武汉理工大学模电课件模电电信02.ppt

2014,电子技术精品课程-模拟电子技术基础,2.1 半导体基础知识,2.2 PN结,问题：1）什么是PN结？2）PN结的特点？(结合特性曲线),2.3 半导体二极管,问题：,1）二极管D的符号，特性？2）二极管电路的等效模型？,3）二极管电路的分析步骤？,2.4 稳压二极管（自主学习）,2.5 其他类型二极管（自主学习）,问题：,1）稳压管的特点、原理？,2）稳压管电路的分析方法，并与普通二极管的比较？,3）发光二极管LED的特性？（与普通二极管比较）,4）LED的驱动条件？,*5）光电二极管的应用？,2 半导体基础及二极管(P14),2.3 半导体二极管,问题：,1）二极管D的符号，特性2）二极管电路的等效模型？,3）二极管电路的分析步骤？,2.4 稳压二极管（自学）,2.5 其他类型二极管（自学）,问题：,1）稳压管的特点、原理？,2）稳压管电路的分析方法，并与普通二极管的比较？,3）发光二极管LED的特性？（与普通二极管比较）,4）LED的驱动条件？,*5）光电二极管的应用？,*6）变容二极管、肖特基二极管的特点？,2 半导体基础及二极管,基本要求:,1)了解PN结的形成过程、相关概念,2)掌握Pn结的基本特性,3)熟悉,二极管的V-I特性及其等效模型,4)掌握二极管(包括稳压管)基本电路的分析方法,5)了解发光二极管的应用,作业：,2(2.1.2)、3(1.3)任一4c(2.1.4c)，6(2.1.6)、7(1.7)，9(2.2.2)、10(2.3)、12(2.5),(至少一题仿真，可以全交仿真作业，但是必须配有解题分析过程）,2 半导体基础及二极管,2,.1.1,本征半导体,2,.1.2,杂质半导体,2,.1.3,载流子的漂移运动和扩散运动,问题：1）什么是多子、少子？2）多子、少子产生的原因？3）载流子的运动方式有几种？与多子、少子的关系？,2.1 半导体基础知识,典型的半导体有,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等。,导电能力,(,电阻率,),导体,半导体,绝缘体,半导体的导电性能在不同条件下有着显著的差异,热敏性,光敏性,掺杂性,主要特性,热敏电阻,光电二极管和光电三极管及光敏电阻,二极管、三极管、场效应管,2,.1.1,本征半导体,半导体材料是一种晶体材料,+4,价电子,+4,1.本征半导体的晶体结构,呈电中性,半导体的导电性取决于价电子。,硅和锗的原子结构及简化模型,2,.1.1,本征半导体,硅和锗的晶体结构,邻近原子之间以共价键相连，每个原子最外层形成拥有,8,个共有电子的稳定结构,1.本征半导体的晶体结构,在绝对0度及没有外界激发时，本征半导体相当于绝缘体。,本征半导体,化学成分纯净的、结构完整的半导体晶体。,2,.1.1,本征半导体,当本征半导体受热或光照时，会？,空穴,共价键中的电,子挣脱束缚成为,自由电,子,后，在共价键中留下,的空位。半导体的特点,电子,空穴对,由本征激发(热激发)而产生的自由电子和空穴对,。,本征半导体中电子空穴数量相等，室温下数量少，导电性差。,电子空穴的移动,2.本征半导体的两种载流子,2,.1.1,本征半导体,半导体中有,2,种,载流子,电子和空穴，,空穴可视为带正电的,离子，所带电量与电子相等，符号相反；空穴的移,动方向与电子的相反，表示了电流的方向,空穴的移动,空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次,充填空穴来实现的，是虚拟的。,自由运动的带电粒子,电子空穴的,复合、,移动,2.本征半导体的两种载流子,2,.1.1,本征半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体,的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。