模擬電子技術(shù)-二極管基礎(chǔ)知識

模擬電子技術(shù)第1頁，共53頁。緒論第2頁，共53頁。0.1電子系統(tǒng)概述0.2模擬信號與數(shù)字信號0.3電路仿真軟件簡介第3頁，共53頁。

0.1電子系統(tǒng)概述

當(dāng)今世界已進(jìn)入電子信息化時(shí)代，各式各樣的電子系統(tǒng)已經(jīng)被用于電力、通信、控制、計(jì)算機(jī)、自動化等工業(yè)領(lǐng)域，并廣泛應(yīng)用于社會的其它各個(gè)領(lǐng)域，給人們的工作、學(xué)習(xí)和生活帶來了巨大的變化。電子系統(tǒng)在我們的日常生活中是很常見的。

凡是可以完成一個(gè)特定功能的完整的電子裝置都可以稱為是電子系統(tǒng)。一個(gè)復(fù)雜的電子系統(tǒng)是由子系統(tǒng)或一些功能塊所組成。它主要由信號的發(fā)射端、信號的傳輸信道和信號的接收端所組成。第4頁，共53頁。信息源是指需要傳送的原始信息，一般是非電物理量。如語言、音樂、圖像、文字、數(shù)據(jù)等。因此，這些原始信息需經(jīng)過輸入換能器轉(zhuǎn)換成攜帶欲傳送信息的電信號（稱為基帶信號）后，方可送入發(fā)送設(shè)備，將其變成適合于信道傳輸?shù)碾娦盘枴Ｈ粜鑲魉偷男畔⒈旧硪咽请娦盘枙r(shí)，則可直接送入發(fā)送設(shè)備。發(fā)送設(shè)備的作用是將基帶信號變換（調(diào)制）成適合信道傳輸特性的頻帶信號（稱為調(diào)制信號）并放大到信號發(fā)射所需要的功率。信道又稱為傳輸媒介，是連接發(fā)、收兩端的信號通道。通信系統(tǒng)中的信道分為兩大類：一類是有線信道，如架空明線、電纜、光纖等；另一類就是無線信道，如自由空間、地球表面等。信號的接收端由接收設(shè)備、輸出換能器和受信者組成。接收設(shè)備的作用是接收信道傳送過來的已調(diào)波信號并進(jìn)行處理（解調(diào)），以恢復(fù)出與發(fā)射端相一致的基帶信號，然后經(jīng)由輸出換能器變換成原來形式的信息，如聲音、圖像等，供受信者使用。第5頁，共53頁。0.2模擬信號與數(shù)字信號模擬信號，是指“模擬”物理量的變化（如聲音、溫濕度等的變化）所得出的電壓或電流信號。模擬信號的特點(diǎn)是，在時(shí)間和幅值上均是連續(xù)的，在一定動態(tài)范圍內(nèi)取任意值。第6頁，共53頁。數(shù)字信號是離散的、不連續(xù)的信號。數(shù)字信號的幅值是有限的，通常用二進(jìn)制（例如只有兩種可能的幅值）來表示。電腦鍵盤的輸出屬于典型的數(shù)字信號。根據(jù)電子系統(tǒng)工作時(shí)所處理的信號形式的不同，通常將電路分為模擬電路和數(shù)字電路兩大類。處理模擬信號的電路稱為模擬電路，而處理數(shù)字信號的電路則稱為數(shù)字電路。第7頁，共53頁。0.3電路仿真軟件簡介隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，電子電路的分析與設(shè)計(jì)手段發(fā)生了重大變革，電路設(shè)計(jì)可以通過計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（ComputerAidedDesign，簡稱CAD）和仿真技術(shù)來完成。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，可以代替大包大攬的試驗(yàn)電路，大大減輕驗(yàn)證階段的工作量；其強(qiáng)大的實(shí)時(shí)交互性、信息的集成性和生動的直觀性，為電子專業(yè)教學(xué)創(chuàng)設(shè)了良好的平臺，極大地激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；能夠突出教學(xué)重點(diǎn)、突破教學(xué)難點(diǎn)；并能保存仿真中產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)，為整機(jī)檢測提供參考數(shù)據(jù)，還可保存大量的單元電路、元器件的模型參數(shù)。采用仿真軟件能滿足電子電路整個(gè)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證過程的自動化。第8頁，共53頁。常見的電路仿真軟件有EWB，Protel，ORCAD，PSPIC，Multisim等等。目前比較流行的電路仿真軟件是multisim和Pspice。Multisim是一個(gè)專門用于電子線路仿真與設(shè)計(jì)的EDA工具軟件。它的前身為加拿大InteractiveImageTechnologies公司（簡稱IIT公司）于20世紀(jì)80年代推出的EWB（ElectronicsWorkbench）軟件。它以其界面形象直觀、操作方便、分析功能強(qiáng)大、易學(xué)易用等突出優(yōu)點(diǎn)，早在20世紀(jì)90年代就在我國得到迅速推廣，并作為電子類專業(yè)課程教學(xué)和實(shí)驗(yàn)的一種輔助手段。作為Windows下運(yùn)行的個(gè)人桌面電子設(shè)計(jì)工具，Multisim是一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。而且Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)可以很好的解決理論教學(xué)與實(shí)際動手實(shí)驗(yàn)相脫節(jié)的這一老大難問題。學(xué)員可以很好地、很方便地把剛剛學(xué)到的理論知識用計(jì)算機(jī)仿真真實(shí)的再現(xiàn)出來。并且可以用虛擬儀器技術(shù)創(chuàng)造出真正屬于自己的儀表。極大地提高了學(xué)員的學(xué)習(xí)熱情和積極性。真正的做到了變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)。第9頁，共53頁。第1章半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第10頁，共53頁。學(xué)習(xí)目標(biāo)了解半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦粤私獍雽?dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)及類型，掌握二極管的伏安特性及主要參數(shù)掌握二極管的分析方法和基本應(yīng)用了解常用特殊二極管及其應(yīng)用第11頁，共53頁。1.1半導(dǎo)體的基本知識1.2半導(dǎo)體二極管1.3

