第2章二极管及基本电路PPT讲稿.ppt

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1、第2章二极管及基本电路第1页，共38页，编辑于2022年，星期一第二章第二章 二极管及基本电路二极管及基本电路一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性三、二极管及伏安特性三、二极管及伏安特性五、二极管基本电路及分析方法五、二极管基本电路及分析方法六、特殊二极管六、特殊二极管三、二极管的等效模型三、二极管的等效模型第2页，共38页，编辑于2022年，星期一一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识 绝缘体绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。力很

2、强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。导体导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电 子子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。一、本征半导体一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体半导体。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构本征半导体本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。是纯净的晶体结构的半导体。1、半导体、本征半导体、半导体、本征半导体 半导体半导体硅（硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为），均为四价四价元素，它们原子的最外元素，它们原子的最外

3、层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。第3页，共38页，编辑于2022年，星期一一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识2、本征半导体的结构、本征半导体的结构由于由于热运动热运动，具有足够能量的，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成价电子挣脱共价键的束缚而成为为自由电子自由电子自由电子的产生使共价键中留自由电子的产生使共价键中留下一个空位置，称为下一个空位置，称为空穴空穴共价键：两个原子外层电子共价键：两个原子外层电子 的共有轨道的共有轨道第4页，共38页，编辑于2022年，星期一一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识2、本征半导体的结构

4、、本征半导体的结构 自由电子与空穴相碰同时自由电子与空穴相碰同时消失，称为消失，称为复合复合。温度温度一定时，自由电子与空一定时，自由电子与空穴对的穴对的浓度浓度一定；温度升高，热运一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴的浓度加大。自由电子与空穴的浓度加大。本征半导体中自由电子与空本征半导体中自由电子与空穴的穴的浓度相同。浓度相同。第5页，共38页，编辑于2022年，星期一一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子 外加电场时，带负电的外加电场时，带负电的自由电子自由电子和带正电的和带正

5、电的空穴空穴均参与导电，且均参与导电，且运动方向相反运动方向相反。由于载流子数目很。由于载流子数目很少，导电性很差。少，导电性很差。运载电荷的粒子称为运载电荷的粒子称为载流子载流子。温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。载流子载流子第6页，共38页，编辑于2022年，星期一一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识二、杂质半导体二、杂质半导体 杂质半导体主要靠多数载流子杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性越高，导电性越

6、强，实现导电性可控。可控。多数载流子多数载流子1、N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质掺入杂质的本征半导体称为的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。磷（磷（P）N型型半导体主要靠半导体主要靠自由电子导自由电子导电电，掺入杂质越多，自由电子浓，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强，度越高，导电性越强，第7页，共38页，编辑于2022年，星期一多数载流子多数载流子2、P型半导体型半导体硼（硼（B）

7、P型型半导体中主要由半导体中主要由空穴导电空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强，杂质半导体中，温度变化时载杂质半导体中，温度变化时载流子的数目同时变化；少子与多流子的数目同时变化；少子与多子变化的数目相同，少子与多子子变化的数目相同，少子与多子浓度的变化不相同浓度的变化不相同。一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识第8页，共38页，编辑于2022年，星期一二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩

8、散运动的继续进行。自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的继续进行。物质因浓度差而产生的运动称为物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动扩散运动。气体、液体、固。气体、液体、固体都存在这种现象。体都存在这种现象。扩散运动扩散运动空穴浓度空穴浓度高于高于N区区自由电子浓度自由电子浓度高于高于P区区一、一、PN结的形成结的形成第9页，共38页，编辑于2022年，星期一二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性一、一、PN结的形成结的形成 因电场作用所产生的因电场作用所产生的少少数载流子数载流子运动称为运动称为漂移运漂移运动动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平参与扩散运动和漂移运动

9、的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场区的交界面缺少多数载流子，形成内电场（空间电荷区空间电荷区），从而），从而阻止扩散阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。第10页，共38页，编辑于2022年，星期一二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性PN结加结加正向电压正向电压导通：导通：耗尽层变窄，多数载流子扩耗尽层变窄，多数载流子扩散运动加剧，由于外电源的作散运动加剧，由于外电源的作用，形

10、成扩散电流，用，形成扩散电流，PNPN结处于结处于正向导通正向导通状态，状态，正向电阻很小正向电阻很小。二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性1、PN结加正向偏置电压结加正向偏置电压第11页，共38页，编辑于2022年，星期一二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性PN结加结加反向电压反向电压截止：截止：耗尽层变宽，阻止多数载流子耗尽层变宽，阻止多数载流子扩散运动，有利于少数载流子漂扩散运动，有利于少数载流子漂移运动，形成移运动，形成反向漂移电流反向漂移电流。由。由于电流很小，于电流很小，反向电阻很大，近反向电阻很大，近似认为截止似认为截止。2、PN结加反向偏置电压结加反向偏置电压第12页，

