zch0二极管及其应用电路(1).ppt

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1、模拟电子技术基础模拟电子技术基础电子教案电子教案 V1.0陈大钦 主编华中科技大学电信系 邹韬平模拟电子技术基础模拟电子技术基础第第1章章 绪论绪论第第2章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第3章章 半导体三极管及其放大电路基础半导体三极管及其放大电路基础第第4章章 多级放大电路及模拟集成电路基础多级放大电路及模拟集成电路基础第第5章章 信号运算电路信号运算电路第第6章章 负反馈放大电路负反馈放大电路第第7章章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路第第8章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路第第9章章 功率放大电路功率放大电路第第10章章 集成运算放大器集成运算放大

2、器第第11章章 直流电源直流电源22 2 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路2.1 PN结的基本知识2.2 半导体二极管2.3 二极管应用电路2.4 特殊二极管2.1 PN结的基本知识结的基本知识2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1.2 杂质半导体杂质半导体2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性2.1.4 PN结电容结电容半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。导电的导电的导电的导电的重要特点重要特点重要特点重要特点1、其能力容易受环境

3、因素影响（、其能力容易受环境因素影响（温度温度、光照等）、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力、掺杂可以显著提高导电能力原子结构原子结构简化模型简化模型4图图2.1.1 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构2.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1 PN结的基本知识结的基本知识1.本征半导体本征半导体 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体晶体。在在T=0K和无外界激发时，没有和无外界激发时，没有载流子载流子，不导电，不导电原子结构原子结构简化模型简化模型52.1.1 本征半导体及其导电性本征半导体及其导电性2.1 PN结的基本知识结的基本知识2.本

4、征激发本征激发温度温度 光照光照本征激发本征激发自由电子自由电子空位空位自由电子自由电子空位空位空位：带正电荷；空位：带正电荷；可自由移动；可自由移动；靠相邻共价键中的价电靠相邻共价键中的价电子依次充填空位来实现的。子依次充填空位来实现的。取名为：取名为：空穴空穴温度温度 载流子载流子浓度浓度 载流子载流子:自由移动带电粒子自由移动带电粒子复合复合本征激发的逆过程本征激发的逆过程6图图2.1.3 N型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构2.1.2 杂质半导体杂质半导体2.1 PN结的基本知识结的基本知识图图2.1.4 P型半导体的共价键结构型半导体的共价键结构1.N型半导体型半导体 掺入少量

5、的五价元素磷掺入少量的五价元素磷P2.P型半导体型半导体 掺入少量的三价元素硼掺入少量的三价元素硼B 自由电子是多数载流子（简称多子）自由电子是多数载流子（简称多子）空穴是少数载流子（简称少子）空穴是少数载流子（简称少子）空穴是多数载流子空穴是多数载流子自由电子为少数载流子。自由电子为少数载流子。空间电荷空间电荷7 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022

6、/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响8 本征半导体、本征激发本征半导体、本征激发本节中的有关概念本节中的有关概念自由电子自由电子空穴空穴N型半导体、施主杂质型半导体、施主杂质(5价价)P型半导体、受主杂质型半导体、受主杂质(3价价)多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子杂质半导体杂质半导体复合复合*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度温

7、度载流子浓度载流子浓度导电能力导电能力*半导体导电特点半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力：掺杂可以显著提高导电能力9(1)浓度差浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动 复合复合(2)复合复合空间电荷区空间电荷区内电场内电场(3)内电场内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散(4)扩散与漂移达到扩散与漂移达到动态平衡动态平衡载流子的载流子的运动：运动：扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动P区区N区区扩散：空穴扩散：空穴电子电子漂移：电子漂移：电子空穴空穴形成过程可分成形成过程可

8、分成4步步(动画动画)内电场内电场2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN结的形成结的形成 空间电荷区空间电荷区=PN结结10PN结形成的物理过程：结形成的物理过程：因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导体结合面，离子薄层形成的形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结

9、。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽112.PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性12图图2.1.

