模擬電子電路課件第3章.ppt

第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 返回 第三章半導(dǎo)體二極管及其本電路 對你的期望 3 掌握二極管外特性 基本電路及分析方法 應(yīng)用 4 正確理解二極管工作原理 主要參數(shù) 使用方法 1 了解PN結(jié)的形成 2 掌握以下基本概念 空穴 多子 少子 擴(kuò)散運(yùn)動 漂移運(yùn)動 PN結(jié)正偏 PN結(jié)反偏 5 掌握穩(wěn)壓管工作原理及使用 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 3 1半導(dǎo)體的基本知識 3 2PN結(jié)的形成及特性 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 5特殊二極管 3 3二極管 半導(dǎo)體二極管的特性 半導(dǎo)體二極管具有單向?qū)щ娦?為什么會具有單向?qū)щ娦?什么叫PN結(jié) 它是如何形成的 3 1半導(dǎo)體的基本知識 3 1 1半導(dǎo)體 3 1 2本征半導(dǎo)體 3 1 3摻雜半導(dǎo)體 3 1 4雜質(zhì)半導(dǎo)體示意圖 3 1 1半導(dǎo)體 導(dǎo)體如金屬等 絕緣體如橡皮 塑料等 半導(dǎo)體器件特點(diǎn) 體積小 重量輕 使用壽命長 輸入功率小 功率轉(zhuǎn)換效率高 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 可做成溫度敏感元件 如熱敏電阻 摻雜性 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì) 導(dǎo)電能力明顯改變 光敏性 當(dāng)受到光照時 導(dǎo)電能力明顯變化 可做成各種光敏元件 如光敏電阻 光敏二極管 光敏三極管等 熱敏性 當(dāng)環(huán)境溫度升高時 導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng) 可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件 如二極管 三極管和晶閘管等 3 1 2本征半導(dǎo)體 完全純凈的 具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體 稱為本征半導(dǎo)體 晶體中原子的排列方式 硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu) 共價健 共價鍵中的兩個電子 稱為價電子 價電子 本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理 空穴 自由電子 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時 在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 1 自由電子作定向運(yùn)動 電子電流2 價電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流 注意 1 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少 其導(dǎo)電性能很差 2 溫度愈高 載流子的數(shù)目愈多 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好 所以 溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大 自由電子和空穴都稱為載流子 本征激發(fā) 粒子運(yùn)動 3 1 3摻雜半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 多余電子 磷原子 在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x子 N型半導(dǎo)體 多子 自由電子少子 空穴 硼原子 接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子 空穴 P型半導(dǎo)體 多子 空穴少子 自由電子 3 1 3摻雜半導(dǎo)體 3 1 4N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體示意表示法 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 1 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 a 摻雜濃度 b 溫度 有關(guān) 2 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 a 摻雜濃度 b 溫度 有關(guān) 3 當(dāng)溫度升高時 少子的數(shù)量 a 減少 b 不變 c 增多 a b c 4 在外加電壓的作用下 P型半導(dǎo)體中的電流主要是 N型半導(dǎo)體中的電流主要是 a 電子電流 b 空穴電流 b a 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 3 1半導(dǎo)體的基本知識 3 2PN結(jié)的形成及特性 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 5特殊二極管 3 3二極管 3 2PN結(jié)的形成及特性 3 2 1PN結(jié)的形成 3 2 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?3 2 3PN結(jié)的反向擊穿 3 2 4PN結(jié)的結(jié)電容效應(yīng) 