极管的基本电路及其分析方法课件

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1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.3 半导体二极管半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个分立结上加上引线和封装，就成为一个分立的半导体二极管元件。的半导体二极管元件。点接触型点接触型 面接触型面接触型 平面型平面型3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构点接触型二极

2、管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积结面积小，结电容小，小，结电容小，用于检波和变频用于检波和变频等高频电路。不等高频电路。不能承受高的反向能承受高的反向电压和大的电流。电压和大的电流。面接触型二极管面接触型二极管(b)(b)面接触型面接触型 PN结面积大，结面积大，用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。但极间电流电路。但极间电容夜大，不适于高容夜大，不适于高频电路中。频电路中。平面型二极管平面型二极管(c)(c)平面型平面型阴阴极极引引线线阳阳极极引引线线PNP 型型 支支持持衬衬底底 往往用于集成电路往往用于集成电路制造工艺中。制

3、造工艺中。PN 结面结面积可大可小，用于高频积可大可小，用于高频整流和开关电路中。整流和开关电路中。半导体二极管图片和符号半导体二极管图片和符号k阴极阴极阳极阳极a(1)(1)二极管元件的伏安特性曲线逐点测量二极管元件的伏安特性曲线逐点测量)1(/SDD TVveIi+iDvD-R(2)(2)二极管元件的伏安特性公式表示二极管元件的伏安特性公式表示不再满足欧姆定理不再满足欧姆定理 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V-I I

4、 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿反向击穿特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/AiD/mA死死区区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V-I I 特性特性反向击穿反向击穿特性特性反向特性反向特性正向特性正向特性开启电压开启电压(门坎电压门坎电压)Vth，硅管为，硅管为0.5V，锗管为，锗管为0.1V。正向导通后，硅正向导通后，硅0.7，锗，锗0.3。低电压稳压器。低电压稳压器。硅管的反向电流极小硅管的反向电流极小(nA)，锗管的反向电流较大，锗管的反向电流较大(A)。硅：0.1A

5、；锗：10A反向击穿时，外部电路对电流加以限制，否则器件可能被损坏。反向击穿时，外部电路对电流加以限制，否则器件可能被损坏。最大整流电流（平均值）最大整流电流（平均值）I IF F：是指管子长期运行时允许通过是指管子长期运行时允许通过的最大正向平均电流，电流太大会烧坏。如的最大正向平均电流，电流太大会烧坏。如2AP1最大整流电流为最大整流电流为16mA。反向击穿电压反向击穿电压 V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM:VRM约为击穿约为击穿电压的一半电压的一半。反向电流反向电流I IR R：指管子未击穿时的反向电流指管子未击穿时的反向电流,其值愈小其值愈小,则管子的则

6、管子的单向导电性愈好单向导电性愈好。最高工作频率最高工作频率fM：当频率大到一定程度时，二极管的单向导当频率大到一定程度时，二极管的单向导电性将明显地变差。电性将明显地变差。极间电容极间电容：在高频或开关状态运用时必须考虑其影响。在高频或开关状态运用时必须考虑其影响。反向恢复时间反向恢复时间TRR:由于结电容效应的存在，正向导通到截止由于结电容效应的存在，正向导通到截止需要的时间，截止到导通不存在恢复时间。需要的时间，截止到导通不存在恢复时间。3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数二极管应用问题二极管应用问题 种类、型号选择查器件手册（国内，日本，美国）。正负极判断（P72 3.3.2）

7、3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V-I I 特性曲线。特性曲线。例例3.4.1 电路如图所示，已知

8、二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD。解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化

9、，得到二极分段线性化，得到二极管特性的等效模型。管特性的等效模型。)1e(DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V-I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型 在实际电路中,当电源电压远比二极管的管压降大时,利用此法是可行的。3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模型）恒压降模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型（3 3）折线模型）折线模型（a）V-

10、I特性特性 （b）电路模型）电路模型 典型值是0.7V只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才是正确的。Vth约为0.5V；20015.07.0mArD 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V-I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs=0 时时,Q点称为点称为静态工作点静态工作点，反映，反映直流直流时的工作状态。时的工作状态。)(11sDDDDvv VRRivs=Vmsin t 时（时（VmVT。（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型交流电路 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模