,N,型半导体,掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,P,型半导体,掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,2.1.2 杂质半导体,1.,N型半导体,五价杂质原子中多余的一个价电子无共价键束缚而很容易形成自由电子。,N,型半导体中,自由,电子是多数载流子，,它主要由杂质原子提供,；,空穴是少数载流子,由热激发产生。,提供自由电子的五价杂质原子(,施主杂质),因带正电荷而成为,正离子,2.1.2 杂质半导体,2、P型半导体,三价杂质原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,P,型半导体中,空穴是多数载流子，,它主要由杂质提供,；,自由,电子是少数载流子，,由热激发产生。,空穴很容易俘获电子,(,受主杂质,),，使杂质原子成为,负离子,。,2.1.2 杂质半导体,2.1.3,载流子的漂移运动和扩散运动,漂移运动,载流子在电场作用下的定向运动。,空穴的移动方向与电场方向一致；,自由电子的移动方向与电场方向相反。,扩散运动,因载流子的浓度差而引起的载流子运动。载流子从浓度,高的区域向浓度低的区域的运动。,2.2 PN结,2.2,.1,PN结的形成,2.2,.2,PN结的单向导电性,2.2,.3,PN结的反向击穿,2.2,.4,PN结的电容效应,问题：1）什么是PN结？,2）PN结的特点？(结合特性曲线),3)什么是PN结的反向击穿？,4）PN结的等效电路？,PN,结的形成过程,PN,结,P,型和,N,型半导体结合面离子薄层形成的,空间电荷区,。,其中由于缺少多子又称,耗尽层,；还称,势垒区,。,2,.2.1,PN结的形成,什么是PN结？,浓度差,空间电荷区形成,内电场,内电场促使少子,漂移,内电场阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的,扩散,并,复合,由,杂质离子形成,空间电荷区,PN,结的形成过程,2,.2.1,PN结的形成,2,.2.2,PN结单向导电性,通过对,PN,结,外加电压来讨论,1.外加正向电压,PN,结正偏时的导电情况,特性：低电阻,大的正向扩散电流,PN,结的伏安特性,P,区的电位高于,N,区的,正偏,P,区的电位低于,N,区的电位,反偏,2.外加反向电压时,PN,结反偏时的导电情况,特性：,高电阻,很小的反向漂移电流,在一定的温度下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，,这个电流也称为,反向饱和电流,。,2,.2.2,PN结单向导电性,综上所述,PN,结正偏时，呈现低电阻，具有,较大的正向扩散电流；,PN,结反偏时，呈现高电阻，具有,很小的反向漂移电流。,结论：,PN,结具有单向导电性。,2,.2.2,PN结单向导电性,PN结反偏时，在一定电压范围内电流为很小的反向饱和电流，当反向电压超过某值后，反向电流急剧增加。,反向击穿,当,PN,结的反向电压,增加到一定数值时，反向电流突然,快速增加的现象,热击穿,PN,结烧毁，不可逆,雪崩击穿,反向电场使电子加,速，动能增大，撞击,使自由电子数突增。,齐纳击穿,反向电场太强，,将电子强行拉出,共价键,电击穿,PN 结未损坏，断电即恢复，,可利用。,2,.2.3,PN结的反向击穿,电容效应-电压变化引起电荷变化，C=Q/V。,PN结两端加上电压，引起电荷变化，即电容效应。,(1,)势垒电容,C,B,由阻挡层内部空间电荷引起，势垒区的空间电荷随外加电压变化而产生的电容效应。