10、8 PN结伏安特性结伏安特性3.PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿特性反向击穿特性（击穿电压）（击穿电压）倍增效应倍增效应 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 2.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PNPN结结结结(二极管二极管二极管二极管)特性描述方法特性描述方法特性描述方法特性描述方法陡峭陡峭电阻小电阻小正向导通正向导通特性平坦特性平坦反向截止反向截止温度一定，由本征激发产温度一定，由本征激发产生的少子浓度一定生的少子浓度一定反向击穿反向击穿PN结方程（理论计算仿真）结方程（理论计算仿真）IS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温

11、度的电压当量(26mV)曲线（对应图解法）曲线（对应图解法）13图图2.1.10 扩散电容效应扩散电容效应(1)势垒电容势垒电容CB(2)扩散电容扩散电容CD 2.1.4 PN结电容结电容2.1 PN结的基本知识结的基本知识 用来描述势垒区的空间用来描述势垒区的空间电荷随外加电压变化而变电荷随外加电压变化而变化的电容效应化的电容效应 多数载流子的扩散运动是多数载流子的扩散运动是形成扩散电容的主要因素形成扩散电容的主要因素 图图2.1.9 势垒电容与外加电压关系势垒电容与外加电压关系142.2 半导体二极管半导体二极管2.2.1 二极管的结构二极管的结构2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特

12、性2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.2.4 二极管模型二极管模型PN结结加上引线和封装加上引线和封装 二极管二极管按结构分类按结构分类点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型15点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型 2.2.1 二极管的结构二极管的结构16图图2.2.2 硅二极管的硅二极管的2CP10的伏安特性的伏安特性 图图2.2.3 锗二极管锗二极管2AP15的伏安特性的伏安特性 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.2 半导体二极管半导体二极管正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）硅）Vth=0.1V（锗）锗

13、）注注意意1.死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流反向饱和电流(好好)硅：硅：0.1 A；锗：锗：10 A3.PN结方程（近似）结方程（近似）17图图2.2.4 温度对二极管特性曲线温度对二极管特性曲线的影响示意图的影响示意图温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响 2.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.2 半导体二极管半导体二极管温度升高时温度升高时:正向特性曲线向左移动正向特性曲线向左移动 温度温度 1，正向压降，正向压降 22.5mV 反向特性曲线向下移动反向特性曲线向下移动 温度温度 10，反向电流，反向电流 一倍一倍 181.最大整流电流最大整流电流

14、IF 2.最高反向工作电压最高反向工作电压VRM 3.反向电流反向电流IR 4.极间电容极间电容Cd5.最高工作频率最高工作频率fM 2.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数2.2 半导体二极管半导体二极管图图2.2.3 锗二极管锗二极管2AP15的伏安特性的伏安特性IFVRMVBRIR极限极限 直流直流 交流交流 19 2.2.4 二极管模型二极管模型2.2 半导体二极管半导体二极管图图2.2.2 硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性对于非线性器件，分析方法有：对于非线性器件，分析方法有：非线性分析方法非线性分析方法 （PN结方程，比较复杂）结方程，比较复杂）根据不同的工作条件和要求，在

15、分根据不同的工作条件和要求，在分析精度允许的条件下，采用不同的模型析精度允许的条件下，采用不同的模型来描述非线性元器件的电特性。来描述非线性元器件的电特性。图解分析方法（麻烦）图解分析方法（麻烦）等效电路分析方法等效电路分析方法 （转换为线性）（转换为线性）图图2.2.5 理想模型理想模型图图2.2.6 恒压降模型恒压降模型图图2.2.7 折线模型折线模型图图2.2.8 小信号模型小信号模型20二极管电路的分析二极管电路的分析讲课思路：讲课思路：5、应用电路分析举例、应用电路分析举例 2、二极管状态判断、二极管状态判断 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 3、图解分析法、图解分析法

16、 4、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法21 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述应用电路举例应用电路举例例例2.4.2（习题（习题2.4.12）习题习题2.4.5整流整流限幅限幅习题习题2.4.6初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性D导通：导通：vO=vI-vDD截止：截止：vO=0D导通：导通：vO=vDD截止：截止：vO=vI左图左图中图中图显然，显然，vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定决定而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！22 分析思路分析思路n分析任务：求分析任务：求vD、iDn目的目的1:确定电

17、路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO，有何变化？有何变化？n目的目的2:判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。n首先，判断首先，判断D的状态？的状态？n若若D反向截止，则相当于开路（反向截止，则相当于开路（iD 0，ROFF ）；）；n若若D正向导通，则？正向导通，则？n正向导通分析方法：正向导通分析方法：n图解法图解法n等效电路（模型）法等效电路（模型）法 将非线性将非线性 线性线性n先静态（直流），后动态（交流）先静态（直流），后动态（交流）n静态：静态：vI=0（正弦波过正弦波过0点）点）n动态：动态：vI 01、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述23 2、