11、型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路（）整流电路（理想模型理想模型）（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形半波整流电路不适合对小信号进行整流（100）精密整流器精密整流器2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析V 0D VmA 1/DDD RVI理想模型理想模型（R=10k）当当VDD=10V 时，时，mA 93.0/)(DDDD RVVI恒压模型恒压模型V 7.0D V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5.0th V（硅二极管典型值）（硅二极管典型值）mA 931.0DthDD

12、D rRVVI k 2.0Dr设设V 69.0DDthD rIVV当当VDD=1V 时，时，（自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当和恒压降模型求解，当vI=6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路（）开关电路（理想模型理想模型）电路如图所示，求电路如图所

13、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阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。开关电路开关电路1.在开关电路中，利用二极管的单向导电性以接通或在开关电路中，利用二极管的单向导电性以接通或断开电路。断开电路。2.在分析这种电路时，即判断电路中二极管处于导在分析这种电路时，

14、即判断电路中二极管处于导通状态还是截止状态，应掌握一条基本原则：通状态还是截止状态，应掌握一条基本原则：可以先将二极管断开，确定零电位点，然后观察可以先将二极管断开，确定零电位点，然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向（或经过计算）阳、阴两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。3.3.如果有多个二极管，则正向电压最大者优先导通，导通后如果有多个二极管，则正向电压最大者优先导通，导通后压降为压降为0 0，对其他的二极管两端的电压可能产生影响。，对其他的二极管两端的电压可能产生影响。例：一二极管开关电路如图所示。

15、当例：一二极管开关电路如图所示。当v 1和和v 2为为0V或或5V时，时，求求v 1和和v 2的值不同组合情况下，输出电压的值不同组合情况下，输出电压 o的值。设二极管的值。设二极管是理想的。是理想的。解：解：(1)当当v 1=0V,v 2=5V时时,D1为正向偏置，为正向偏置，D1导通，导通，vo=0V,此时此时 D2的阴极电位为的阴极电位为5V，阳极为阳极为0V，处于反向偏置，故处于反向偏置，故D2截止。截止。(2)(2)以此类推，将以此类推，将v v 1 1和和v v 2 2 的其余三种组合及输出电压列的其余三种组合及输出电压列于下表：于下表：v v 1 1 v v 2 2 D D1 1

16、 D D2 2 v v0 0 0V 0V 0V 0V 导通导通 导通导通 0V 0V 0V 0V 5V 5V 导通导通 截止截止 0V 0V 5V 5V 0V 0V 截止截止 导通导通 0V 0V 5V 5V 5V 5V 截止截止 截止截止 5V 5V与运算与运算2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（5 5）低电压稳压电路：）低电压稳压电路：利用二极管的正向压降特性（正向压降特性（恒压模型和恒压模型和小信号模型小信号模型）例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压 V V 的的正常值为正常值为10V10V，R=10kR=10k,当当 V

17、V 变化变化1V1V时，问相应的硅二极时，问相应的硅二极管电压管电压(输出电压输出电压)的变化如何？的变化如何？d 解：解：(1)(1)当当V V 的正常值为的正常值为10V10V时，利用二极管恒压降模型有时，利用二极管恒压降模型有 V VD D0.7V0.7V，由此可得二极管流过的电流为由此可得二极管流过的电流为 (2)(2)在此在此Q Q点上，点上，mAkVVD93.0107.0102893.026mAmVVrDTd(3)(3)按题意，按题意，V V 有有1V1V的波动，它可视为峰的波动，它可视为峰-峰值为峰值为2V2V的交流信号，的交流信号，该信号作用于由该信号作用于由R R和和r rd

18、 d组成得分压器上。显然，相应的二极管组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即的信号电压可按分压比来计算，即V VD D(峰峰-峰值峰值)由此可知，二极管电压由此可知，二极管电压V VD D的变化为的变化为2.79mv2.79mv。mVVrRrVdd58.528101028223 思考：如何获得思考：如何获得2.12.1的稳定电压？的稳定电压？2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sin t V。（1）求输出电压）求输