,势垒电容示意图,2,.24,PN结的电容效应,扩散电容,C,D,外加电压的作用下扩散到,P,区或,N,区的少子在扩散过程中的积累,高频时,PN,结等效为：,结电容,包括,C,B,和,C,D,；,正偏时,r,小,C,大,(C,D,),；反偏时，,r,大,C,小,(C,B,),结面积小结电容小，工作频率高,r,C,扩散电容示意图,N,区中的少子空穴,2,.2.4,PN结的电容效应,2.3.1,二极管的结构,2.3.2,二极管的伏安特性,2.3.3,二极管的主要参数,2.3 半导体二极管,2.3 半导体二极管,2.3.4,二极管的等效模型,2.3.5,二极管应用电路,2.3.1,二极管的结构,(1),点接触型二极管,(1)点接触型,二极管的结构示意图,构成：,PN,结,+,引线,+,管壳,二极管,分类：,按材料分,硅二极管,锗二极管,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,特点：,PN,结面积小，结电容,小，用于高频检波、,变频和小电流整流,符号：,阳极(+),阴极(-),(3),平面型二极管,(2),面接触型二极管,(2),面接触型,特点：,PN,结面积大，用于,低频大电流整流,特点：,在集成电路制造艺中采用，,PN,结面积可大可小，用于,高频整流和开关电路,正极引线,负极引线,(3),集成电路中平面型,P,N,P,型支持衬底,2.3.1,二极管的结构,2.3.2,二极管的伏安特性,硅二极管,2CP10,的,V,-,I,特性,锗二极管,2AP15,的,V,-,I,特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,开启/门坎/死区电压,0.5V,0.1V,实质同,PN,结特性,2.3.3,二极管的主要参数,(1),最大整流电流,I,F,最大正向平均电流,(2),反向击穿电压,V,BR,和最大反向工作电压,V,RM,=,V,BR,/2,(3),反向电流,I,R,越小单向导电性越好,(4),正向压降,V,F,(5),极间电容,C,B,势垒电容,C,B,扩散电容,C,D,正偏时,r,小,C,大,(C,D,),；反偏时，,r,大,C,小,(C,B,),二极管是非线性器件，一般用线性器件来等效模拟分析。常用的二极管等效模型有：,理想模型；恒压降模型；折线模型。,理想模型-,-用理想二极管(,理想电子开关,。,正向导通：,正向电阻为0，正向压降为0；,反向截止：,反向电阻为,，反向电流为0,)代替实际二极管。,2.3.4,二极管的等效模型,正偏导通,v,D,=0,；,反偏截止,i,D,=0,二极管是非线性器件，一般用线性器件来等效模拟分析。常用的二极管等效模型有：,理想模型；恒压降模型；折线模型。,恒压降模型,-考虑二极管的正向导通电压为恒定不变的，用,理想二极管,+,二极管的恒定正向压降V,on,代替实际二极管，即在理想模型上串联一个恒压源,V,on,。,v,D,=V,on,=0.60.7V/0.20.3VV,on,V,on,2.3.4,二极管的等效模型,二极管是非线性器件，一般用线性器件来等效模拟分析。常用的二极管等效模型有：,理想模型；恒压降模型；折线模型。,折线模型,-考虑二极管的正向导通电压为线性可变的，相当于用,理想二极管,+,二极管的门槛电压V,th,+,等效电阻r,d,=,V/I,代替实际二极管，即在理想模型上串联一个恒压源,V,th,，再串联r,d,。,r,d,v,D,=0.5/0.1+i,D,r,d,V,th,2.3.4,二极管的等效模型,*小信号模型(交流信号）,二极管工作在正向特性的某一小范围内,时，其正向特性可以等效成一个,微变电阻,即,根据,得,Q,点处的微变电导,则常温下（,T,=300K,）,2.3.4,二极管的等效模型,理想模型,折线模型,恒压降模型,适用于电源大,正偏导通,v,D,=0,；,v,D,=0.7V/0.2V,v,D,=0.5/0.1+i,D,r,d,适用于电源较小,适用于电源较小,反偏截止,i,D,=0,2.3.4,二极管的等效模型,整流,（P25）,（交流变直流）,2.3.5 二极管应用电路,分析方法：,假设二极管D断开，分别讨论其正偏、反偏时工作情况。,仿真,结论：,半波整流。