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1、第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.1 PN结的形成及特性2.2 半导体二极管2.3 二极管的常用模型和分析方法2.4 稳压二极管2.5 常用二极管电路,内容,阅读：教材 第2章,模拟电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,PN结的形成 PN结的单向导电性,2.1 PN结的形成及特性,关键问题 什么是PN结的单向导电性？,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.1 PN结的形成及特性,【例1.2-1】已知在T=300K时本征硅受激产生的电子浓度为1.431010cm-3，而本征硅原子浓度为5.11022cm-3，如果在本征硅中掺入十亿分之一的施主杂质，即，杂质浓度为，此时的杂质半导
2、体中空穴浓度、电子浓度分别是多少？解：此时的电子浓度：nNd空穴浓度为：,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,1.PN结的形成,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,2.PN结的单向导电性,外加正向电压,阻挡层内的总电场减弱，空间电荷总量减少；空间电荷区变窄；势垒区的电位差减小。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.1PN结的形成及特性,2.PN结的单向导电性,外加反向电压,阻挡层内的总电场增强，空间电荷总量增加；空间电荷区变宽；势垒区的电位差增大。,关键问题 什么是二极管的门坎电压？为什么使用二极管时要注意不要超过最高反向工作电压V
3、BR？,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.2 半导体二极管,半导体二极管二极管的伏安特性,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,1.半导体二极管,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,当vD 0,且 时,当vD 0,且 时，,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,例：已知PN结在T=300K时，,m=1,求 及 时的结电流。,解：当 时，PN结上为正偏压，有,当 时，PN结上为负偏压，有,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,第二讲 半
4、导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,正向特性,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,反向特性,对Si二极管而言，一般地 VBR 4伏-齐纳击穿；VBR 7伏-雪崩击穿；4伏 VBR 7伏-两种击穿都有,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.二极管的V-I特性,例：Si二极管I-V特性曲线如图，把Si管接入电路，求二极管上的电压降和通过二极管的电流。,解：电路方程 E=iDR+vD,从图中查出，ID=7(mA),VD=0.8(V),第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.2半导体二极管,2.
5、二极管的V-I特性,温度对正向特性的影响,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.3 二极管的常用模型和分析方法,关键问题 什么是二极管的理想开关模型和恒压源模型？模型分析法的实质是什么？,常用的二极管模型二极管的分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,1.常用的二极管模型,理想二极管开关模型,正向导通，VD=0(内阻r=0)，相当于开关闭合 c,反向截止，IS=0(内阻r=)，相当于开关断开。,1.常用的二极管模型,恒压源模型,Si管：Von0.7(V)（实际：0.60.8）Ge管：Von0.2（V）,V Von，D通，通后压降为Von,V Von
6、，D止，Is0，,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,1.常用的二极管模型,交流小信号模型（微变等效）,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,2.分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,解析法 模型分析法(等效电路分析法),2.分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.3二极管的常用模型和分析方法,例，如图，已知E和vi(微小变化电
7、压)，求iD、vD。,解：设vi=0，,E=0，,叠加交，直流量，,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.4 稳压二极管,关键问题 稳压管为什么能够起到稳压的作用？,稳压管是利用PN结的反向击穿特性所具有的稳压性能而做成的，是一种用特殊工艺制造的面结型Si半导体二极管。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.4稳压二极管,稳压管Dz的伏安特性,反向击穿电压为VBR=-Vz,Dz的反向击穿特性越陡，稳压特性越好。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.4稳压二极管,稳压管的主要参数,Vz：Dz中I为额定电流时，稳压管两端的电压值。,Iz：Dz正常工作时的参考电流值。（Iz min）,
8、rz：rz随工作电流不同而变。,Pz：额定功耗。Pz=Iz maxVz,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路,2.5 常用二极管电路,关键问题 二极管常用电路的理解和分析,限幅和箝位电路多二极管电路整流电路 整流滤波电路 稳压管电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,1.限幅和箝位电路,串联下限幅电路,当viVon时，二极管导通，vo vi；viVon时，二极管截止，vo=0。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,1.限幅和箝位电路,并联上限幅电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,1.限幅和箝位电路,双向限幅电路,第
9、二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,1.限幅和箝位电路,箝位电路,第一个T/4时间，当vi大于二极管的导通电压Von时，二极管导通，电容C充电，,vi 到达峰值,vc=Vim-Von vi下降。理想情况下，电容不放电，,当vi下降到与 vc值相等时，二极管变为反偏。输出,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,1.限幅和箝位电路,箝位电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,2.多二极管电路,例1，电路如图，判断图中二极管是导通还是截止，并确定输出电压Vo，设二极管Von=0.7V。,将D1、D2断开，,对D1管，有VD1=Va
