1二极管及其基本应用电路

模拟电子线路张智玮《模拟电子线路》是电子类专业重要的专业基础课程之一。在学习常用半导体器件基本原理与特性的基础上，着重研究模拟电子线路的基本概念、原理和分析方法。通过本课程的学习，使电子类专业人才掌握一定的基础理论知识、实践能力以及分析问题和解决问题的能力。模拟电子线路课程简介本课程内容多、知识点分散、分析方法多样、器件和电路类型复杂。先行课程为《电工基础》，后续课程包括《数字电路》、《集成电路原理》等。模拟电子线路课程简介二极管集成器件三极管场效应管单管三组态放大器差动放大器低频功率放大器集成运放应用电路多级负反馈放大器直流稳压电源半导体器件单元电路应用电路课程结构模拟电子线路模拟电子线路考核要求1.不得迟到、早退、旷课2.课堂上不得随意讲话3.按时独立完成作业成绩评定：平时＋期末考试＋实验成绩15％55％30％半导体基础知识在各种电子设备中，电子线路是主要组成部分。而半导体器件是电子线路的核心，主要包括二极管（D）、三极管（BJT或T）和场效应管（FET）。本节讲授半导体的基本知识，为理解半导体器件的特性与工作原理奠定必要的基础。§1.11.1半导体基础知识一、半导体材料1、半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的一种物质。2、半导体材料元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）掺杂材料：硼（B）、磷（P）3、重要特性：光敏与热敏特性掺杂特性二、半导体的共价键结构硅和锗的原子的最外层都有4个电子，又叫价电子。硅＋4简化模型锗1.1半导体基础知识共价键中的价电子不同于自由电子，不能导电。+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1半导体基础知识三、本征型半导体1.本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体化学成分纯净度（99.99999％）2.载流子：可移动的带电粒子3.本征激发：温度升高或光照增强→价电子得到足够的能量→成为自由电子→在原先共价键中留下一个空位（空穴）1.1半导体基础知识自由电子与空穴都是可以移动的载流子自由电子带负电，空穴带正电本征半导体中，自由电子与空穴成对出现，成对消失1.1半导体基础知识四、杂质半导体1.N型半导体→形成一个自由电子和不能移动的施主正离子掺入五价元素（P）N型半导体：自由电子——多数载流子浓度取决于掺杂杂质空穴——少数载流子浓度取决于本征激发N型半导体是电中性1.1半导体基础知识2.P型半导体→形成一个空穴和不能移动的受主负离子掺入三价元素（B）P型半导体：空穴——多数载流子浓度取决于掺杂杂质自由电子——少数载流子浓度取决于本征激发P型半导体是电中性1.1半导体基础知识五、PN结的形成----+------------空穴扩散电子扩散PN浓度差多子扩散运动空间电荷区内电场少子漂移运动动态平衡++++++++++++++++----++++----++++++++++++------------空间电荷区内电场1.1半导体基础知识PN结：空间电荷区、耗尽层、阻挡层、势垒区扩散运动：由浓度差引起扩散电流：PN漂移运动：由内电场引起内电场的作用：抑制扩散促进漂移漂移电流：NP----+------------空穴扩散电子扩散PN++++++++++++++++----++++----++++++++++++------------空间电荷区内电场PNPN结动态平衡时，扩散电流与漂移电流大小相等、方向相反，流过PN的总电流为0。1.1半导体基础知识六、PN结的单向导电性++--++++++------内电场外电场+-++--++++++------PN1）正向偏置P－‘＋’、N－‘－’外电场削弱内电场，从而促进多子的扩散，抑制少子的漂移。PN结中以多子的扩散电流为主，方向P→N，称为正向电流。正向电流较大，PN结呈现较小电阻，称PN结正向导通。1.1半导体基础知识正向导通时，PN结变窄1.1半导体基础知识++--++++++------PN++--++++++------内电场外电场+-2）反向偏置P－‘－’、N－‘＋’外电场加强内电场，从而抑制多子的扩散，促进少子的漂移。PN结中以少子的漂移电流为主，方向N→P，称为反向电流Isat。反向电流较小，PN结呈现较大电阻，称PN结反向截止。1.1半导体基础知识反向截止时，PN结变宽1.1半导体基础知识二极管及其基本应用电路§1.21.2二极管及其基本应用电路一、二极管的结构与符号二、二极管的单向导电特性正向导通、反向截止PNNP二极管单向导电示意图（a）正偏导通（b）反偏截止PNNP1.2二极管及其基本应用电路二、二极管的单向导电特性1）正向特性Uon：导通电压、死区电压、门限电压Uon＝0.5V(硅)、0.1V(锗)UD：管压降UD＝0.7V(硅)、0.2V(锗)1.2二极管及其基本应用电路2）反向特性Isat:反向饱和电流(IR）nA量级(硅)μA量级(锗))1e(IITU/USat二极管伏安特性方程qkTUT＝k为玻耳兹曼常数，T为绝对温度，q为电子电量在室温（27℃或300K）时UT≈26mV1.2二极管及其基本应用电路3）反向击穿特性当二极管的反向电压增加到一定数值时，反向电流急剧增加，此现象称为反向击穿。