11、共38页，编辑于2022年，星期一二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性三、三、PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿可逆可逆 电击穿电击穿第13页，共38页，编辑于2022年，星期一二、二、PN结的形成及特性结的形成及特性四、四、PN结的电容效应结的电容效应1.势垒电容势垒电容 PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电

12、荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容容称为势垒电容CB。2.扩散电容扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容电容称为扩散电容CD。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！第14页，共38页，编辑于2022年，星期一三、二极

13、管三、二极管及伏安特性及伏安特性 一、二极管的组成一、二极管的组成二极管实质是二极管实质是PN结，结，P型半导体为阳极、型半导体为阳极、N型半导体为阴极。型半导体为阴极。点接触型：点接触型：结面积小、结电容小结面积小、结电容小允许的结电流小、最高允许的结电流小、最高工作频率高。工作频率高。面接触型：面接触型：结面积大、结电容大结面积大、结电容大允许的结电流大、最高工允许的结电流大、最高工作频率低。作频率低。平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小、工作频率可高、可低、小、工作频率可高、可低、允许的结电流大允许的结电流大符号：符号：第15页，共38页，编辑于2022年，星期一三、二极管

14、三、二极管及伏安特性及伏安特性 二、二极管的伏安特性及电流方程二、二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性伏安特性。材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十几十A开启开启电压电压反向饱和反向饱和电流电流击穿电击穿电压压温度的温度的电压当量电压当量第16页，共38页，编辑于2022年，星期一三、二极管三、二极管及伏安特性及伏安特性 从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性单向导电性 2.伏安特性受温度影响

15、伏安特性受温度影响 T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流 IS，U(BR)正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线 T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移 第17页，共38页，编辑于2022年，星期一三、二极管三、二极管及伏安特性及伏安特性三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数最大整流电流最大整流电流：最大正向平均电流：最大正向平均电流反向击穿电压反向击穿电压：反向最大瞬时电压：反向最大瞬时电压反向电流反向电流：未击穿时的反向电流：未击穿时的反向电流极间电容极间电容：扩散电容和势垒电容之和：

16、扩散电容和势垒电容之和最大工作频率最大工作频率：使二极管保持单向导电性能的最高频率：使二极管保持单向导电性能的最高频率第18页，共38页，编辑于2022年，星期一四、二极管四、二极管的等效模型的等效模型一、二极管直流等效电路一、二极管直流等效电路 将二极管的伏安特性折线化，以简化分析计算。将二极管的伏安特性折线化，以简化分析计算。理想理想模型模型导通时导通时 UD0截截止时止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0折线折线模型模型应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！恒压降恒压降模型模型导通时导通时UDUon+IDrD截止时截止时IS0第19页，共38页，

17、编辑于2022年，星期一四、二极管四、二极管的等效模型的等效模型二极管在直流（二极管在直流（静态静态）基础上叠加一个交流（）基础上叠加一个交流（动态动态）信号）信号作用时，可将二极管等效为一个电阻，这个电阻称为动态电阻，作用时，可将二极管等效为一个电阻，这个电阻称为动态电阻，也就是二极管的也就是二极管的微变等效电路微变等效电路。微变等效电路用于二极管电路的交流分析。微变等效电路用于二极管电路的交流分析。二、二极管小信号等效电路二、二极管小信号等效电路小信号等效电路也称微变等效电路。小信号等效电路也称微变等效电路。第20页，共38页，编辑于2022年，星期一四、二极管四、二极管的等效模型的等效模

18、型Q越高，越高，rd越小。越小。ui=0，时直流电源作用，时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流二、二极管小信号等效电路二、二极管小信号等效电路静态工作点静态工作点第21页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法一、直流分析一、直流分析 1.1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析第22页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法 1.1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k）（1）VDD=10V 时时恒压降模型恒压降模型（硅二极

19、管典型值）（硅二极管典型值）第23页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法 1.1.二极管的静态工作情况分析二极管的静态工作情况分析（R=10k）（1）VDD=10V 时时折线模型折线模型（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）设设（2）VDD=1V 时时（大家自己分析）（大家自己分析）rDVth第24页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法二极管截止二极管截止 2.2.限幅电路限幅电路电路如图，若输入信号是最大值为电路如图，若输入信号是最大值为6V的正弦波，的正弦波，二二极管用折线模型极管