10、-Vb1=15-0=15V；,接入二极管后，,D2管优先导通，将电位限制在 Va=-10V+0.7V=-9.3V，此时D1因承受反向压降而截止。,所以，Vo=-9.3V。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,2.多二极管电路,例2，求如图所示电路当Vi=0V、Vi=4V时输出电压和二极管上的电流。二极管的Von=0.7V。,当Vi=0V时：,当Vi=4V时：,Vo=3.3+0.7=4(V),iD1=iR2-iD2=0.63(mA),iD1=0，Vo=1.2+0.7=1.9(V),第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,2.多二极管电路,例2电路的输出
11、与输入特性曲线,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,2.多二极管电路,例2电路中D1和D2的电流,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,2.多二极管电路,二极管与逻辑电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,2.多二极管电路,二极管或逻辑电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.发光二极管电路,发光二极管（LED）由砷化镓等化合物半导体材料制成，它能将电流转化为光信号,也就是将电能转化为光能。,如果二极管正偏，电子和空穴注入空间电荷区成为过剩少子。这些少子扩散到N区或 P区，在那里与多子复合，复合
12、时会发出光子。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路,整流电路是二极管的一个重要应用。是小功率（200W以下）直流稳压电源的组成部 分。其主要功能是利用二极管的单向导电性，将市电电网的单相正弦（AC）单方向脉动（DC）（后经滤波、稳压直流电源）。即，整流是将交流电转化成单一极性的直流的过程。,可用二极管的理想模型分析这类电路。,工作原理 电路分析,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路工作原理,单相半波整流,利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压只有半个周期可以到达负载，造成负载电压Vo是单方向的脉动直流电压。,特点
13、：电路结构简单，脉动大。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路工作原理,单相桥式全波整流,电桥的简化符号：,特点：输出电压高；波纹电压较小（脉动小）；Tr在正负半周都有电流供给RL，效率较高。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路电路分析,分析整流电路的性能时，主要考察四项参数：整流电路的输出电压平均值（直流电压）Vo（AV）整流电路的输出电压脉动系数S整流二极管正向平均电流ID（AV）整流管的反向峰值电压VRM,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路电路分析,1）Vo（AV）：输出电压在
14、一个周期内的平均值。（即输出电压的直流分量）,半波整流：,全波整流：,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路电路分析,2）S：表征整流输出波形脉动的量。,定义：,Vo1M指的是输出电压的基波峰值,半波整流：,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路电路分析,2）S：表征整流输出波形脉动的量。,定义：,Vo1M指的是输出电压的基波峰值,全波整流:,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3.整流电路电路分析,3）ID（AV）,半波整流:,全波整流:,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,3
15、.整流电路电路分析,4）VRM：二极管承受的最大反向峰值电压VRM。,半波整流：处于负半周时，二极管截止，承受的最大反向电压为,全波整流：v2 0时，D1、D3通，D2、D4止，v2 0时，D2、D4通，D1、D3止，,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,4.整流滤波电路电容整流滤波电路,单相桥式整流滤波电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,4.整流滤波电路电容整流滤波电路,讨论：加了电容滤波后，输出电压直流成分提高了（输出电压的平均值增加）加了电容滤波后，输出电压的脉动成分减小。电容放电的d=RLC放电过程则输出电压，同时脉动成分，滤波效果
16、。,当RLC，VO(AV)=应选择C大，RL大。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,4.整流滤波电路电容整流滤波电路,讨论：电容滤波电路中二极管的导电时间缩短了。,导电角180，且d,导电角。因此，整流管在短暂的导电时间内流过一个很大的冲击电流，对管子的寿命不利。所以必须选择较大容量的整流二极管。,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,4.整流滤波电路电感整流滤波电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,稳压原理,限流电阻R的选择,主要指标,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳
17、压管电路,当RL不变：（输入电压变大）VI IR VOIz IO,当VI不变:（负载变小）RLVOIZIO,稳压原理,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,限流电阻R的选择,设Dz的工作点在IZ minIZIZ max电网电压最高时整流输出VI max，最低为VI min 负载电流Io的最小值为IO min，最大为IO max,当VI max和IO min，IZ的值最大：,当VI min和IO max，IZ的值最小：,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,设 Imin=4mA,Imax=40mA,rz=0,What a
18、re the minimum and maximum input voltages for these currents?,Solution:For the minimum zener current,the voltage across the 1.0k resistor is VR=IminR=4(V)Since VR=Vin-Vz,Vin=VR+Vz=14(V)For the maximum zener current,the voltage across the 1.0k resistor is VR=ImaxR=40(V)Therefore,Vin=VR+Vz=50(V),第二讲 半
19、导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,Design Verification:Apply Thevinens Equivalent to simplify,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,If VDD=15 V instead of 12 what is Vout?,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,If RL=8 K instead of 10 K;what is Vout?,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,5.稳压管电路,主要指标,电路输出电阻：,稳压系数Sr:,第二讲 半导体二极管及常用二极管电路 2.5常用二极管电路,Ch2作业：习题:2.5；2.6；2.8；2.24；*问题研究2*小设计2、3*Ch3 问题2 1）4）,
