《电子电工教程》PPT课件.ppt

陈龙老师 QQ陈龙教学群,课程概述,一、电子技术的发展 电子技术的发展，推动计算机技术的发展，使之“无孔不入”，应用广泛！,广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机网络：路由器、ATM交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测医学：刀、CT、B超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统,电子系统,收音机,电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路,1904年电子管问世,电子管、晶体管、集成电路比较,半导体元器件的发展,1904年 电子管问世1947年 贝尔实验室制成第一只晶体管1958年 集成电路1969年 大规模集成电路1975年 超大规模集成电路 第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。学习电子技术方面的课程需时刻关注电子技术的发展！,值得纪念的几位科学家,他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12月16日正式宣布“晶体管”诞生。第一只晶体管的发明者（by John Bardeen,William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。,第一只晶体管的发明者（by John Bardeen,William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab）,第一个集成电路及其发明者（Jack Kilby from TI）,1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后，2000年获诺贝尔物理学奖。“为现代信息技术奠定了基础”。,电子技术(ELCTRONICS TECHNOLOGY)：关于电子器件(DEVICES)与系统(SYSTEM)的科学研究与工程实用技术。在科学和工程应用上，把电子技术分为模拟电子技术和数字电子技术两大类。信号(SIGNAL)：载有信息的物理量。模拟(ANALOG)：连续变量。模拟信号(ANALOG SIGNAL)：以连续变量方式出现的物理信号。数字信号(DIGITAL SIGNAL)：以数字或数据方式出现的物理信号。,电子技术的基本内容介绍,1)数字信号：离散性,“1”的电压当量,介于K与K+1之间时需根据阈值确定为K或K+1,任何瞬间的任何值均是有意义的,2)模拟信号：连续性。,电子电路中信号的分类,电子电路中信号的分类,数字信号,模拟信号,数字信号,数字信号:时间和数值上都是离散的信号,时间上离散-信号只在时间 坐标的离散点上发生变化,数值上离散-各离散点上的信号数值是量化的（某个最小单位的整倍数）,模拟信号：连续性。时间和数值上都是连续变化的物理量.大多数物理量为模拟信号。,模拟电路 模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。其它模拟电路多以放大电路为基础。,“模拟电子技术”特点,处理对象：模拟信号处理目的：放大、稳定、滤波、产生信号分析方法：工程分析方法（抓住主要因素，忽略次要因素）难点：交流、直流叠加，工程分析方法学习方法：认真听讲、多做练习,模拟电子技术基础课的特点,1、工程性 实际工程需要证明其可行性。强调定性分析。,实际工程在满足基本性能指标的前提下总是容许存 在一定的误差范围的。定量分析为“估算”。,近似分析要“合理”。抓主要矛盾和矛盾的主要方面。,电子电路归根结底是电路。不同条件下构造不同模型。,2、实践性 常用电子仪器的使用方法 电子电路的测试方法 故障的判断与排除方法 EDA软件的应用方法,如何学习这门课程,1.掌握基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，“万变不离其宗”。基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。,2.注意定性分析和近似分析的重要性 3.学会辩证、全面地分析电子电路中的问题 根据需求，最适用的电路才是最好的电路。要研究利弊关系，通常“有一利必有一弊”。,4.注意电路中常用定理在电子电路中的应用,课程的目的,1.掌握基本概念、基本电路、基本方法和基本实验技能。2.具有能够继续深入学习和接受电子技术新发展的能力，以及将所学知识用于本专业的能力。,本课程通过对常用电子元器件、模拟电路及其系统的分析和设计的学习，使学生获得模拟电子技术方面的基础知识、基础理论和基本技能，为深入学习电子技术及其在专业中的应用打下基础。,注重培养系统的观念、工程的观念、科技进步的观念和创新意识，学习科学的思维方法。提倡快乐学习！,课程设置的目的,电子技术基础的基本内容模拟电子技术(Analog Electronics Technology)：处理模拟信号的电子技术。模拟电子技术的目的是，向工程实际提供各种模拟信号处理电子电路(系统)的分析(ANALYSIS)和设计(DESIGN)技术。模拟电路(ANALOG CIRCUITS)：处理模拟信号的电子器件组成的电子系统。数字电子技术(Digital Electronics Technology)：处理数字信号的电子技术。数字电路(DIGITAL CIRCUITS)：处理数字信号的电子器件组成的电子系统。数字电子技术的目的是，向工程技术提供各种数字信号处理电子电路(系统)的分析设计技术。,考查方法,1.会看：读图，定性分析2.会算：定量计算,考查分析问题的能力,3.会选：电路形式、器件、参数,4.会调：仪器选用、测试方法、故障诊断、EDA,考查解决问题的能力设计能力,考查解决问题的能力实践能力,5.会模拟仿真:会使用EWB,MULTISM10等,第14章 二极管和晶体管,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,14.5 晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,第14章 二极管和晶体管,本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。