秋低频电子线路常用半导体器件原理.ppt

低频电子线路(4)山东大学 信息科学与工程学院 刘志军4/21/20241.回顾上节课n n4.2 PN结n nPN结的形成n nPN结的单向导电性n nPN结电阻特性和电容特性n nPN结击穿特性n nPN结温度特性4/21/20242.本节课内容n n4.3 晶体二极管及其基本电路n n4.3.1 二极管特性曲线n n4.3.2 二极管主要参数n n4.3.3 晶体二极管模型n n4.3.4 二极管基本应用电路n n4.3.5 稳压二极管及稳压电路n n4.3.6 其它二极管简介4/21/20243.4.3 4.3 晶体二极管及其基本电路晶体二极管及其基本电路 n n二极管是最基本、最简单的半导体器件。n n二极管可以组成各种各样的电路形式。n n二极管电路应用十分广泛。4/21/20244.二极管工艺与类型n n结构和符号n n二极管是由二极管是由管芯管芯管芯管芯(PN(PN结结结结)加加电极引线电极引线电极引线电极引线和和管壳管壳管壳管壳制成。制成。n n结构示意和电路符号如下图所示：结构示意和电路符号如下图所示：4/21/20245.工艺与类型n n根据制作工艺(Facturetechnics)不同分为：n n 平面型二极管平面型二极管平面型二极管平面型二极管：适合整流，：适合整流，低频应用低频应用(结电容大结电容大)n n 面接触型二极管面接触型二极管面接触型二极管面接触型二极管：适合整流，：适合整流，低频应用低频应用(结电容大结电容大)n n点接触型二极管点接触型二极管点接触型二极管点接触型二极管：适合检波，：适合检波，可高频应用可高频应用(结电容小结电容小)4/21/20246.二极管工艺类型（图）4/21/20247.4.3.1 二极管特性曲线n n特特性性曲曲线线(CharacteristicCurve)是描述器件性能的图形表示。n n二二极极管管特特性性曲曲线线与PN结特性曲线基本相同（略有区别）。n n正向电流有体电阻体电阻和引线接触电阻引线接触电阻作用。n n反向电流有表面漏电流表面漏电流的影响。4/21/20248.二极管特性曲线（图）n n特性曲线与特性曲线与PNPN结特性相似结特性相似图二极管伏安特性曲线4/21/20249.二极管特性曲线n n正向特性正向特性(DirectionCharacteristic)n n导通电压导通电压导通电压导通电压(阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压、死区电压、死区电压)U)UD(ON)D(ON)(室温下室温下)SSi i 管，管，UUD(ON)D(ON)=（0.50.70.50.7）VVGGee管管UUD(ON)D(ON)=（0.10.30.10.3）VVn n反向特性反向特性(ReverseCharacteristic)SSi i 管，一般小于管，一般小于0.10.1 A A。G Gee管，一般小于几管，一般小于几mAmA。4/21/202410.4.3.2 二极管主要参数n n最大整流电流IFn n最大反向工作电压URn n反向电流IRn n最高工作频率fmn n直流电阻RD和交流电阻rd4/21/202411.最大整流电流IFn nIF是指管子稳定工作时，所允许通过的最大正向平均电流。n n使用时不应超过此值（可加散热片）。4/21/202412.最大反向工作电压URMn nURM指工作时允许所加最大反向电压。n n通常取击穿电压U(BR)的1/2做为UR。4/21/202413.反向电流IRn nIR是指击穿前的反向电流值。n n此值越小表示管子单向导电性能越好。n n与IS有关（再加上表面漏电流），故与温度有关。4/21/202414.最高工作频率fmn n当工作频率超过fm，管子的工作性能（频率特性）变坏。n nfm越大频率特性越好。n nfm是由管子的结电容所决定的，fm大说明管子结电容小。4/21/202415.直流电阻和交流电阻n n直流电阻直流电阻 R RD D(DCResistance)n n是是二二极极管管Q Q点点处处所所加加直直流流电电压压U UD D与与所所流流过过直直流流电流电流I ID D之比。其几何意义是直线斜率的倒数。之比。其几何意义是直线斜率的倒数。n n交流电阻交流电阻 r rd d(ACResistance)n n是是其其工工作作状状态态(U(U，I)I)处处电电压压改改变变量量 U U与与电电流流改改变变量量 I I之之比比。