二极管及基本电路

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1、,3 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 半导体二极管,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结的形成及特性,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数,二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.1 半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。,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。

2、,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,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。,3.3.2 二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,反向特性,反向击穿特性,硅二极管开启门坎电压Vth约为0.5V，锗二极管的约为0.1V硅管正向导通压降约为0.7V（0.5-0.8V），锗管约为0.2V（0.1-0.3V）,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

3、1倍/10,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的主要参数 第五版P71,3.4 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,3.4.2 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,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，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V -I 特性曲线。,符号中大小写的含义：,大写字母大写下标：静态值（直流），如，IB,（参见“本书常用符号表”）,小写字母大写下标：总量（直流+交流），如，iB,小写字母小写下标：瞬时值（交流），如，ib,例3.4.1

4、电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线,Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点,二极管的V-I特性曲线,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1. 二极管V-I 特性的建模,将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。,（1）理想模型,V-I 特性,代表符号,正向偏置时的电路模型,反向偏置时的电路模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管V-I 特性的建模,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,（4）小信号

5、模型,vs =Vmsint 时（VmVT 。,（a）I-V 特性 （b）电路模型,1. 二极管V-I 特性的建模,（4）小信号模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,2模型分析法应用举例,（1）整流电路（理想模型）,当vs为正半周时，二极管导通，且导通压降为0V，vo = vs,（2）静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,（a）简单二极管电路 （b）习惯画法,2模型分析法应用举例,2模型分析法应用举例,（3）限幅与钳位电路,电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI = 6s

6、int V时，绘出相应的输出电压vO的波形。,2模型分析法应用举例,（4）开关电路,电路如图所示，求AO的电压值,解：,先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。,则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。,阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。,导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。,所以，AO的电压值为-6V。,2模型分析法应用举例,（6）小信号工作情况分析,图示电路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大

7、电路的分析中非常重要。,3.5 特殊二极管,3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),1.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电击穿状态。,(a)符号,(b) 伏安特性,（c）反向击穿时的模型,3.5.1 齐纳二极管,(1) 稳定电压VZ,(2) 动态电阻rZ,rZ =VZ /IZ,2. 齐纳二极管主要参数,在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。 rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 rZ =VZ /IZ,3.5.1 齐纳二极管,(3)最大耗散功率 PZM

8、,(4)最大稳定工作电流 IZ(max) 和最小稳定工作电流 IZ(min),2. 齐纳二极管主要参数,稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。,稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。,3.5.1 齐纳二极管,(5)稳定电压温度系数VZ,2. 齐纳二极管主要参数,温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。 当VZ4 V时， VZ具有负温度系数，反向击穿

9、是齐纳击穿。 当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,3.5.1 齐纳二极管,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =VZ,# 稳压条件是什么？,IZ(min) IZ IZ(max),# 不加R可以吗？,电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,3.5.2 变容二极管,（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,变容二极管的特点：（1） 当二极管反向偏置时，因反向电阻大，可作电容使用；（2） 电容量与所加的反向偏置

10、电压的大小有关。,3.5.3 肖特基二极管,（a）符号 （b）正向V-I特性,肖特基二极管的特点：（1） 电容效应小，工作速度快，适用于高频或开关状态；（2） 正向导通门槛电压和正向压降比PN结二极管低。,3.5.4 光电子器件,1. 光电二极管,（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线,工作原理：,无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。,3.5.4 光电子器件,2. 发光二极管,符号,光电传输系统,发光类型：,可见光：红、黄、绿,显示类型： 普通 LED ，,不可见光：红外光,点阵 LED,七段 LED ,3.5.4 光电子器件,3. 激光二极管,（a）物理结构 （b）

11、符号,例1：稳压二极管的应用,稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k，输入电压ui=12V，限流电阻R=200 ，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5 k - 4 k ，是否还能稳压？,UZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Izmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k),iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10

12、-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）,负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用,例2：稳压二极管的应用,（UZ3V）,例3：限幅电路例题,（输入波形：幅值为5V的正弦波）,2V,2V,D导通：Vo=D截止：,通：止：,导通：截止：,导通：截止：,例4：限幅电路例题,时1导通，2截止时1截止，2导通时1截止，2截止,例5：限幅电路例题,例6：稳压二极管稳压电路设计,电路如图 R为限流电阻RL为负载,稳压 是指Ui ,RL变化时， Uo保持不变,基本不变，需使 Iz在IZMIN和IZMAX之间,为使,考虑 Ui在（Uimin，Uimax）内 IL在（Ilmin，ILmax）内确定 限流电阻 R 的取值范围,所谓电路设计,时，Iz最小,当,要使,必须,即,，Iz最大,当,必须,即,可见 R的取值范围是在 Rmin与Rmax之间,若计算结果出现说明给定条件下Uz已超出了的稳压工作范围,