模拟电子技术_二极管基础知识

模拟电子技术绪论0.1电子系统概述0.2模拟信号与数字信号0.3电路仿真软件简介0.1电子系统概述当今世界已进入电子信息化时代，各式各样的电子系统已经被用于电力、通信、控制、计算机、自动化等工业领域，并广泛应用于社会的其它各个领域，给人们的工作、学习和生活带来了巨大的变化。电子系统在我们的日常生活中是很常见的。凡是可以完成一个特定功能的完整的电子装置都可以称为是电子系统。一个复杂的电子系统是由子系统或一些功能块所组成。它主要由信号的发射端、信号的传输信道和信号的接收端所组成。信息源是指需要传送的原始信息，一般是非电物理量。如语言、音乐、图像、文字、数据等。因此，这些原始信息需经过输入换能器转换成携带欲传送信息的电信号（称为基带信号）后，方可送入发送设备，将其变成适合于信道传输的电信号。若需传送的信息本身已是电信号时，则可直接送入发送设备。发送设备的作用是将基带信号变换（调制）成适合信道传输特性的频带信号（称为调制信号）并放大到信号发射所需要的功率。信道又称为传输媒介，是连接发、收两端的信号通道。通信系统中的信道分为两大类：一类是有线信道，如架空明线、电缆、光纤等；另一类就是无线信道，如自由空间、地球表面等。信号的接收端由接收设备、输出换能器和受信者组成。接收设备的作用是接收信道传送过来的已调波信号并进行处理（解调），以恢复出与发射端相一致的基带信号，然后经由输出换能器变换成原来形式的信息，如声音、图像等，供受信者使用。0.2模拟信号与数字信号•模拟信号，是指“模拟”物理量的变化（如声音、温湿度等的变化）所得出的电压或电流信号。模拟信号的特点是，在时间和幅值上均是连续的，在一定动态范围内取任意值。•数字信号是离散的、不连续的信号。数字信号的幅值是有限的，通常用二进制（例如只有两种可能的幅值）来表示。电脑键盘的输出属于典型的数字信号。根据电子系统工作时所处理的信号形式的不同，通常将电路分为模拟电路和数字电路两大类。处理模拟信号的电路称为模拟电路，而处理数字信号的电路则称为数字电路。0.3电路仿真软件简介随着计算机技术的飞速发展，电子电路的分析与设计手段发生了重大变革，电路设计可以通过计算机辅助设计（ComputerAidedDesign，简称CAD）和仿真技术来完成。计算机仿真技术在教学中的应用，可以代替大包大揽的试验电路，大大减轻验证阶段的工作量；其强大的实时交互性、信息的集成性和生动的直观性，为电子专业教学创设了良好的平台，极大地激发了学生的学习兴趣；能够突出教学重点、突破教学难点；并能保存仿真中产生的各种数据，为整机检测提供参考数据，还可保存大量的单元电路、元器件的模型参数。采用仿真软件能满足电子电路整个设计及验证过程的自动化。常见的电路仿真软件有EWB，Protel，ORCAD，PSPIC，Multisim等等。目前比较流行的电路仿真软件是multisim和Pspice。•Multisim是一个专门用于电子线路仿真与设计的EDA工具软件。它的前身为加拿大InteractiveImageTechnologies公司（简称IIT公司）于20世纪80年代推出的EWB（ElectronicsWorkbench）软件。它以其界面形象直观、操作方便、分析功能强大、易学易用等突出优点，早在20世纪90年代就在我国得到迅速推广，并作为电子类专业课程教学和实验的一种辅助手段。•作为Windows下运行的个人桌面电子设计工具，Multisim是一个完整的集成化设计环境。而且Multisim计算机仿真与虚拟仪器技术可以很好的解决理论教学与实际动手实验相脱节的这一老大难问题。学员可以很好地、很方便地把刚刚学到的理论知识用计算机仿真真实的再现出来。并且可以用虚拟仪器技术创造出真正属于自己的仪表。极大地提高了学员的学习热情和积极性。真正的做到了变被动学习为主动学习。