几几何何意意义义是是曲曲线线Q Q点点处处切切线线斜斜率的倒数。率的倒数。4/21/202416.二极管电阻的几何意义（图）图二极管电阻的几何意义(a)直流电阻RD；(b)交流电阻rD4/21/202417.4.3.3 二极管模型(Model)n n对电子线路进行分析(定量分析)时，电路中的实际器件必须用相应的电电路路模模型型（公式、图形、表格）来等效表示，这称为“数数学学建建模模”，简称，简称“建模建模”。n n计计算算机机辅辅助助分分析析(CAA)计算要使用管子的数学模型。4/21/202418.二极管电路模型(折线化)（图）图二极管特性的折线近似及电路模型4/21/202419.二极管电路简化模型（图）(a)(c)(b)4/21/202420.二极管近似模型（图）n n以上三三种种电电路路模模型型(近近似似、简简化化、理理想想)均为二极管近似模型近似模型(线形化线形化)。n n对不同电路模型可在不同需求时采用。4/21/202421.4.3.4 二极管基本应用电路n n二极管在低频和高频以及数字电路均有广泛的应用。n n以下主要介绍几种基本应用。4/21/202422.二极管几种基本应用n n整流电路整流电路n n限幅电路限幅电路n n电平选择电路电平选择电路4/21/202423.二极管整流电路n n把交流电转变为直流电，称为“整流整流”；反之称为“逆变逆变”。整流交流电直流电逆变4/21/202424.二极管半波整流电路及波形（图）图图 二极管半波整流电路及波形二极管半波整流电路及波形(a)(a)电路；电路；(b)(b)输入、输出波形关系输入、输出波形关系 n n改变电路及二极管的接入方式，可得到不同的输出波形。改变电路及二极管的接入方式，可得到不同的输出波形。4/21/202425.常见整流电路n n半波整流n n全波整流n n桥式整流n n倍压整流4/21/202426.二极管限幅电路n n限幅电路限幅电路又称为“削波电路”，n n能够把输入电压变化范围加以限制，常用于波形变换和整形。n n限幅电路的传传输输特特性性(指信号输出和输入的关系)。4/21/202427.限幅概念n n单向限幅n n门限电压n n双向限幅n n上门限n n下门限4/21/202428.限幅电路传输特性传输特性（图）图限幅电路的传输特性4/21/202429.二极管限幅电路及波形（图）图二极管上限幅电路及波形(a)电路(b)输入、输出波形关系4/21/202430.二极管电平选择电平选择电路n n电电平平选选择择电电路路是能够从多路输入信号中选出最低电平最低电平或最高电平最高电平的电路形式。n n常用于脉冲数字电路脉冲数字电路。4/21/202431.二极管电平选择电路n n高电平选择高电平选择n n低电平选择低电平选择4/21/202432.二极管电平选择电路（图）图二极管低电平选择电路及波形(a)电路(b)输入、输出波形关系4/21/202433.上例说明n n以上为低电平选择电路。n n输入u1、u2，加入方波信号。n nE是电源为5V电压。n n看输出u0的变化情况。n n是与门电路。4/21/202434.高电平选择电路n n若将VD1、VD2换向，将E加负值，则可变为高电平选择电路高电平选择电路。n n电路若输入数字量，则为或门电路。4/21/202435.5.3.5 稳压二极管及稳压电路n n稳稳压压二二极极管管正是利用PN结的“反反向向击击穿穿特性特性”。n n稳压二极管可用于限幅限幅和和稳压稳压。4/21/202436.稳压二极管符号及特性图稳压二极管及其特性曲线（a)电路符号（b)伏安特性曲线4/21/202437.稳压二极管符号（图）4/21/202438.双向稳压管符号（图）4/21/202439.稳压二极管主要参数n n稳压电压 UZn n额定功耗 Pzn n稳定电流 Izn n动态电阻 rzn n温度系数 4/21/202440.稳压电压UZn n指管子长期稳定时的工作电压值（电流为规定值）。n n注意UZ分散性较大。4/21/202441.额定功耗Pz:n n与材料、结构、工艺有关。n n使用时不允许超过此值。n n受热击穿限制。4/21/202442.稳定电流Izn n是稳压管的正常工作电流。n n工作电流要限制在一个工作范围内。n n不能大于IzmaxPZ/UZ（管子损坏）n n不能小于Izmin(管子不工作）4/21/202443.