模拟电子技术基础--课件-01-2讲义(二极管)

1.2半导体二极管◆半导体二极管是由PN结加上引出线和管壳构成的。1、按照所用的半导体材料：可分为锗管和硅管。2、根据其不同用途：可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。3、按照管芯结构：可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。一、二极管的分类PN结面积大，用于工频大电流整流电路。PN结面积小，结电容小，用于高频小电流电路。往往用于集成电路制造工艺中。结面积大，则用于大功率整流。结面积小，则用于高频、脉冲和开关电路中。二、二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性曲线如图所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1(eTSVVII当V＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：①当0＜V＜Von时，正向电流为零，Vth称为开启电压。②当V＞Von时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅二极管的Von=0.5V左右，锗二极管的Von=0.1V左右。当V＜0即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：①当VBR＜V＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。②当V≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。这个特性也称反向击穿特性。温度升高时，由于少数载流子增加，反向电流急剧增加。三、二极管的参数①最大整流电流IF②反向击穿电压VBR由于电流通过PN结，使得管子发热，电流达到一定程度，管子因过热而烧坏。③最大反向工作电压VRM指管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。指管子反向击穿时的电压。在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。⑤正向压降VF在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6V～0.8V；锗二极管约0.1V～0.3V。⑥最高工作频率fM二极管工作的上限频率，超过该频率，结电容起作用，二极管将不能很好的体现单向导电性。④反向电流IR指管子未击穿之前的反向电流，其值愈小，则管子的单向导电性愈好。由于反向电流与温度有关，所以使用二极管时注意温度的影响。四、二极管等效电路◆理想模型电源电压远比二极管的压降大时可以认为：正向偏置时，二极管的管压降为零伏；反向偏置时，认为它的电阻无穷大，电流为零。二极管是非线性器件，为了便于分析，常在一定的条件下，用线性元件所构成的电路来近似模拟二极管。该电路成为二极管的等效电路。二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用理想模型求解电路的VD和ID。ID=（VDD-VD）／R=（10-0）V／10KΩ=1mAVD=0V◆恒压降模型当流过二极管的电流近似等于或大于1mA时，可以认为二极管导通后，管压降是恒定的，且不随电流而变；硅管为0.7伏，锗管为0.3伏。硅二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用恒压降模型求解电路的VD和ID。VD=0.7VID=（VDD-VD）／R=（10-0.7）V／10KΩ=0.93mA◆折线模型为了较真实地描述二极管的V-I特性，在恒压降模型的基础上，作一定的修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着流过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一个电池和电阻来作进一步的近似。电池的电压为门坎电压Von，它的电阻为20015.07.0mArD硅二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用折线模型求解电路的VD和ID。rD=(V-Vth)/I=(0.7-0.5)V/1mA=0.2KΩID=（VDD-Vth）／(R+rD)=（10-0.5）V／(10+0.2)KΩ=0.931mAVD=VDD-IDR=10-0.931×10=0.69V◆小信号模型如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是微变电阻rdDDdiur)1(TDVuSDeIiTDTDYuTSDDdVIVieVIdudigTDDDTddImVIVgr2611、限幅电路：它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。一限幅电路如图所示，R=1KΩ，VREF=3V。当Ui=6sinωt(V)时，利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。①Ui3.7V时D截止，UO=Ui;②Ui3.7V时D导通，UO=0.7+3=3.7V五、二极管应用举例2、开关电路：利用二极管的单向导电性以接通或断开电路，这在数字电路中广泛应用。二极管开关电路如图所示，当Ui1和Ui2为0V或5V时，求Ui1和Ui2的值不同组合情况下，输出电压Uo的值。设二极管是理想的。Ui1Ui2(单位V)二极管工作状态UO(单位V)D1D200055055截止截止截止截止导通导通导通导通05553、整流电路：将交流电压转换成脉动的直流电压。单相桥式整流电路如图所示，电源US为正弦波电压，试绘出负载RL两端的电压波形，设二极管为理想的。Ui0V时D2、D3导通，UO=UiUi≤0V时D4、D1导通，UO=-Ui六、特殊二极管◆稳压管稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。1、稳压管的伏安特性①稳压管的杂质浓度比较大，空间电荷区内的电荷密度也大，该区域也很窄，容易形成强电场（强电场容易引起齐纳击穿）。②当反向电压加到某一定值时VZ，产生反向击穿，反向电流急剧增加，只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会损坏。2、稳压管的主要参数①稳定电压VZ指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V，高的可达300V，它的正向电压约为0.6V。②稳定电流IZ（Izmin~Izmax）指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效果变坏，甚至根本不稳压；只要不超过稳压管的额定功率，电流越大，稳压效果越好。③额定功耗PZM指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。④温度系数α指温度每变化1℃时稳压值的变化量。VZ小于4V的管子具有负温度系数，VZ大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。⑤动态电阻rz指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。接法：反接电阻R的作用：限流RL代表：负载RL↓→IO↑→IR↑→VO↓→IZ↓→IR↓VO↑工作区：反向击穿3、稳压管的基本电路稳压电路如图所示，直流输入电压VI的电压在12V~13.6V之间。负载为9V的收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为0.5W。稳压管的VZ=9V，稳定电流IZmin=5mA，额定功率为1W，R=51Ω。试分析稳压管电路能否正常工作。收音机所需电流流过R的电流为流过稳压管的电流为mAVW.IImaxLminL569500mA.V.RVVImA.VRVVIRVVIZaxImmaxRZinImminRZIR29051961395851912mA..IIImA..IIIIIIminLmaxRmaxZmaxLminRminZLRZ29002909256958由于收音机音量最大时，稳压管流过的电流稳压管的稳定电流范围为：mAVWImAImaxZminz111915minzminzII所以稳压管失去了稳压作用。◆光电二极管光电二极管的结构与普通二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照度的增加而上升。它的符号如图所示。接法：反接工作区：反向偏置作用：把光信号转换成电信号◆发光二极管发光二极管是通过电流时发光的一种器件，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发出的光的波长由所使用的基本材料而定。它的符号如图所示。工作区：正向偏置接法：正接作用：把电信号转换成光信号主要应用：作为显示器件作业1-1P66:1.41.81.9