自學(xué)了解 P型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體 3 2 1PN結(jié)的形成 形成空間電荷區(qū) PN結(jié)形成 擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬 空間電荷區(qū)越寬 內(nèi)電場越強(qiáng) 就使漂移運(yùn)動越強(qiáng) 而漂移使空間電荷區(qū)變薄 3 2 1PN結(jié)的形成 所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡 相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動 空間電荷區(qū)的厚度固定不變 3 2 1PN結(jié)的形成 因濃度差 空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 最后 多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動態(tài)平衡 多子的擴(kuò)散運(yùn)動 由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 在一塊本征半導(dǎo)體的兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì) 分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體 PN結(jié)的形成 3 2 2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1 PN結(jié)加正向電壓 正向偏置 P接正 N接負(fù) IF PN結(jié)加正向電壓時 正向電流較大 正向電阻較小 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) PN正偏 2 PN結(jié)加反向電壓 反向偏置 IR P接負(fù) N接正 P N 溫度越高少子的數(shù)目越多 反向電流將隨溫度增加 PN結(jié)加反向電壓時 反向電流較小 反向電阻較大 PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) PN反偏 3 結(jié)論 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?PN結(jié)加正向電壓時 正向?qū)?電阻值很小 具有較大的正向?qū)娏?開關(guān)閉合 PN結(jié)加反向電壓時 反向截止 呈現(xiàn)高電阻 具有較小反向飽和電流 開關(guān)斷開 4 PN結(jié)V I特性表示式 二極管特性方程 3 2 3PN結(jié)的反向擊穿 當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時 反向電流突然快速增加 此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿 3 2 4PN結(jié)電容效應(yīng) 自學(xué)了解 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 3 1半導(dǎo)體的基本知識 3 2PN結(jié)的形成及特性 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 5特殊二極管 3 3二極管 3 3半導(dǎo)體二極管 3 3 1基本結(jié)構(gòu) 3 3 2伏安特性 3 3 3主要參數(shù) 3 3半導(dǎo)體二極管 3 3 1基本結(jié)構(gòu) a 點(diǎn)接觸型 b 面接觸型 c 平面型用于集成電路制作工藝中 PN結(jié)結(jié)面積可大可小 用于高頻整流和開關(guān)電路中 3 3半導(dǎo)體二極管 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 符號 D 3 3半導(dǎo)體二極管 伏安特性實驗電路 3 3 2伏安特性 3 3 2伏安特性 硅管0 5V 鍺管0 1V 反向擊穿電壓U BR 導(dǎo)通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿 失去單向?qū)щ娦?正向特性 反向特性 特點(diǎn) 非線性 硅0 6 0 8V 鍺0 2 0 3V 死區(qū)電壓 反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù) 3 3 3主要參數(shù) 1 最大整流電流IF 二極管長期使用時 允許流過二極管的最大正向平均電流 2 反向擊穿電壓VBR 3 反向電流IR 二極管反向電流急劇增加時對應(yīng)的反向電壓值 最大反向工作電壓VRM 實際工作時 為安全 VRM VBR 2 在室溫及規(guī)定的反向電壓下的反向電流值 硅管 nA 級 鍺管 A 級 思考 如何判斷二極管的好壞以及它的極性 使用萬用表的R 1K檔先測一下它的電阻 黑紅表筆分別搭在二極管的兩端 若阻值很小 說明黑表筆搭著的是正端 如果測的電阻不管表筆如何搭都是無窮 說明二極管已損壞 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 3 1半導(dǎo)體的基本知識 3 2PN結(jié)的形成及特性 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 5特殊二極管 3 3二極管 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 4 1簡單二極管電路的圖解分析法 P73自學(xué)了解 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 