动态电阻rzn n是在击穿状态下，管子两端电压变化量与电流变化量的比值。n n反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。n n一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。4/21/202444.温度系数n n指管子受温度影响的程度。n n7V是正温系数(雪崩击穿)；n n5V是负温系数(齐纳击穿)；n n57V温度系数最小。4/21/202445.稳压二极管电路n n电路结构n n稳压管n n负载电阻n n限流电阻4/21/202446.稳压二极管稳压电路举例（图）图稳压二极管稳压电路4/21/202447.稳压电路分析n n当Ui和RL变化时，电路可使输出电压Uo保持稳定。UO=UiIR（KVL)I=IZIL(KCL)4/21/202448.稳压电路分析n n当Ui变化时n nII变变IIZ Z变变(U(UZ Z不变不变)则则U UO O不变。不变。n nIR=UIR=UR R变变n n当RL变化n nIIL L变变II变变IR=UIR=UR R变变n nIIZ Z不变不变UUZ Z不变不变UUO O不变不变4/21/202449.稳压电路分析n n是依靠R上电压变化进行调节。n n对限流电阻限流电阻 R 要合理选择n nR Rmaxmax要使要使U Uz z还能工作，还能工作，n nR Rminmin不能使不能使I IZ Z太大，以免烧毁。太大，以免烧毁。-对 限 流 电 阻 R要 合 理 选 择，见 书（P115）有介绍。4/21/202450.4.3.6 其它二极管简介n n除以上基本二极管，还有许多其他用途的二极管（特殊二极管）。n n如：变容二极管 光电二极管 发光二极管 肖特基二极管等。4/21/202451.变容二极管n n变容二极管结电容（反向应用时势垒电容比较大）。n n变容二极管在高频电路有广泛应用，如电压功率交换、电子调谐、功率调制等。4/21/202452.变容二极管（图）图变容二极管符号4/21/202453.光电二极管n n光电二极管具有光电转换性能（光电管外壳用玻璃窗口）。n n受光照端为前极，不受光照端为后极。4/21/202454.光电二极管（图）图光电二极管符号4/21/202455.发光二极管n n发光二极管具有电光转换 的性能。n n可见光有红、黄、绿、蓝、紫等。n n发光亮度与工作电流成比例。n n属于冷光源，是环保节能和绿色能源。n n可用于各种指示灯、七段数码显示等。4/21/202456.发光二极管（图）图发光二极管符号4/21/202457.小资料：LED是什么？n nLightEmittingDiode，即发光二极管。它是一种半导体固体发光器件，是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。n nLED可以直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。4/21/202458.小资料：LED是什么？n n早在1907年，人们就发现了半导体材料通电发光现象，不过真正商用的LED是上世纪60年代，当时只能发红光，而且发光效率也很低。真正影响LED产业发展的高亮度白光LED在1997年。节能、环保和长寿是LED区别于传统白炽灯的三大优势，LED是“冷”光源，它不依赖灯丝发热来发光，能量转化效率非常高，理论上可以只有白炽灯耗能的1/10，相比普通荧光灯也要节能1/2。4/21/202459.小资料：LED是什么？n nLED的特点的特点:n n多变幻：多变幻：多变幻：多变幻：LEDLED光源可利用光源可利用LEDLED通短时间短和红、绿、通短时间短和红、绿、蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和蓝三基色原理，在计算机技术控制下实现色彩和图案变化，是一种可控制的图案变化，是一种可控制的“动态光源动态光源”。n n寿命长寿命长寿命长寿命长：LEDLED光源无灯丝、工作电压低，使用寿光源无灯丝、工作电压低，使用寿命可达命可达5 5万到万到1010万小时，也就是万小时，也就是5 5年到年到1010年时间。年时间。n n利环保利环保利环保利环保：生产中无有害元素，使用中不发出有害：生产中无有害元素，使用中不发出有害物质、无辐射。物质、无辐射。