四、会使用EWB,MULTISM10等,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。学会仿真方法。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体(semiconductor)硅（Si或Silicon）、锗（Ge或Germanium），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。还如硒、砷化镓和大多数金属硫化物、氧化物等都是半导体。电阻率大约2乘10的3次方cm,1、什么是半导体(semiconductor)？,导体(conductor)铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。电阻率 小于10的-3方cm,绝缘体(insulator)惰性气体、橡胶、塑料、聚脂薄膜、陶瓷、特氟隆（聚四氟乙烯）和聚苯乙烯等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电阻率大于10的8次方cm,第14章 二极管和晶体管,14.1 半导体的导电特性,导体示例,电阻很小。易受影响。,绝缘体示例,在一定电压范围内不会形成明显电流 电阻很大 当物质结构被破坏时，也会导电绝缘性受影响,半导体示例,导电能力介于导体和绝缘体之间 导电性能易受影响 由元素周期表中最外层为四个电子的元素所组成 的物质构成。如：锗、硅。,绝缘体、导体、半导体,依据：物质在外电场作用下形成电子流能力的大小。,14.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,对温度反映特别灵敏,可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质()，导电能力明显改变(如硼和磷等可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管、场效晶体管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(如镉、铅的硫化物与硒化物可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(如钴、镍、锰等的氧化物,Impurity,本征半导体(intrinsic semiconductor),完全纯净的、(晶体)结构完整的半导体(晶体)，称为本征半导体。本征半导体虽有大量的价电子，但没有自由电子，此时半导体是不导电的,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键(covalent bond)中的两个电子，称为价电子(Valence electron)。,在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。,本征半导体(intrinsic semiconductor),本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,什么是本征半导体？,本征半导体：化学成分纯净的半导体,在物理结构上呈单晶体形态。绝对温度下没有自由电子的半导体.。用得最多的半导体是锗和硅,将锗或硅材料提纯(去掉无用杂质)并形成单晶体,都具有这种晶体结构,所以半导体也称为晶体,这就是晶体管名称的由来.,本征半导体(intrinsic semiconductors),在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，在热力学温度零度（即T=0 K）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。,首页,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发(也称热激发)。,带正电的空穴hole,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,带负电的自由电子free electron,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子递补空穴 空穴电流 在半导体中,同时存在着电子导电和空穴导电,这是半导体导电方式的最大特点,也是半导体和金属在导电原理上的本质差别.空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征.,注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。热力学温度0K时不导电。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,复 合：自由电子回到共价键结构中的现象。此时电子-空穴成对消失。或 自由电子与空穴相碰同时消失,本征半导体不会在外电场作用下形成电流。,半导体导电条件:有多余的电子或空穴,半导体中存在两种载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。,在一定温度下电子 空穴对的产生和复合达到动态平衡。,两种载流子浓度相等,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量其他元素而得到的半导体。,杂质半导体可分为：N(电子)型半导体和P(空穴)型半导体两类,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体(N-type semiconductor)。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子（多子），空穴是少数载流子（少子）。,动画,(施主原子),失去自由电子的杂质原子固定在晶格上不能移动，并带有正电荷，称为正离子。,在这种杂质半导体中，电子的浓度大大高于空穴的浓度。,因主要依靠电子导电，故称为电子型半导体。,5价的杂质原子可以提供电子，所以称为施主原子。,简化模型：,载流子数 电子数,(电子为),(空穴为),掺杂后，某些位置上的硅原子被五价杂质原子（如磷原子）取代。磷原子的5个价电子中，4个价电子与邻近硅原子的价电子形成共价键，剩余价电子只要获取较小能量即可成为自由电子。