19、出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。直流通路（静态）、交流通路（动态）直流通路（静态）、交流通路（动态）等概念，在放大电路的分析中非常重要。等概念，在放大电路的分析中非常重要。3.5 特殊二极管特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管)1.1.符号及稳压特性符号及稳压特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。电击穿状态。(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所

20、对应的反向工作下，所对应的反向工作电压。电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数3.5.1 齐纳二极管齐纳二极管86表表3.5.13.稳压电路（稳压电路（分流稳压器、并联式稳压电路分流稳压器、并联式稳压电路）正常稳压时正常稳压时 VO=VZ3.5.1 齐纳二极管齐纳二极管专用稳压集成电路专用稳压集成电路为限流电阻，它的作用是使电路有一个合适的工作状为限流电阻，它的作用是使电路有一个合适的工作状态，并

21、限定电路的工作电流。在保证稳压管可靠击穿情态，并限定电路的工作电流。在保证稳压管可靠击穿情况下，尽可能选择较大的阻值。况下，尽可能选择较大的阻值。解：依题意，解：依题意，V VZ 9，选用，选用2CW107，取取IZmin IZ=5，IZmax100。IOmax0.5/9=56mA R=(VI VZ )/(IZ IO)尽可能选择较大的值，最坏情况下仍能保证尽可能选择较大的值，最坏情况下仍能保证可靠击穿：可靠击穿：(VI VZ )/Rmax IOmax IZmin ；Rmax（129）/(5+56)=49，取标称值取标称值47。IZmax(13.69)/47=98mA PR=VR 2/R=(13

22、.69)2/47=0.45W为安全和可靠起见，以选用为安全和可靠起见，以选用47、1的电阻为宜。的电阻为宜。例例3.5.2设计一稳压管稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直设计一稳压管稳压电路，作为汽车用收音机的供电电源。已知收音机的直流电源为流电源为9，音量最大时需供给的功率为，音量最大时需供给的功率为0.5。汽车上的供电电源在。汽车上的供电电源在1213.6之间波动。要求选用合适的稳压管（之间波动。要求选用合适的稳压管（IZmin、IZmax、VZ、PZM）以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）。以及合适的限流电阻（阻值、额定功率）。汽车用汽车用收音机收音机汽汽车车电电源源3.

23、5.2 变容二极管变容二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容随反向电压增加而减小，可用于无线接收机中的结电容随反向电压增加而减小，可用于无线接收机中的自动调谐，电视机频道选择等。自动调谐，电视机频道选择等。3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性1.1.金属和半导体形成结金属和半导体形成结2.2.肖特基势垒的半导体一肖特基势垒的半导体一侧几乎不存在少数载流侧几乎不存在少数载流子，子，多数载流子器件多数载流子器件。3.3.开关速度快开关速度快4.4.低的正向偏置电压低的正向偏置电

24、压0.3-0.3-0.50.55.5.常用于型晶体管常用于型晶体管集电结的抗饱和钳位。集电结的抗饱和钳位。6.6.反向击穿电压比较低，反向反向击穿电压比较低，反向漏电流比漏电流比PNPN结二极管大。结二极管大。3.5.4 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管（a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 反向偏置反向偏置正向偏置时相当于太阳能电池。正向偏置时相当于太阳能电池。砷化镓材料砷化镓材料3.5.4 光电子器件光电子器件2.发光二极管发光二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 注意：不同颜色发光管导通后电压。注意：不同颜色发光管导通后电压。9191表表3.5.23.5.2鎵、砷、磷三种元素不同比例发出不同颜色的光。鎵、砷、磷三种元素不同比例发出不同颜色的光。除单个使用外，常作成七段式或矩阵式器件。除单个使用外，常作成七段式或矩阵式器件。3.5.4 光电子器件光电子器件3.激光二极管激光二极管（a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号 非常窄的带宽产生相干光非常窄的带宽产生相干光正向偏置正向偏置红外线红外线作业作业 P97 3.4.23.4.33.4.5，3.4.6 P99 3.5.1，3.5.23.5.3