n n新技术新技术新技术新技术：与传统光源比，：与传统光源比，LEDLED光源融合了计算机、光源融合了计算机、网络、嵌入式等高新技术，具有在线编程、无限网络、嵌入式等高新技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。升级、灵活多变的特点。n n 4/21/202460.小资料：LED是什么？n nLEDLED发光原理：发光原理：发光原理：发光原理：LEDLED为何寿命长？发光二极管的为何寿命长？发光二极管的发光机理是由发光机理是由二极管特殊的组成结构二极管特殊的组成结构二极管特殊的组成结构二极管特殊的组成结构决定的。二决定的。二极管主要由极管主要由PNPN结芯片、电极和光学系统组成，当结芯片、电极和光学系统组成，当在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别在电极上加上正向偏压之后，使电子和空穴分别注入注入P P区和区和N N区，当非平衡少数载流子和多数载流区，当非平衡少数载流子和多数载流子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量子复合时，就会以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。转化为光能。n n其发光过程包括三个部分其发光过程包括三个部分其发光过程包括三个部分其发光过程包括三个部分：正向偏压下的载流子：正向偏压下的载流子注入、复合辐射和光能传输。由此可见二极管主注入、复合辐射和光能传输。由此可见二极管主要是靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化要是靠载流子的不断移动而发光的，不存在老化和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发和烧断的现象，其特殊的发光机理决定了它的发光寿命长达光寿命长达5 51010万个小时。万个小时。4/21/202461.肖特基二极管n n金属与N型二极管接触形成势垒区制成的二极管，称为肖特基或表面势垒二极管。n n同样具有单向导电性，但依靠多数载流子进行工作（可消除少子的储存效应）。n n具有良好的高频特性（但反向击穿电压低）。4/21/202462.肖特基二极管（图）图肖特基二极管结构与符号(a)结构示意图(b)电路符号4/21/202463.思考和练习题n n1 1、不同制作工艺制成的二极管各有什么特点？、不同制作工艺制成的二极管各有什么特点？n n2 2、解释管子阈值电压的含义，硅管和锗管的阈值电压各为多少？、解释管子阈值电压的含义，硅管和锗管的阈值电压各为多少？n n3 3、二极管特性曲线和、二极管特性曲线和PNPN结特性曲线有什么区别？是什么原因造成的？结特性曲线有什么区别？是什么原因造成的？n n4 4、分别解释主要、分别解释主要二极管二极管参数的含义和使用时的特点。参数的含义和使用时的特点。n n5 5、说明、说明“建模建模”和和“数学模型数学模型”的含义和作用，说明所述几种二极管模型的含义和作用，说明所述几种二极管模型的特点。的特点。n n6 6、说明整流电路作用、分类及工作原理。、说明整流电路作用、分类及工作原理。n n7 7、说明限幅电路作用、分类及工作原理。、说明限幅电路作用、分类及工作原理。n n8 8、解释单门限电压和双门限电压的含义。、解释单门限电压和双门限电压的含义。n n9 9、说明电平选择电路的应用和工作原理。、说明电平选择电路的应用和工作原理。n n1010、稳压二极管的作用是什么？它工作在何种状态？、稳压二极管的作用是什么？它工作在何种状态？n n1111、解释稳压二极管的主要参数和使用特点？、解释稳压二极管的主要参数和使用特点？n n1212、分析稳压二极管电路工作原理，说明限流电阻的作用。、分析稳压二极管电路工作原理，说明限流电阻的作用。n n1313、熟悉所介绍的几种特殊二极管的作用和应用特点，熟悉其符号表示。、熟悉所介绍的几种特殊二极管的作用和应用特点，熟悉其符号表示。4/21/202464.本节作业n n4-5n n4-6n n4-8(a)、(b)、(c)n n4-11n n4-124/21/202465.预习下节课内容n n4.4双极型晶体管4/21/202466.本节课结束（167）n谢谢！4/21/202467.4/21/202468.