18、二极管状态判断、二极管状态判断例例1:2CP1（硅），硅），IF=16mA，VBR=40V。求求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏iD IF？D反向截止反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿反向击穿iD=？vD=？二极管状态判断方法二极管状态判断方法假设假设D截止截止(开路开路)，求求D两端开路电压两端开路电压普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏齐纳：电击穿齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD 0VD正向导通？正向导通？-VBR IF？D反向截止反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿反向击穿iD=？vD=？普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏齐纳：电击穿齐纳：

19、电击穿VD=-VBR=-40VD正向导通？正向导通？D正向导通！正向导通！37 分析思路分析思路n分析任务：求分析任务：求vD、iDn目的目的1:确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO，有何变化？有何变化？n目的目的2:判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。n首先，判断首先，判断D的状态？的状态？n若若D反向截止，则相当于开路（反向截止，则相当于开路（iD 0，ROFF ）；）；n若若D正向导通，则？正向导通，则？n正向导通分析方法：正向导通分析方法：n图解法图解法n等效电路（模型）法等效电路（模型）法 将非线性将非线性 线性线性n先静态（直流），后动态（交流）先静态

20、（直流），后动态（交流）n静态：静态：vI=0（正弦波过正弦波过0点）点）n动态：动态：vI 01、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述38 分析方法小结分析方法小结假设假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路电压两端开路电压VD 0.7VD正向导通正向导通-VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID=0 (开路开路)VD -VBRD反向击穿反向击穿VD=-VBR (恒压恒压)VD=0.7V(恒压降恒压降)状态状态等效电路等效电路条件条件将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的关系关系画出电压波形和电画出电压波形

21、和电压传输特性压传输特性特殊情况：求特殊情况：求 vD（波动）波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理恒压降模型恒压降模型392.3 二极管应用电路二极管应用电路2.3.1 整流电路整流电路2.3.2 限幅电路限幅电路2.3.3 钳位电路钳位电路例例2.4.2（习题（习题2.4.12）习题习题2.4.5整流整流限幅限幅习题习题2.4.6钳位钳位40 2.3.1 整流电路整流电路 （a）电路图）电路图 （b）vI和和vO的波形的波形图图2.3.1 单向半波整流电路单向半波整流电路2.3 二极管应用电路二极管应用电路41 （a）（b）图图2.3.2 单向全整流电路单向全整流电路（a）电路图）

22、电路图 （b）v2和和vo的波形的波形42 （a）（b）（c）图图2.3.3 二极管限幅电路二极管限幅电路（a）电路图）电路图 （b）viVB时的等效电路时的等效电路 （c）viVB时的等效电路时的等效电路 2.3.2 限幅电路限幅电路2.3 二极管应用电路二极管应用电路43图图2.3.4 二极管限幅电路波形图二极管限幅电路波形图 2.3.2 限幅电路限幅电路2.3 二极管应用电路二极管应用电路44 图图2.3.5 二极管钳位电路二极管钳位电路 2.3.3 钳位电路钳位电路2.3 二极管应用电路二极管应用电路45 分析方法小结分析方法小结假设假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路电压两端

23、开路电压VD 0.7VD正向导通正向导通-VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID=0 (开路开路)VD -VBRD反向击穿反向击穿VD=-VBR (恒压恒压)VD=0.7V(恒压降恒压降)状态状态等效电路等效电路条件条件将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的关系关系画出电压波形和电画出电压波形和电压传输特性压传输特性特殊情况：求特殊情况：求 vD（波动）波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理恒压降模型恒压降模型462.4 特殊二极管特殊二极管2.4.1 稳压二极管稳压二极管2.4.2 光电二极管光电二极管 2.4.3 发光二极管发光二极管 2.4.4 激光二极管激光二极管 反向击穿状态反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光特殊材料，正向导通发光请自学！请自学！必须掌握必须掌握“齐纳二极管齐纳二极管”其它了解。其它了解。47第第2章章 基本要求基本要求n了解半导体材料的基本结构及了解半导体材料的基本结构及PN结的形成结的形成 n掌握掌握PN结的单向导电工作原理结的单向导电工作原理 n掌握二极管（包括稳压管）的掌握二极管（包括稳压管）的V-I特性及其基本特性及其基本应用应用 48