(书上波形基于哪种模型？),问题：,仿真波形接近哪种模型？,双向限幅电路：如下图，设v,i,(t)=3sint,利用恒压降模型，画出输出波形。(P25),Rv,i,(t),v,o,(t),D,1,D,2,解：,恒压降模型电路为：,思考？,D,1,、,D,2,支路各串联电池，,vo,如何变化？,V,+,3,-3,0.7,-0.7,假设,D1,、,D2,断开，,D1,阴极,0.7V,，,D2,阳极,-0.7V,，,vi0.7V,D1,导通，,vo=0.7V,；,V,D,vi-0.7V,D2,导通,vo=-0.7V,；,-0.7Vvi0.7V,D1,、,D2,均截止,vo=vi,。,限幅电路,仿真,2.3.5 二极管应用电路,低电压稳压电路,多只二极管串接用于34V以下稳压,利用二极管的恒压模型的正向压降特性，v,D,0.7V,2.3.5 二极管应用电路,开关电路（即理想模型）,分析原则：,假设,D,断开，分析,D,的阳阴,(+,),极间是正向电压,还是负向电压，若是正向，则,D,导通，反之,D,截止,例2.1.1,(P26),假设D是理想的，求vi1=0V，vi2=5V的不同组合,时，vo的值,解：,当,vi1=0V,，,vi2=5V,时，,D1,正偏导通，,vo=0V,，,D2,反偏截止；,同理，可得下表,Vi2,Vi1,4.7K,Vcc,5V,D1,D2,vo,Vcc,5V,Vi1,Vi2,D1,D2,vo,4.7K,理想模型,2.3.5 二极管应用电路,输入电压,理想二极管,输出,电压,U,i1,U,i2,D,1,D,2,0 V,0 V,正偏,导通,正偏,导通,0 V,0 V,5 V,正偏,导通,反偏,截止,0 V,5 V,0 V,反偏,截止,正偏,导通,0 V,5 V,反偏,截止,反偏,截止,5 V,5 V,逻辑“与”,2.3.5 二极管应用电路,二极管电路分析方法：,1）确定模型；,2）画出模型等效电路；,3）假设理想二极管断开，分析二极管阳极、阴极端电位，判断偏置状态；,4）根据要求具体求解；,二极管的应用：,整流、限幅、稳压、开关电路、保护,2.3.5 二极管应用电路,2.4.1,稳压二极管的伏安特性,2.4 稳压二极管,2.4.2,稳压二极管的主要参数,2.4.1 稳压二极管的伏安特性,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。一般为硅管。,(a),符号,当正偏以及反偏电压小于稳压值且反偏电流不够大时特性同普通二极管；,当反偏电压大于稳压值且电流符合要求起稳压作用。,(b),伏安特性,(1),稳定电压,V,Z,(2),动态电阻,r,Z,-在规定的稳压管反向工作,电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,r,Z,=,V,Z,/,I,Z,(3),最大耗散功率,P,ZM,(4),最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作电流,I,Zmin,稳压条件：,I,Zmin,I,Z,I,Zmax,2.4.2 稳压二极管主要参数,(5),稳定电压温度系数,V,Z,3,）稳压电路并联式稳压电路,正常稳压时?,V,O,=,V,Z,思考？,不加,R,可以吗？,R,L,IoI,R,VoIzI,R,限流,V,I,为正弦波，且幅值大于,V,Z,Vo,稳压过程：,假设,V,I,不变,2.4 稳压二极管,思考？,稳压管电路分析方法？,2.5.1,发光二极管,2.5.2,光电二极管,2.5.3,变容二极管,2.5 其他类型二极管,2.5.4,肖特基二极管,2.5.1 发光二极管,外加正偏电压大于开启电压，且电流足够大，一般几个毫安(,510mA)，不能超过最大值（约50mA）,。亮度与正向电流成正比。,发光条件：,驱动电压低，功耗小，寿命长，可靠性高。,伏安特性：,相似于普通D，但是开启电压、正向电压较大(1.3-2.4V)。