第1章半导体二极管及其应用学习目标•了解半导体的基础知识•掌握PN结的单向导电性•了解半导体二极管的结构及类型，掌握二极管的伏安特性及主要参数•掌握二极管的分析方法和基本应用•了解常用特殊二极管及其应用1.1半导体的基本知识1.2半导体二极管1.3半导体二极管电路的分析方法及其应用1.4特殊二极管*1.5电路仿真实例1.1半导体基础知识1.1.1半导体的概念及特性自然界中所有的物质根据其导电性能的不同划分为：导体、半导体、绝缘体。导体一般为低价元素，如金、银、铜、铝等；绝缘体一般为高价元素，如橡胶、塑料、木材等；顾名思义，半导体的导电性能介于导体与绝缘体之间。半导体材料之所以可制成各种电子器件，是因为其具有以下独特性质：•光敏性：在光照条件下，其导电性能将显著增加。利用光敏性可制成光敏元件。•热敏性：在热辐射条件下，其导电性能也将显著增加。利用热敏性可制成热敏元件。•掺杂性：掺入特定的杂质元素时，其导电性能显著增加，并具有可控性。1.本征半导体及其特性（1）本征半导体本征半导体－－纯净的具有晶体结构的半导体。本征半导体结构示意图（2）本征半导体的特性载流子－－可移动的电荷。空穴－共价键吸附引起的载流子。在一定温度下，本征半导体中载流子的产生和复合两种运动将达到动态平衡。iipn硅和锗的本征载流子浓度与温度的关系为：•显然，本征载流子的浓度对温度十分敏感，随温度的上升而迅速增大，这正是半导体的重要特性—热（或光）敏性。•但在室温时，本征半导体的导电能力很弱，且不受控制，故不能直接用于制作半导体器件。KTEiigeATTpTn2232.杂质半导体及其特性（1）N型半导体（电子型半导体）型半导体磷素纯净的硅晶体＋五价元NN自由电子多数载流子型半导体空穴少数载流子制作－－扩散工艺＋少量特定杂质（2）P型半导体（空穴型半导体）型半导体硼素纯净的硅晶体＋三价元PP空穴多数载流子型半导体自由电子少数载流子（3）杂质半导体的特性•载流子的浓度多子浓度取决于杂质的浓度•杂质半导体的电中性在无外加电场条件下，杂质半导体是呈现电中性的。•转型1.1.2PN结的形成及其特性1．PN结的形成扩散运动－－由浓度高向浓度低运动漂移运动－－电场驱动的载流子运动扩散运动（多子）与漂移运动（少子）的平衡形成PN结2．PN结的特性（1）PN结的单向导电性外加正向电压（或正向偏置电压，简称正偏）扩散运动加剧,漂移运动减弱,多子扩散形成电流，处于正向导通状态。外加反向电压（或反向偏置电压，简称反偏)空间电荷区变宽，多子扩散电流为零，PN结呈现很高的电阻，处于反向截止状态。少子的漂移运动增强，形成电流。3.PN结的电容效应（1）势垒电容（2）扩散电容PN结正向偏置，扩散电容较大；PN结反向偏置时，扩散电容很小，可以忽略不计。1.2半导体二极管1.2.1二极管的结构、类型及特点1.二极管的结构2.二极管的类型及特点（1）点接触型（2）面接触型（3）平面型1.2.2二极管的伏安特性及主要参数1.二极管的伏安特性（1）二极管的伏安特性方程i为流过PN结的电流，IS为流过PN结的反向饱和电流1TUuSeIi。时，常温下，mVUCKTTo2627300（2）二极管的伏安特性曲线•正向特性在AB段，,电流近似为0，称为死区。在BC段，电流按平方律上升；在CD段，电流近似线性规律迅速上升。•反向特性:这时只有少数载流子在反向电压作用下的漂移运动形成微弱的反向电流IS，且几乎不随反向电压的增大而增大。但反向电流IS随温度的变化。•反向击穿特性:当反向电压大于UBR(反向击穿电压)时，反向电流急剧增大，这种现象称为二极管的击穿。（3）温度对二极管伏安特性的影响温度上升，二极管的正向特性曲线左移（正向压降减小），反向特性曲线下移（反向电流增大）。2.二极管的主要参数（1）最大整流电流IFM（2）最高反向工作电压URM（3）反向击穿电压UBR（4）反向电流IR（5）最高工作频率fM1.2.3半导体分立器件型号命名方法1.3半导体二极管电路的分析方法及其应用1.3.1二极管电路的分析方法二极管是一种非线性器件，含有二极管的电路是非线性电路。