《极管及其电路》PPT课件.ppt

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1、,模拟电子技术Analog Electronics,计算机与信息学院 冯继宣 m 办公室:7205,模拟电子技术是信息工程、计算机、电子等学科的专业基础课，是一门极其重要的课程，它直接影响同学们对硬件的深入学习，对后续课程微机原理、接口技术、单片机原理、计算机网络、嵌入式系统 等有很大的影响。,绪论,1.信号&信息（消息）2.模拟信号&数字信号3.模拟电路&数字电路,在电子电路中将信号分为模拟信号和数字信号。模拟信号在时间和数值上均具有连续性，即对应于任意时间值均有确定的函数值u或i，并且u或i的幅值是连续的。量变-质变 数字信号在时间和数值上均具有离散性，u或i的变化在时间上不连续，总是发生

2、在离散的瞬间,学分：3.0 采用教材：电子技术基础 清华大学出版社 要求：每人准备一个笔记本,章节介绍,模拟电子技术半导体二极管及其电路晶体三极管单级、多级放大电路集成运算放大电路及应用负反馈放大电路直流稳压电路,课程安排（单、双周）,一次理论课，一次讨论课一次实验课 成绩评定原则：平时成绩40%：出勤+作业20%，实验20%期末闭卷考试 60%,学 习 资 源,麻省理工开放式课程大学课程在线http:/,如何利用网络资源,1、学院图书馆 http:/2、网络搜索 如只查找*.ppt,*.doc 文档,电子世界,电子世界,电子世界,电子世界,第1讲 半导体二极管及其基本电路,学习要点,了解半导

3、体的特性和导电方式，理解PN结的 单向导电特性了解半导体二极管、三极管的结构理解二极管的工作原理、伏安特性和主要参数二极管电路的应用,1.1 半导体的基础知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。,导体：容易导电的物体。如：铜、铁等,绝缘体：几乎不导电的物体。如：木头、橡胶等,半导体：是导电性能介于导体和绝缘体之 间的物体。在一定条件下可导电。,典型的半导体有硅 Si和 锗 Ge以及 砷化镓 GaAs等。,1.1.1 半导体的导电特性,1.本征半导体纯净的具有晶体结构的半导体称为本征半导体。现以硅原子为例：每个硅原子最外层的4个价电子分别和周围4个硅原子的价电子形成共

4、用电子对，构成共价键结构，如图1-1所示。,图1-1 本征半导体的共价键结构,本征半导体中有两种载流子：自由电子载流子和空穴载流子。本征半导体中的共价键具有很强的结合力，常温时仅有极少数价电子由于温度变化获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子；同时在共价键相应位置处留下一个空位，称为空穴。如图1-2所示。（本征激发）,图1-2 本征半导体的两种载流子,2.杂质半导体,杂质半导体：在本征半导体中掺入微量的杂质元素，其导电 性能会得到改善。按照掺入元素的不同可分为：N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等;显示负性：negative NP型半导体：在本征

5、半导体中掺入+3价元素，如硼（B）等 显示阳性：positive,P,无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的，对外不显电性。掺入的杂质元素的浓度越高，多数载流子的数量越多。少数载流子是热激发而产生的，其数量的多少 决定于温度。,1.1.2 PN结及其单向导电性,利用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一个半导体硅片上，在P型半导体和N型半导体的交界面就形成了PN结。PN结的形成过程如图1-5：两种运动：扩散运动漂移运动,1PN结的形成,多子扩散,形成空间电荷区产生内电场,少子漂移,促使,阻止,扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的PN结,2PN结的单向导电性,外加正向电压（也叫正向

6、偏置正偏）若将电源的正极接区,负极接区,则称此为正向接法或正向偏置。外加电场与内电场方向相反，内电场削弱，扩散运动大大超过漂移运动，N区电子不断扩散到P区，P区空穴不断扩散到N区，形成较大的正向电流，这时称PN结处于导通状态。,外加反向电压（也叫反向偏置反偏）外加电场与内电场方向相同，增强了内电场，多子扩散难以进行，少子在电场作用下形成反向电流，因为是少子漂移运动产生的，反向电流很小，这时称PN结处于截止状态。,二极管 Diode,正极正向箭头导通；负极垂直，不通,Rectifiers-how would you do it?整流器,Rectifiers,Vload,t,AC,two diod