UBR：击穿电压雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆1.2二极管及其基本应用电路二极管具有电容效应，当其两端电压变化时，其存储的电荷也发生变化。按产生的原因不同分为势垒电容和扩散电容（1）势垒电容（2）扩散电容结电容为两者之和：正偏时，结电容以扩散电容为主；反偏时，结电容以势垒电容为主。*三、电容效应非线性电容1.2二极管及其基本应用电路半导体具有热敏特性，因此，二极管对温度也有一定的敏感性。●温度每升高1℃，正向压降减小2~2.5mV；●温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。二极管的反向特性受温度的影响较大温度对二极管的影响是不可避免的，因为温度总是存在于器件中存在且经常变化的。四、温度特性1.2二极管及其基本应用电路1、最大整流电流IF：最大正向平均电流2、最高反向工作电压UR：3、反向电流IR：越小越好4、最高工作频率fM：取决于结电容五、二极管的主要参数BRRUU211.2二极管及其基本应用电路1．理想模型I（mA）U（V）OU0，二极管导通，管压降为0相当于短路U0，二极管截止，电流为0相当于断路等效电路伏安关系｛导通截止六、二极管的等效电路模型1.2二极管及其基本应用电路2．恒压降模型U（V）OI（mA）UDUUD，二极管导通，管压降为UD，恒定UUD，二极管截止，电流为0相当于断路等效电路伏安关系｛导通截止UD1.2二极管及其基本应用电路3．折线模型U（V）OI（mA）UonDonDDIUUrUUon，二极管导通，管压降随电流变化UUon，二极管截止，电流为0相当于断路伏安关系1.2二极管及其基本应用电路DDDIUR直流电阻用万用表直接测量出的是二极管的直流电阻RD，一般二极管的正向直流电阻约几十欧至几千欧之间，反向直流电阻约几十千欧至几百千欧以上。ui为交流小信号，约为几mV，E为控制二极管D通断的直流电压，其值可达几V以上。当E＝0时，D截止当E＞0.7v时，D导通E-+DR+-uoui七、二极管的基本应用电路1.开关电路直流电压E通过控制二极管的状态，实现对交流信号的开关控制。1.2二极管及其基本应用电路2.整流电路DR+-ui+-uOuiωtωtouOoabUab=uiui为交流信号，D为理想二极管ui0时，D导通，uo=uiui0时，D截止，uo=0｛1.2二极管及其基本应用电路b三、限幅电路D为硅管ui＝5sinωtV，E＝2Vωtωtui/V5uO/V2.7-5-5aUab=ui－E(1)Uab=ui－E≥0.7时，即ui≥2.7V，D导通，uo＝2.7V(2)Uab=ui－E0.7时，即ui2.7V，D截止，uo＝ui1.2二极管及其基本应用电路一、稳压二极管稳压二极管：工作于反向击穿状态，具有稳定电压的特点。UZ≈UBR－UZ＋1.3特殊二极管1.伏安特性DZR+-UZI+-UI+-UORL2.稳压电路IzmaxIzminIZmin≤IZ≤IZmaxIZUo=UZ1.3特殊二极管例题：稳压管的稳压值UZ＝6V，求输出电压1.3特殊二极管DZR+-UZI+-UI+-UORL例题：Ui＝15V，稳压管UZ＝7V，IZmax＝20mA，IZmin＝5mA求：（1）RL开路时限流电阻R的取值范围（2）当R＝800Ω时，接入负载的最小值RLmin（1）Rmin＝400ΩRmax＝1.6KΩ（2）mAI108008RLmin＝1.4KΩ1.3特殊二极管●工作在反偏状态，利用势垒电容●主要用作可变电容（受电压控制）●常用于高频电路中的电调谐电路Cj二、变容二极管1.伏安特性1.3特殊二极管2.电调谐电路-+R+-uoui-+UCjLLC21foui是交流输入信号U是直流电压，保证变容二极管反偏，同时控制变容二极管的电容量1.3特殊二极管三、发光二极管1.3特殊二极管电子空穴复合时，会散发出能量，由磷、砷、镓等化合物半导体制成的PN结以光的形式释放出这些能量。发光二极管：LED，属于光电子器件，正偏电信号→光信号1.3特殊二极管四、光电二极管Isat光信号→电信号1.3特殊二极管半导体材料受到光照时，会产生电子空穴对，光照越强，受激产生的电子空穴对的数量越多。光敏二极管：又称光电二极管，属于光电子器件，反偏Isat1.3特殊二极管试判断下图中的二极管是导通还是截止，并求出AO两端电压UAO。设二极管是理想的。习题6VD3k12VAO15VD3k12VAOD15VD3k12VAO216V3k12VAOD1D2写出如图所示各电路的输出电压值，二极管为硅管。解：UO1＝1.3V，UO2＝0，UO3＝－1.3VUO4＝2V，UO5＝1.3V，UO6＝－2V习题