分析设计方便，将二极管的伏安特性进行线性化处理，并建立相应的“线性模型”。1.理想模型2.恒压源模型3.折线模型4.小信号模型（微变等效电路）DDDiurTDUuTSDUuSDDDUieUIdueIduirTDTD//11DTDiUr1.3.2半导体二极管的基本应用电路1.整流与检波电路整流与检波电路的工作原理相同，都是利用二极管的单向导电特性，将交变的双向信号转变成单向脉动的信号。2.钳位电路【例1.1】如图所示为一钳位电路，设二极管的正向压降为0.7V。试分析电路的输入与输出之间的关系。3.限幅电路【例1.2】如图所示为一双向限幅电路。设直流电压源U1=-U2。输入信号ui为正弦信号，ui=Umsinwt，且UmU1，试分析工作原理，并作出输出电压uo的波形。1.4特殊二极管1.4.1稳压二极管及其应用1.稳压管的伏安特性和电路符号2.稳压管的工作原理在反向击穿时，在一定的电流范围内，端电压几乎不变，即能够起到稳压的作用。3.稳压管的主要参数（1）稳定电压UZ（2）稳定电流IZ（3）动态电阻rZ：rZ越小，稳压越好。（4）最大允许耗散功率PZM4.使用稳压管的注意事项（1）稳压管应工作在反向击穿状态。（2）稳压管的工作电流范围为IZmin~IZmax（3）稳压管工作时必须串联限流电阻。（4）稳压管可以串联使用，但不可并联使用。5.典型应用（1）并联式稳压电路•负载电阻不变，输入电压Ui变化时：•输入电压Ui不变，负载电阻变化时：（2）限幅电路1.4.2其它常用二极管简介1.变容二极管【例题1.3】分析变容二极管典型应用电路。2.发光二极管发光二极管以其功耗低、体积小、色彩艳丽、响应速度快、抗震动、寿命长等优点，广泛用作电子设备的显示器件（如音响设备中的电平指示器、电源指示器），可单个使用，也可制作成7段式显示器或矩阵式显示器。【例题1.4】分析发光二极管用作电源指示器的电路。3.光电二极管【例题1.5】分析采用光电二极管设计的光控节能路灯电路。1.4.3二极管的选用原则1.选用二极管的一般原则(1)要求正向压降小时，应选择锗管；要求反向电流小时，应选择硅管。(2)要求工作电流大时，应选择面接触型二极管；要求工作频率高时，应选择点接触型二极管。(3)要求反向击穿电压高时，应选择硅管。(4)要求耐高温时，应选择硅管。2.使用二极管的注意事项（1）在电路中应按注明的极性进行连接。（2）同一型号的整流二极管方可串联、并联使用。在串联或并联使用时，应视实际情况决定是否需要加入均衡（串联均压、并联均流）电阻。（3）引出线的焊接或弯曲处，离管壳距离不得小于10mm。为防止因焊接时过热而损坏，应使用小功率的电烙铁，焊接时间不应超过2～3s。（4）工作在高频或脉冲电路中的二极管，引线要尽量短。（5）切勿超过手册中规定的最大允许电流值和电压值。（6）二极管的替换：硅管和锗管不能互相代用；所替换的二极管的主要参数要高于被替换的二极管；根据工作特点，还应考虑其他特性，如最高工作频率及开关速度等。*1.5电路仿真实例【例题1.6】分析二极管钳位电路解：利用Multisim分析【例1.1】中图1.14所示的钳位电路。首先打开Multisim10.0软件开发环境，然后按图1.14绘出电路，如图1.25所示，最后进行仿真，得到如图1.26的分析结果。【仿真图】【例题1.7】分析二极管单向限幅电路解：利用Multisim分析如图1.27所示的二极管组成的单向限幅电路。首先打开Multisim10.0软件开发环境，然后按图1.27绘画电路，最后进行仿真得到如图1.28的分析结果。【仿真图】图1.27图1.28本章内容主线：半导体基本知识→PN结及其特性→半导体二极管→二极管电路的分析方法及应用→常用特殊二极管简介。1、半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。在本征半导体中掺入不同杂质便形成N型半导体和P型半导体，通过控制掺入