二极管用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于结面积可大可小，用于开开关、脉冲关、脉冲和和高频电路高频电路中。中。3.3.面接触型二极管面接触型二极管PN结面积大，允许通过较大电流（几到几十安）用于结面积大，允许通过较大电流（几到几十安）用于工频工频大电流大电流整流电路整流电路 4/3/2023二极管的型号二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。器件的类型，器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管为开关管器件的材料，器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge，C为为N型型Si，D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。4/3/2023二极管的伏安特性二极管的伏安特性硅：硅：0.5 V1.1.正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流2.2.反向特性反向特性死死区区电电压压击穿电压击穿电压VBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗硅：硅：(0.60.8)V锗：锗：0.1 V锗：锗：(0.10.3V)4/3/2023二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流IF：2.反向击穿电压反向击穿电压VBR和最高反向工作电压和最高反向工作电压VRM：3.反向电流反向电流IR：室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管一室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管一般在纳安般在纳安(nA)级；锗二极管在微安级；锗二极管在微安(A)级。级。二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值，反向击二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值，反向击穿时的电压值。穿时的电压值。极间电容极间电容Cd、反向恢复时间、反向恢复时间TRR等等4.最高工作频率最高工作频率fM：4/3/2023二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法一、一、*简单二极管电路的图解分析法简单二极管电路的图解分析法二、二极管电路的简化模型分析法（简单有效、工程近似）二、二极管电路的简化模型分析法（简单有效、工程近似）1.二极管基于二极管基于VI特性的模型特性的模型2.模型分析法应用举例模型分析法应用举例整流电路整流电路静态工作情况分析静态工作情况分析限幅电路限幅电路开关电路开关电路低电压稳压电路低电压稳压电路小信号工作情况分析小信号工作情况分析 4/3/2023图解分析法图解分析法应用场合：电路中非线性器件的应用场合：电路中非线性器件的特性曲线已知特性曲线已知例例1 电路以及二极管伏电路以及二极管伏安特性曲线如图，已知电源安特性曲线如图，已知电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。复杂、局限性复杂、局限性DRiD+vDQ：工作点：工作点 4/3/2023二极管简化模型二极管简化模型1+1理想模型理想模型+反偏：反偏：+正偏：正偏：+二极管电源电压远大于二极管电源电压远大于二极管的正向管压降二极管的正向管压降 4/3/2023二极管简化模型二极管简化模型2+2恒压降模型（恒压降模型（ID1mA）+3折线模型折线模型+1mA0.7V1mA0.7V 4/3/2023二极管简化模型二极管简化模型34小信号模型小信号模型+vD+iDvDiD 4/3/2023二极管简化模型二极管简化模型45PN结高频电路模型结高频电路模型(康华光五版康华光五版P77)高频或开关状态运用高频或开关状态运用rs：半导体体电阻：半导体体电阻rd：结电阻：结电阻CD：扩散电容：扩散电容CB：势垒电容：势垒电容Cd：结电容，包括势垒电容与扩散电容的总效果：结电容，包括势垒电容与扩散电容的总效果PN结正向偏置：结正向偏置：rd 阻值较小；阻值较小；Cd 主要取决于扩散电容主要取决于扩散电容PN结反向偏置：结反向偏置：rd 阻值很大；阻值很大；Cd 主要取决于势垒电容主要取决于势垒电容 4/3/2023整流电路整流电路例例2 二极管基本电路如图所示，已知二极管基本电路如图所示，已知vs为正弦波。试利用为正弦波。试利用二二极管理想模型极管理想模型，定性地绘出，定性地绘出vo的波形。的波形。半波整流电路半波整流电路 4/3/2023静态工作情况分析静态工作情况分析例例3 设简单硅二极管基本电路及习惯画法如图所示，设简单硅二极管基本电路及习惯画法如图所示，R=10k。对于下列两种情况，求电路的对于下列两种情况，求电路的ID和和VD的值：的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V 4/3/2023限幅电路限幅电路例例4 一限幅电路如图所示，一限幅电路如图所示，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极，二极管为硅二极管。分别用管。分别用理想模型理想模型和和恒压降模型恒压降模型：（1）求解）求解vI=0V、4V、6V时相应的输出电压时相应的输出电压vO之值；之值；（2）绘出当）绘出当vI=6sint（V）相应的输出电压波形）相应的输出电压波形 4/3/2023开关电路开关电路例例5 二极管电路如图所示，利用二极管二极管电路如图所示，利用二极管理想模型理想模型求解求解:当当vI1和和vI2为为0V或或5V 时，求时，求vI1和和vI2的值不同组合情况的值不同组合情况下，输出电压下，输出电压vo的值。的值。开关电路习惯画法开关电路习惯画法开关电路理想模型开关电路理想模型VCC 4/3/2023低电压稳压电路低电压稳压电路例例6 低电压稳压电路如图所示，利用二极管的正向压降特性，低电压稳压电路如图所示，利用二极管的正向压降特性，合理选取电路参数，对于硅二极管可以获得输出电压合理选取电路参数，对于硅二极管可以获得输出电压vO（=VD）近似等于）近似等于0.7V，若采用几只二极管串联，则可获得，若采用几只二极管串联，则可获得1V以上以上的输出电压。