7、e drops,Rectifiers：全波整流+RC 滤波,Vload,t,AC,Ripple 波纹,R,C,小结：PN结具有单向导电特性，即：PN结加正向电压时，正向电阻很小，PN结导通，可以形成较大的正向电流。PN结加反向电压时，反向电阻很小，PN结截止，反向电流基本为零。,根据理论分析，PN结两端的电压V与流过PN结的电流I之间的关系为,当PN结的反偏电压增大到一定数值时，共价键遭到破坏，产生电子-空穴对，反向电流急剧增加，这种现象称为PN结的反向击穿,3.PN结的伏安特性,Diode Impedance 阻抗,breakdownvoltage75V,reversebiased,I cu

8、rrent through diode,V voltage drop across diode,Kirchoffs laws dont apply,if 10mA is flowing throughthe diode,Vd0.5V,forwardbiased,半导体二极管是由PN结的P区和N区分别引出两根电极引线，并加上管壳封装而成，简称为二极管。二极管的外形、结构、符号如图1-9所示。,图 二极管的外形、结构及符号,1.2 半导体二极管,按构成二极管的材料划分：硅二极管、锗二极管和砷化镓二极管等。按照结构划分：点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。按照用途划分：整流二极管、稳压二极

9、管、发光二极管等。按照功率划分：大功率二极管、中功率二极管和小功率二极管。,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,二极管的伏安特性曲线,死区电压,反向饱和电流,反向击穿电压,（1）正向特性,外加正向电压较小时，外电场不足以克服内电场对多子扩散的阻力，PN结仍处于截止状态。正向电压大于死区电压后，正向电流 随着正向电压增大迅速上升。通常死区电压硅管约为0.5V，锗管约为0.2V。,外加反向电压时，PN结处于截止状态，反向电流 很小。反向电压大于击穿电压时，反向电流急剧增加。,（2）反向特性,硅管的正向压降为0.60.7V，锗管的正向压降为0.20.3V，牢记！正向压降（导通

10、压降、管压降）,二极管的伏安特性曲线分为3部分：（1）正向特性。（2）反向截止特性。（3）反向击穿特性。随着环境温度的增加，二极管的正向特性曲线将左移，反向特性曲线将下移。温度升高时，二极管的反向电流将增大，温度每增加10，反向电流增加一倍；温度升高时，二极管的正向压降将减小，温度每增加1，正向压降将减小22.5mV。,二极管的主要参数（1）最大整流电流IF：指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流，该值与PN结面积和散热条件有关。使用时正向平均电流不能超过此值，否则会烧坏二极管。（2）最大反向工作电压UR：指二极管正常工作时所能承受的最大反向电压，超过此值时，二极管有可能因反向击穿而被损

11、坏。通常规定最大反向工作电压为击穿电压的一半。（即UR=1/2*UBR）,（3）反向峰值电流IR：指二极管未发生击穿时的反向电流。其值越小，说明二极管的单向导电性越好。（4）最高工作频率FM：指二极管正常工作时的上限频率值，它的大小与二极管的结电容有关，若超过此值，二极管的单向导电性会受到影响。,1.3 二极管的等效电路及其应用,1二极管的等效电路（1）理想模型：伏安特性曲线和等效电路分别如图(a)、(b)所示。,（2）恒压降模型：二极管正向导通后，其管压降不随电流变化，认为是恒定值，并且二极管的反向电流为0。,理想二极管串联电压源UD(on),Si:0.7V，Ge:0.3V,等效电路是理想二

12、极管串联电压源Uth和电阻rD，且 rD=U/I,（3）折线模型：当二极管正向电压大于开启电压Uth后，其电流与电压成线性关系，直线斜率为1/rp；当二极管两端电压小于开启电压时，二极管截止，电流为零。,解,采用二极管的恒压降模型分析当开关断开时,前3种为一般模型：计算二极管上加特定范围电压时的响应。第4种为小信号模型：计算叠加在Q点上微小增量的响应。,（4）交流小信号等效模型：直流电压和低频小信号共同作用。,rd=uD/iD,晶体二极管电路的应用,利用晶体二极管的单向导电性和反向击穿特性，可以构成各种电路，比较典型的有：整流、稳压、限幅等电路。利用二极管的单向导电性将交流电转换为直流电的电路