20、用折线模型 画出电路的传输特性画出电路的传输特性 和输出波形和输出波形第25页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法 2.2.限幅电路限幅电路二极管导通二极管导通第26页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法 3.3.开关电路开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解：先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位，即即O点为点为0V。则接则接D D阳极的电位为阳极的电位为-6V-6V，接阴极的电位为，接阴极的电位为-12V-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位

21、高于阴极电位，D D接入时正向导通。导通后，接入时正向导通。导通后，D D的压降等于零，的压降等于零，即即A A点的电位就是点的电位就是D D阳极的电位。所以，阳极的电位。所以，AOAO的电压值为的电压值为-6V-6V。第27页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法讨论讨论 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。如何判断二极管工作状态？如何判断二极管工作状态？第28页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法1.V2V、5V、10V时二极管中的直

22、流时二极管中的直流电流各为多少？电流各为多少？V 较小时应实测伏安特性，用图较小时应实测伏安特性，用图解法求解法求ID。QIDV5V时，时，V=10V时，时，uD=V-iR4.4.交流微变等效电路交流微变等效电路4.4.交流微变等效电路交流微变等效电路第29页，共38页，编辑于2022年，星期一2.若输入电压的有效值为若输入电压的有效值为5mV，则上述，则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多各种情况下二极管中的交流电流各为多少？少？4.4.交流微变等效电路交流微变等效电路五、二极管五、二极管基本电路及分析方法基本电路及分析方法第30页，共38页，编辑于2022年，星期一五、二极管五、二极管基

23、本电路及分析方法基本电路及分析方法V2V，ID2.6mAV5V，ID 8.6mAV10V，ID 50mA在伏安特性上，在伏安特性上，Q点越高，二极管的动态电阻越小！点越高，二极管的动态电阻越小！第31页，共38页，编辑于2022年，星期一六、特殊二极管六、特殊二极管一、稳压二极管一、稳压二极管1.1.伏安特性伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组成，反向击穿后在结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。变，为稳定电压。符号：符号：等效电路：等效电路：第32页，共38页，编辑

24、于2022年，星期一六、特殊二极管六、特殊二极管2.2.主要参数主要参数稳定电压稳定电压UZ稳定电流稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ/IZ一、稳压二极管一、稳压二极管正向导通区正向导通区反向截止区反向截止区稳压工作区稳压工作区3.3.三个工作区三个工作区第33页，共38页，编辑于2022年，星期一六、特殊二极管六、特殊二极管4.4.例题例题一、稳压二极管一、稳压二极管在如在如图图所示的所示的电电路中路中稳压稳压管的管的稳稳定定电压电压UZ6V，最小，最小稳稳定定电电流流IZmin5mA，最大，最大稳稳定定电电流流IZmax25mA。（1）分）分别计别计算

25、算UI为为10V、15V、35V三种情况下三种情况下输输出出电压电压UO的的 值值；（2）若）若UI35V时负载时负载开路，开路，则则会出会出现现什么什么现现象象?为为什么？什么？第34页，共38页，编辑于2022年，星期一六、特殊二极管六、特殊二极管解：（解：（1）当）当UI10V时时，若若UOUZ6V，则稳压则稳压管的管的电电流流为为4mA，小于，小于其最小其最小稳稳定定电电流，所以流，所以稳压稳压管管未未击击穿。故穿。故 当当UI15V时，稳压管中的电流小于最小稳定电流，稳压管仍没有击穿，时，稳压管中的电流小于最小稳定电流，稳压管仍没有击穿，所以所以第35页，共38页，编辑于2022年，

26、星期一六、特殊二极管六、特殊二极管当当UI35V时，稳压管中的电流：时，稳压管中的电流：大于其最小稳定电流，所以稳压管大于其最小稳定电流，所以稳压管击穿。故击穿。故 （2）若）若UI35V负载开路时，负载开路时，29mAIZM25mA，稳压稳压管将因功耗管将因功耗过过大而大而损损坏。坏。第36页，共38页，编辑于2022年，星期一六、特殊二极管六、特殊二极管稳压管应用于双向限幅电路稳压管应用于双向限幅电路第37页，共38页，编辑于2022年，星期一六、特殊二极管六、特殊二极管二、其他特殊二极管二、其他特殊二极管变容二极管变容二极管肖特基二极管肖特基二极管光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管激光二极管激光二极管第38页，共38页，编辑于2022年，星期一