同时，提供电子的磷原子因带正电荷而成为正离子。电子和正离子成对产生。上述过程称为施主杂质电离。五价杂质原子又称施主杂质。常温下施主杂质已被全部电离。,N型半导体,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体(P-type semiconductor).,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,动画,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,载流子数 空穴数,简化模型：,掺杂后，某些位置上的硅原子被三价杂质原子（如硼原子）取代。硼原子有3个价电子，与邻近硅原子的价电子构成共价键时会形成空穴，导致共价键中的电子很容易运动到这里来。同时，接受一个电子的硼原子因带负电荷而成为不能移动的负离子。空穴和负离子成对产生。上述过程称为受主杂质电离。三价杂质原子又称受主杂质。常温下受主杂质已被全部电离。,P型半导体,在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，并使P型半导体和N型半导体以不同方式组合，可以制造出形形色色、品种繁多、用途各异的半导体器件。,总结,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,14.2 PN结及其单向导电性,PN结的形成PN junction,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散(diffusion)和漂移(drift)这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,动画,形成空间电荷区,PN结的形成(PN junction),物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,1.PN结的形成,在一块本征半导体的两边掺以不同的杂质，使其一边形成P型半导体，另一边形成N型半导体，则在它们交界处就出现了电子和空穴的浓度差，于是P区空穴向N区扩散，N区电子向P区扩散。,另一方面，随着扩散运动的进行，P区一边失去空穴留下负离子，N区一边失去电子留下正离子，形成空间电荷区，产生内建电场。电场方向由N区指向P区，有利于P区和N区的少子漂移运动，而阻止多子扩散运动。,区,区,1.PN结的形成,扩散,交界处的浓度差,P区的空穴要向N区扩散,N区的电子要向P区扩散,P区留下带负电的受主离子,N区留下带正电的施主离子,内建电场,漂移电流,扩散电流,PN 结,小结（1）载流子的扩散运动和漂移运动既互相联系又互相矛盾。（2）漂移运动等于扩散运动时，PN结形成且处于动态平衡状态。PN结没有电流通过。（3）若P区和N区掺杂浓度相同，则；若为 结，则。,14.2.2 PN结的单向导电性(uni-direct conduction),1.PN 结加正向电压（正向偏置forward bias）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。扩散电流远大于漂移电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，PN结呈现低阻性，正向电阻很小,正向电流较大，PN结处于导通(ON)状态。,动画,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,动画,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止(cut-off)状态。,PN结的单向导电性,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,外加反向偏置电压,反向电压与PN结内电场方向相同，增强内电场(变宽)。漂移电流远大于扩散电流。PN结呈现高阻性，反向电阻很大。PN结不导电。漂移电流恒定，与反向电压大小 无关，也称为反向饱和电流IS。,半导体的电流控制方式,PN junction and current control,PN结的单向导电性uni-direct conduction,偏置bias：对半导体器件施加外界电压。,PN结不导电,PN结导电,PN junction and current control,PN结的反向击穿特性Negative breakdown,电击穿_PN结反向偏置电压增大到一定值时，反向电流突然 增加。,热击穿_电击穿时间过长，器件上长时间有大反向电流而引 起器件烧毁。,雪崩击穿 在反向电压下产生碰撞电离并形成载流子倍增 效应，形成较大反向电流。齐纳击穿 较高外电压破坏了共价键，形成大反向电流。,图为PN结正向输出特性，如果PN结的温度从25变化到45，试计算：1）当温度为25、偏置电压从0.7V变化到0.9V时，正向电流的变化是多少？2）电流为1mA时，如果PN结的温度从25变化到45，问正向电压的变化是多少？,解：1）从所给的特性图估计出，正向电流从0变化到0.2mA。2）正向电压的变化大约为0.7V。,PN结导电特性示例,载流子运动方式及形成电流,1.扩散运动及扩散电流,扩散运动：载流子受扩散力的作用所作的运动称为扩散运动。扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。,扩散电流大小与载流子浓度梯度成正比,2.漂移运动及漂移电流,漂移运动：载流子在电场力作用下所作的运动称为漂移运动。漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流称为漂移电流。,电位差 漂移运动 漂移电流,电场力,漂移电流大小与电场强度成正比,小结（1）PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流，PN结导通；PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和 电流IS，考虑到，则认为PN结截止。（2）PN结正向导通、反向截止的特性称为PN结的单向导 电特性。,PN结的特性,击穿特性,击穿：PN结外加反向电压且电压值超过一定限度时，反向电流急剧增加而PN结两端电压基本不变的现象。,击穿不一定导致损坏。,击穿电压UZ,利用PN结击穿特性可以制作稳压管。