13、，称为整流电路。在整流电路中，由于电源电压远大于二极管的正向压降，因此用理想二极管模型来分析电路。,二极管电路分析举例【例1-1】电路如图1-15所示，假设图中的二极管是Si管，试判断二极管是否导通，并求出相应的输出电压。,（a）(b),解：二极管D导通，输出电压。二极管D截止，输出电压。【例1-2】电路如图所示，二极管的正向导通压降为0.7V，试分析电路的工作原理，并画出 和 的波形。,解：,【例1-3】电路如图所示，已知ui=6sintV，图中的D1和D2为理想二极管(导通时正向压降为零，截止时反向电流为零)。试画出ui与uo的波形，并标出幅值。,二极管限幅电路,练一练,在图所示的各电路图

14、中，二极管的正向压降可忽略不计，画出则输出电压uo的波形。,例题,电路如图P1.5（a）所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。,解：uO的波形如解图P1.5所示。,例子：Practice makes Perfect!,KEY:UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压管稳压管又称齐纳二极管，是一种工作在反向击穿状态下的面接触型硅半导体二极管。稳压管的伏安特性、符号及等效电路如图(a)，(b)，(c)所示。,(a)伏安特性(b)符号(c)等

15、效电路,稳压管的主要参数,（1）稳定电压UZ：指在规定电流下，稳压管的反向击穿电压。（2）稳定电流IZ：指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。稳压管工作时，电流低于此值时，稳压效果将变坏，甚至不能稳压。在保证不超过稳压管的额定功率前提下，电流越大，稳压管稳压效果越好。（3）额定功耗PZM：为稳压管的稳定电压与最大稳定电流之积。（4）动态电阻rZ：指当稳压管工作在稳压状态时，稳压管两端电压的变化量与流过稳压管电流的变化量之比。越小，稳压管稳压效果越好。（5）温度系数aUZ：用于反映温度变化对稳定电压的影响，是指温度每变化1所引起的稳定电压的变化量。,例题：,设硅稳压管Dz1和Dz2的稳定电压分别为

16、5V和10V，求图中各电路的输出电压U0，已知稳压管的正向压降为0.7V。,知识点：对于稳压管来讲1.工作在反向状态，才能稳压，此时两端电压等于其稳定电压；2.工作在正向状态，稳压管两端电压等于其压降。,练一练：有两个稳压管Dz1和Dz2，其稳定电压分别为5.5V和8.5V，正向压降都0.5V，能否得到0.5V、6V、9V和14V几种稳定电压，说明理由。,1.4.2 光电二极管,特点：电路中一般处于反向工作状态，没有光照射时，其反向电阻很大，PN结流过的反向电阻很小；当光照时，就在PN结及其附近产生电子空穴对，电子和空穴在PN结的内电场作用下作定向运动，形成光电流。所产生光电流的大小与光的照度

17、成正比。为使光线能照射到PN结上，在光电二极管的管壳上设有一个小的通光窗口。,1.4.3 发光二极管 LED,当发光二极管的PN结加上正向电压时，电子与空穴复合过程以光的形式放出能量。不同材料制成的发光二极管会发出不同颜色的光。发光二极管具有亮度高、清晰度高、电压低（1.53V）、反应快、体积小、可靠性高、寿命长等特点，是一种很有用的半导体器件，常用于信号指示、数字和字符显示。,了解：半导体器件型号命名及方法,半导体器件的型号命名由5部分组成,作业,P1174.1 4.2 4.8 4.9 4.10,（2）.P型半导体,在本征半导体中掺入+3价元素，如磷（B）等所得到的杂质半导体为P型半导体，如图1-4所示。,图P型半导体,空 穴,多数载流子（多子）,自由电子,少数载流子（少子）,（1）.N型半导体,在本征半导体中掺入+5价元素，如磷（P）等所得到的杂质半导体为N型半导体，如图1-3所示。,图 N型半导体,空 穴,少数载流子（少子）,自由电子,多数载流子（多子）,本征半导体中有两种载流子：带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴热激发产生的自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴又可能重新结合而成对消失，称为复合。在一定温度下自由电子和空穴维持一定的浓度。本征半导体的导电性能与环境温度密切相关，温度升高时，导电性能增强，反之，温度降低，导电性能变差。,