,LED,可以直接由门电路驱动。,限流,2.3.1 发光二极管,内部：,两个电极一大一小、一高一矮。一般来说，电极较小、个头较矮的一个是正极；电极较大的是负极。,外部：,新的长引脚为正。,极性判别：观察法,贴片LED,贴片二极管：,俯视，一边带彩色线的是负极，另一边是正极，如有绿色点的为负极。,指针万用表检测时，,调到“欧姆x1”档，二极管发光的的时候，红表笔连接的是的正端，黑表笔连接的是的负端。,发光LED开启门限较大，有可能数字万用表提供的电压无法启动它。,极性判别：测量法,二极管电路(含稳压管)分析方法小结：,1),分析电路，根据具体条件或题目要求,确定,二极管,模型,；,2),画,出相应二极管,模型电路,；,3),假定模型电路中理想二极管断开,，分别分析计算理想二极管阳极端和阴极端的电位；,4)比较阳极和阴极端电位的高低，判断其工作区域是正向导通、反向截止还是反向击穿,5),根据题目要求分析求解。,例题,稳压管的基本作用：,稳压器或电压基准元件,如，浪涌、过压保护，电弧抑制电路，串、并联稳压。,例,2-1:,设二极管,D1,、,D2,为理想二极管，判断它们在图,1,中是导通还是截止？并求,Uo,解：,假设,D1,、,D2,断开,D1,的阳极为,0V,，阴极为,-9V;,D2,的阳极为,-12V,，阴极为,9V;,D1,导通，,D2,截止，输出电压,=0,例题,例,2-2,：,在图,a,和,b,所示的电路中，假设,D,是理想的，其输入信号为,U,i,=10sint(v),。分别画出它们的输出波形和传输特性,Uo=f(u,i,),。,解：,假设,D,断开，图,a,，,D,的阳极,5V,，当,Ui5V,时，,D,截止，,Uo=5V,。,图,b,，,D,的阴极,5V,，,Ui5V,时，,D,导通，,Uo=5V,；,Ui0.7V,D1,导通，,vo=0.7V,；,V,D,vi-0.7V,D2,导通,vo=-0.7V,；,-0.7Vvi0.7V,D1,、,D2,均截止,vo=vi,。,R,v,i,(t)v,o,(t),D,1,D,2,*例2-4：,双向限幅电路：如下图，设v,i,(t)=3sint,V,th,=0.5V，R=1K,r,D,=200,利用折线模型，画出输出波形。(P61,2.4.7),解：,假折线模型电路为：,0.92,例题,3,-3,0.5,-0.5,假设,D1,、,D2,断开，,D1,阴极,0.5V,，,D2,阳极,-0.5V,，,-0.92,V,th,v,i,-0.5V,D2,导通,v,o,=,=(v,i,+V,th,)r,D,/(R+r,D,)-V,th,V,om,=-0.92V,；,-0.7Vv,i,0.5V,D1,导通，,v,o,=(v,i,-V,th,)r,D,/(R+r,D,)+Vth,v,om,=0.92V,；,例,2-5:,判断二极管的工作状态,判断方法：,正向偏置,V,A,V,B,，导通；,反向偏置,V,A,V,B,，截止；,解题方法：,断开二极管2AP1（理想），,求V,A,和V,B,解：,V,A,=15 10/(10+140)=1V,；,V,B,=-102/(18+2)+155/(25+5)=1.5V,；,V,A,3V时，稳压管D,Z,反向击穿稳压，v,o,v,i,3V,当0v,i,3V时，稳压管D,Z,反向击穿稳压，v,o,3V,当0v,i,3V时，稳压管反向截止，v,o,v,i,2.,12,电路如图所示，设所有稳压管均为硅管（正向导通电压为V,D,0.7V），且稳定电压V,Z,8V，已知v,i,15sint(V)，试分别画出v,O1,和v,O2,的波形。,习题解答,解：（b）2个,D,Z,反向串联，必定一个正偏，另一个反偏，假设反偏的Dz断开，,图b中，当 时，稳压管DZ1正向导通、DZ2反向击穿，vo8.7V；,当 时，稳压管DZ1反向击穿、DZ2正向导通，vo8.7V；,当 时，稳压管DZ1 和DZ2未击穿，必有一个反向截止，,vovi；,