的输出电压。4/3/2023小信号工作情况分析小信号工作情况分析例例7 如图所示二极管电路中，如图所示二极管电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型恒压降模型的的VD=0.7V，vs=0.1sint（V）：）：（1）求输出电压）求输出电压vO的交流量和总量；的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形的波形直直流流通通路路交交流流通通路路 4/3/20231稳压管（齐纳二极管）稳压管（齐纳二极管）1.面结型硅半导体二极管面结型硅半导体二极管2.稳定电压为反向击穿（齐纳）电压稳定电压为反向击穿（齐纳）电压VZ3.代表符号、代表符号、V-I特性、反向击穿时的模型特性、反向击穿时的模型4.主要参数：主要参数：VZ、IZ（min）、IZ（max）、rZ、PZM、5.并联式稳压电路并联式稳压电路6.应用举例应用举例VZ0特殊二极管特殊二极管1代表符号代表符号iD/mAvD/V0IZTQVZIZ(min)IZ(max)4/3/2023特殊二极管特殊二极管2(了解了解)2变容二极管变容二极管(varicap)1.结电容随外加反向电压的增加而减小结电容随外加反向电压的增加而减小2.符号符号(P89图图3.5.5a)3.结电容与电压的关系曲线结电容与电压的关系曲线(P89图图3.5.5b)3肖特基二极管肖特基二极管(SBD)1.金属金属-半导体结二极管半导体结二极管(表面势垒二极管表面势垒二极管)2.符号符号(阳极连接金属、阴极连接阳极连接金属、阴极连接N型半导体型半导体)3.正向正向V-I特性特性(P89图图3.5.6)4.多子导电，电容效应小（抗饱和），工作速度快多子导电，电容效应小（抗饱和），工作速度快5.正向导通门坎电压和正向压降都比正向导通门坎电压和正向压降都比PN结二极管小结二极管小6.反向击穿电压较小，反向漏电流比反向击穿电压较小，反向漏电流比PN结二极管大结二极管大4光电子器件光电子器件1.光电二极管：反向电流与照度成正比，光电转换光电二极管：反向电流与照度成正比，光电转换2.发光二极管：电子与空穴复合，显示器件、电光转换发光二极管：电子与空穴复合，显示器件、电光转换3.激光二极管（半导体激光器）：发射带宽极窄的同调光激光二极管（半导体激光器）：发射带宽极窄的同调光(coherent light)4/3/2023并联式稳压电路并联式稳压电路例例8 稳压电路如图所示，设稳压电路如图所示，设R=180，VI=10V，RL=1k，稳压管的，稳压管的VZ=6.8V，IZT=10mA，r ZT=20，IZ（min）=5mA。试分析当。试分析当VI出现出现 1V的变化时，的变化时，VO的变化是多少？的变化是多少？4/3/2023稳压管应用举例稳压管应用举例1例例9 设计一个稳压管稳压电路，作为车载收音机的供电电源。设计一个稳压管稳压电路，作为车载收音机的供电电源。已知收音机直流电源为已知收音机直流电源为9V，音量最大时应供给功率，音量最大时应供给功率0.5W。汽车上的供电电源在。汽车上的供电电源在1213.6V之间波动。要求之间波动。要求选用合适的稳压管（选用合适的稳压管（IZ（min）、IZ（max）、VZ、PZM），），以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）4/3/2023稳压管应用举例稳压管应用举例2例例2.2.1 如图所示稳压管稳压电路中，稳压管的稳定电压如图所示稳压管稳压电路中，稳压管的稳定电压VZ=6V，最小稳定电流，最小稳定电流 IZ（min）=5mA，最大稳定电，最大稳定电流流 IZ（max）=25mA，负载电阻，负载电阻RL=600，求限流电，求限流电阻阻R的取值范围。的取值范围。4/3/2023常见二极管外形常见二极管外形 4/3/2023晶体二极管晶体二极管(猫须猫须)4/3/2023Types of semiconductor diode DiodeSchottky diodeZener diodeTunnel diodeLight-emitting diodePhotodiodeVaricapSilicon controlled rectifier 4/3/2023术语术语1Diode：anode（阳极）、cathode（阴极）thermionic diodes：热游离二极管（真空管）rectifying property：整流特性（rectifiers）varicap：变容二极管（电子式的可调电容器）unidirectional electric current property：单向电流特性/单向导电性forward biased condition：正向偏置条件reverse biased condition：反向偏置条件non-linear electrical characteristic：非线性特性silicon or germanium：硅或锗“cats whisker”crystals devices：猫须晶体器件 vacuum tube devices：真空管 semiconductor p-n junctions：半导体PN结Schottky diode：肖特基二极管currentvoltage characteristic,or IV curve：伏安特性Carriers：载流子depletion layer or depletion region：耗尽层 4/3/2023术语术语2conduction band(mobile)electrons：束缚电子donor and acceptor impurities：杂质半导体 peak inverse voltage：峰值反向电压avalanche diode：雪崩二极管zener diode：齐纳二极管Light-emitting diode：发光二极管Photodiode：光电二极管Silicon controlled rectifier：可控硅Tunnel diode：隧道二极管Schottky diode：肖特基二极管Varicap diode：变容二极管Radio demodulation：解调、检波Power conversion：能量变换Over-voltage protection：过压保护Logic gates：逻辑门Ionising radiation detectors：Current steering：4/3/2023作业作业半导体二极管：半导体二极管：2.1.2、2.1.6稳压二极管：稳压二极管：2.2.4、2.2.5、2.3.1 4/3/2023