,PN junction and current control,PN结的反向击穿特性Negative breakdown,电击穿_PN结反向偏置电压增大到一定值时，反向电流突然 增加。,热击穿_电击穿时间过长，器件上长时间有大反向电流而引 起器件烧毁。,雪崩击穿 在反向电压下产生碰撞电离并形成载流子倍增 效应，形成较大反向电流。齐纳击穿 较高外电压破坏了共价键，形成大反向电流。,击穿特性,击穿分类,雪崩击穿,齐纳击穿,雪崩击穿(碰撞击穿),反向电压足够高时，空间电荷区的合成电场较强，通过空间电荷区的电子在强电场的作用下加速获得很大的动能，于是有可能和晶体结构中的外层电子碰撞而使其脱离原子核的束缚。被撞出来的载流子在电场作用下获得能量之后，又可以去碰撞其他的外层电子，这种连锁反应就造成了载流子突然剧增的现象，犹如雪山发生雪崩那样，所以这种击穿称为雪崩击穿或碰撞击穿。,齐纳击穿(电场击穿),当反向电压足够高，空间电荷区中的电场强度达到10的5次方Vcm以上时，可把共价键中的电子拉出来，产生电子空穴对，使载流子突然增多，产生击穿现象，称为齐纳击穿。,掺入杂质浓度小的PN结中，雪崩击穿是主要的，击穿电压一般在6V以上；在掺杂很重的PN结中，齐纳击穿是主要的，击穿电压一般在6V以下。击穿电压在6V左右的PN结常兼有两种击穿现象。,PN 结的击穿特性,O,因为 T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。,击穿电压的温度特性,雪崩击穿电压具有正温度系数。,齐纳击穿电压具有负温度系数。,因为 T 价电子获得的能量 V(BR)。,PN结存在电容效应。这将限制器件工作频率。,分类,势垒电容 CT,扩散电容 CD,电容效应,PN结的特性,势垒电容CT,由势垒区内电荷存储效应引起。势垒区相当于介质，它两边的P区和N区相当于金属。当外加电压改变时，势垒区的电荷量改变引起的电容效应，称为势垒电容。,CT值随外加电压的改变而改变，为非线性电容。,电容效应,PN结的特性,CT0为外加电压为零时的势垒电容，U为PN结的外加电压（加反向电压时U0）,为结变系数。,扩散电容CD,CD 值与PN结的正向电流I成正比。,由势垒区两侧的P区和N区正负电荷混合储存所产生。PN结加正向电压时P区的空穴注入到N区，吸引N区带负电的电子到其附近；同时，N区的电子注入到P区，吸引P区里带正电的空穴到其附近。它们不会立即复合，而有一定的寿命，从而形成势垒区两侧正负电荷混合储存的现象。呈现出的电容效应称为扩散电容。,电容效应,PN结的特性,tP：空穴寿命,tN：电子寿命,UT：热电压,I:正向电流,小结（1）PN结正向运用时 CT、CD同时存在，CD起主要作用（2）PN结反向运用时，只有CT,电容效应,PN结的特性,PN 结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,PN结的结电容PN junction capacitor,二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。,势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。,扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,问题,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？,20090908(2)开始,图 半导体二极管的结构和符号(symbol),14.3 二极管(Diode),结构示意图,14.3.1 基本结构(architecture),点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。用于检波,小功率的整流和变频等高频电路。,面接触型：结面积大，故结允许的电流大，结电容大，只能在较低频率下工作.用于工频大电流整流电路。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。用于集成电路制作工艺中。用于高频整流和开关电路中。,14.3.1 基本结构(architecture),将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,小功率二极管,半导体二极管,分类(classification)按结构分：点接触型、面接触型和平面型按材料分：硅二极管、锗二极管按功能分：普通二极管、整流二极管、稳压二极管（也叫齐纳二极管）Zener diode、开关二极管、发光二极管、高频二极管 RF diode、功率二极管 power diode、肖特基二极管 Schottky barrier diode、隧道二极管 tunnel diode等,二极管的表示符号symbol,研究符号,电路分析符号,工程设计符号,二极管的工作原理work principle,工作原理：正向电压：导通，电阻很小。反向电压：截止，电阻很大。,二极管的基本结构是一个PN结，具有单向导电性。,PN结的单向导电性,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,20100902 41/42/54/51/52/53开始,二极管的特性曲线,二极管特性比电阻复杂得多，它特性曲线不能通过简单的线性方程得到。数学上可以用下式近似表达：当uD 100mV时，近似为：其中IS称反向饱和电流，硅管1012/10-9A，uD为二极管端电压，T 为绝对温度,，k 是玻尔兹曼常数（8.6310-5eV/K=1.3810-23J/K,J为焦耳，式中e电子电荷1.61019库仑），q是电子电荷数。通常二极管的电流也写成，其中，称为热电压（Thermal Voltage）单位为伏。室温即T=300K时，这是一个重要的数值，今后会经常用到它。,正向特性近似,反向特性近似,伏安特性数学表达式,伏安特性,式中,从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性,2.伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,伏安特性的温度特性,(c)击穿特性,(b)反向特性,(a)正向特性,T则Ur,T则IS,T则UZ(雪崩击穿)T则UZ(齐纳击穿),伏安特性,二极管的等效电路,理想二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,直流电路模型,建立条件：在二极管两端施加直流电压，二极管 工作在直流状态。