4 2二極管電路的簡化模型分析方法 1理想模型 理想二極管 2恒壓降模型 3折線模型 4小信號模型 二極管工作在正向特性的某個小范圍內(nèi) 等效為一小電阻 常溫下 T 300K 3 4 3二極管電路分析 定性分析 判斷二極管的工作狀態(tài) 導(dǎo)通截止 分析方法 將二極管斷開 分析二極管兩端電位 若V陽 V陰 二極管導(dǎo)通若V陽 V陰 二極管截止 若V陽 V陰 VF 二極管導(dǎo)通若V陽 V陰 VF 二極管截止 理想模型 恒壓模型 電路如圖 二極管為硅管 求 UAB V陽 6VV陰 12VV陽 V陰 VF二極管導(dǎo)通 例1 取B點(diǎn)作參考點(diǎn) 斷開二極管 分析二極管陽極和陰極的電位 在這里 二極管起鉗位作用 1 理想模型 UAB 6V 2 恒壓降模型 UAB 6 7V V1陽 6V V2陽 0V V1陰 V2陰 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2優(yōu)先導(dǎo)通 例2 D1 D2為理想二極管 求 UAB 在這里 D2起鉗位作用 D1起隔離作用 V1陰 0V D1截止 UAB 0V 例3 電路如圖 設(shè)D為理想二極管 判斷管子工作狀態(tài) 并求輸出電壓 va 12Vvb 15V vab va vb 27V 0 D導(dǎo)通vAO 15V va1 va2 12Vvb1 15Vvb2 0V vab1 3V0 D2導(dǎo)通 D1截止vAO 0V va1 va2 12Vvb1 0Vvb2 4V vab1 12V 0vab2 16V 0 D2導(dǎo)通 vab1 4V 0 D1截止 ui 8V 二極管導(dǎo)通 已知 二極管是理想的 試畫出uo波形 8V 例4 限幅電路 參考點(diǎn) VD陰 8V VD陽 ui uo 8V uo ui ui 8V 二極管截止 思考 若用恒壓降模型分析二極管 輸出波形應(yīng)為什么 若是雙限幅電路又待怎樣 見P973 4 9 例5全波整流電路 P97題3 4 2 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二極管D1 D3導(dǎo)通 D2 D4截止 3 工作波形 1 電路結(jié)構(gòu) 例5全波整流電路 P97題3 4 2 2 工作原理 3 工作波形 1 電路結(jié)構(gòu) u正半周 Va Vb 二極管1 3導(dǎo)通 2 4截止 u負(fù)半周 Va Vb 二極管2 4導(dǎo)通 1 3截止 第三章半導(dǎo)體二極管及其基本電路 3 1半導(dǎo)體的基本知識 3 2PN結(jié)的形成及特性 3 4二極管的基本電路及其分析方法 3 5特殊二極管 3 3二極管 3 5特殊二極管 利用二極管電容效應(yīng) 多用于高頻技術(shù) 光電二極管 特點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng) 傳輸信息量大 傳輸損耗小且工作可靠 在信號傳輸和存儲等環(huán)節(jié)中多用 導(dǎo)通電流為2mA 10mA 20mA 導(dǎo)通電壓為1V 2V 發(fā)光二極管 常見有紅 綠 黃三種顏色 主要用于顯示 主要應(yīng)用于小功率光電設(shè)備中 如 光盤驅(qū)動器和激光打印機(jī)的打印頭等 激光二極管 3 5 1穩(wěn)壓二極管 1 符號 UZ IZ IZM UZ IZ 2 伏安特性 穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓 使用時要加限流電阻 穩(wěn)壓管反向擊穿后 電流變化很大 但其兩端電壓變化很小 利用此特性 穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用 3 主要參數(shù) 1 穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管正常工作 反向擊穿 時管子兩端的電壓 2 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1 C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù) 3 動態(tài)電阻 4 穩(wěn)定電流IZ 最大穩(wěn)定電流IZM 5 最大允許耗散功率PZM UZIZM rZ愈小 曲線愈陡 穩(wěn)壓性能愈好 4 基本穩(wěn)壓電路 穩(wěn)壓管工作必要條件 工作在反向擊穿狀態(tài) 串入電阻RIZmin IZ IZmax 3 上述電路VI為正弦波 且幅值大于VZ VO的波形是怎樣的 思考 1 若穩(wěn)壓管極性接反 會出現(xiàn)什么問題 2 電阻R的作用是什么 不加可不可以 5 選管的原則 例 電路如圖 a b 所示 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ 3V R的取值合適 uI的波形如圖 c 所示 試分別畫出uO1和uO2的波形 思考題 電路中 3為理想二極管 燈泡全同 則最亮的燈為哪個 為理想二極管 當(dāng)用普通指針式萬用表置 檔 用黑表筆接 紅表筆接 則萬用表指示值為多少 3 兩個穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值分別為6V 7V且它們的正向?qū)▔航禐? 6V 則兩管串聯(lián)時可能有幾種輸出電壓 兩管并聯(lián)時又可能有幾種輸出電壓 思考題 4 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值UZ 6V 穩(wěn)定電流的最小值IZmin 5mA 求電路中UO1和UO2 串聯(lián) 并聯(lián) 作業(yè)題 必做 P97 3 4 5 3 4 6 a 3 4 9 P99 3 5 1 二極管導(dǎo)通電壓為0 7V 選做3 4 7