使用条件：二极管工作在线性区，Rr和Rf为常数。,微变等效电路,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,表征性能,性能参数,表征安全工作范围,极限参数,参数,直流电阻 RD 定义:RD是 u 或 i 的函数,（1）性能参数,主要参数,交流电阻 rd 定义:计算:,（1）性能参数,主要参数,势垒电容CT 影响器件最高工作频率,最大允许整流电流IOM(IF)二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流.工作电流IOM易导致二极管过热失效。最高反向工作电压URM(UR)允许加到二极管(非稳压二极管)的最高反向电压。手册上给出的最高反向工作电压UWRM一般是UBR的一半。最大允许功耗PDM 实际功耗大于PDM 时易导致二极管过热损坏。,（2）极限参数,14.3.3 主要参数,反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,最高工作频率 fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。,二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,作业 设二极管是理想的，求 VAO 值。,VAO=?,VAO=?,例 设二极管是理想的，求 VAO 值。,图(a)，假设 D 开路，则 D 两端电压：,VD=V1 V2=(6 12)V=18 V 0 V，,解：,故 D 截止。,VAO=12 V。,图(b)，假设 D1、D2 开路，则 D 两端电压：,VD1=V2 0=9 V 0 V，,VD2=V2(V1)=15 V 0 V。,由于 VD2 VD1，则 D2 优先导通。,此时 VD1=6 V 0 V，,故 D1 截止。,VAO=V1=6 V。,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,动画,例已知uI=Umsin t，画出uO和uD的波形,Um,uI0 时二极管导通，uO=uI uD=0,uI 0 时二极管截止，uD=uI uO=0,-Um,io,画输出信号波形方法,根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出 vo 与 vi 关系 画输出信号波形。,例 设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画 vo波形。,解：,画输出信号波形方法,根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出 vo 与 vi 关系 画输出信号波形。,例 设二极管是理想的，vi=6sint(V)，试画 vo波形。,解：,vi 2 V 时，D 导通，则 vO=vi,vi 2 V 时，D 截止，则 vO=2 V,由此可画出 vO 的波形。,20090915(3)开始,限幅电路(或削波电路),V2 vi V1 时，D1、D2 截止，vo=vi,Vi V1 时，D1 导通、D2 截止，vo=V1,Vi V2 时，D2 导通、D1 截止，vo=V2,由此，电路实现双向限幅功能。,其中：V1 为上限幅电平，V2 为下限幅电平。,例 二极管可用作开关,正向偏置，相当于开关闭合。,反向偏置，相当于开关断开。,（b）,（a）,结合图中给定的参数分析：VD1、VD2开路时，阳极对地电位为+5V，阴极对地电位分别为+1V、0V，,例：如图所示二极管门电路（VD1、VD2为理想二极管）求：uO。,解：,门电路,门电路的分析关键是判断电路中二极管的通、断。采用的方法是比较各二极管的正向开路电压，正向开路电压最大的一只二极管抢先导通。,可见VD2导通。,uO=0,晶体二极管电路应用举例,实例example,例1 判断图示电路中的二极管能否导通。,结果：VA=1V VB=1+2.5=3.5V 则 VA VB 二极管为截止状态。,14.4 稳压二极管（齐纳二极管Zener diode）,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,稳压管,稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：,U,I,值很小,有稳压特性,阴极,阳极,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,3.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：,稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须限制流过稳压管的电流IZ。,限流电阻,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,负载电阻。,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,稳压二极管的应用举例,稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。,方程2,联立方程1、2，可解得：,例 电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1k，RLmin=600UZ=6V,对应UZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻RO,解：,IZ=IR-IO,=,UI-UZ,R,-,UZ,RL,IZmax,UImax-UZ,R,-,UZ,RLmax,IZmin,UImin-UZ,R,-,UZ,RLmin,rZ=,IZ,UZ,=6.7,IZ=IZmax-IZmin=45 mA,U,U,U,U,例 有两个稳压管 VD1 和 VD2，它们的稳压值为UZ1=6 V，UZ2=8 V，正向导通压降均为 UD=0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值?,U=UD+UD=1.2 V,U=UZ1+UD=6.6 V,U=UZ1+UZ2=14 V,U=UD+UZ2=8.6 V,14.6 光电器件,14