半導(dǎo)體二極管電路的分析方法及其應(yīng)用1.4

特殊二極管*1.5電路仿真實(shí)例第12頁，共53頁。1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1.1半導(dǎo)體的概念及特性自然界中所有的物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能的不同劃分為：導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。導(dǎo)體一般為低價(jià)元素，如金、銀、銅、鋁等；絕緣體一般為高價(jià)元素，如橡膠、塑料、木材等；顧名思義，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

第13頁，共53頁。半導(dǎo)體材料之所以可制成各種電子器件，是因?yàn)槠渚哂幸韵陋?dú)特性質(zhì)：光敏性：在光照條件下，其導(dǎo)電性能將顯著增加。利用光敏性可制成光敏元件。熱敏性：在熱輻射條件下，其導(dǎo)電性能也將顯著增加。利用熱敏性可制成熱敏元件。摻雜性：摻入特定的雜質(zhì)元素時(shí)，其導(dǎo)電性能顯著增加，并具有可控性。第14頁，共53頁。1.本征半導(dǎo)體及其特性第15頁，共53頁。（1）本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體－－純凈的具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖第16頁，共53頁。（2）本征半導(dǎo)體的特性載流子－－可移動的電荷?？昭ǎ矁r(jià)鍵吸附引起的載流子。在一定溫度下，本征半導(dǎo)體中載流子的產(chǎn)生和復(fù)合兩種運(yùn)動將達(dá)到動態(tài)平衡。

第17頁，共53頁。硅和鍺的本征載流子濃度與溫度的關(guān)系為：顯然，本征載流子的濃度對溫度十分敏感，隨溫度的上升而迅速增大，這正是半導(dǎo)體的重要特性—熱（或光）敏性。但在室溫時(shí)，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，且不受控制，故不能直接用于制作半導(dǎo)體器件。第18頁，共53頁。2.雜質(zhì)半導(dǎo)體及其特性（1）N型半導(dǎo)體（電子型半導(dǎo)體）制作－－擴(kuò)散工藝＋少量特定雜質(zhì)第19頁，共53頁。（2）P型半導(dǎo)體（空穴型半導(dǎo)體）第20頁，共53頁。（3）雜質(zhì)半導(dǎo)體的特性載流子的濃度多子濃度取決于雜質(zhì)的濃度雜質(zhì)半導(dǎo)體的電中性在無外加電場條件下，雜質(zhì)半導(dǎo)體是呈現(xiàn)電中性的。轉(zhuǎn)型第21頁，共53頁。1.1.2PN結(jié)的形成及其特性1．PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動－－由濃度高向濃度低運(yùn)動漂移運(yùn)動－－電場驅(qū)動的載流子運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動（多子）與漂移運(yùn)動（少子）的平衡形成PN結(jié)第22頁，共53頁。2．PN結(jié)的特性（1）PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷海ɑ蛘蚱秒妷海喎Q正偏）擴(kuò)散運(yùn)動加劇,漂移運(yùn)動減弱,多子擴(kuò)散形成電流，處于正向?qū)顟B(tài)。

第23頁，共53頁。外加反向電壓（或反向偏置電壓，簡稱反偏)空間電荷區(qū)變寬，多子擴(kuò)散電流為零，PN結(jié)呈現(xiàn)很高的電阻，處于反向截止?fàn)顟B(tài)。少子的漂移運(yùn)動增強(qiáng)，形成電流。第24頁，共53頁。3.PN結(jié)的電容效應(yīng)（1）勢壘電容（2）擴(kuò)散電容

PN結(jié)正向偏置，擴(kuò)散電容較大；PN結(jié)反向偏置時(shí)，擴(kuò)散電容很小，可以忽略不計(jì)。第25頁，共53頁。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)、類型及特點(diǎn)

1.二極管的結(jié)構(gòu)2.二極管的類型及特點(diǎn)（1）點(diǎn)接觸型（2）面接觸型（3）平面型第26頁，共53頁。1.2.2二極管的伏安特性及主要參數(shù)1.二極管的伏安特性（1）二極管的伏安特性方程

i為流過PN結(jié)的電流，IS為流過PN結(jié)的反向飽和電流第27頁，共53頁。（2）二極管的伏安特性曲線正向特性在AB段，,電流近似為0，稱為死區(qū)。在BC段，電流按平方律上升；在CD段，電流近似線性規(guī)律迅速上升。

第28頁，共53頁。反向特性:

這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向電壓作用下的漂移運(yùn)動形成微弱的反向電流IS，且?guī)缀醪浑S反向電壓的增大而增大。但反向電流IS隨溫度的變化。反向擊穿特性:

當(dāng)反向電壓大于UBR(反向擊穿電壓)時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為二極管的擊穿。（3）溫度對二極管伏安特性的影響

溫度上升，二極管的正向特性曲線左移（正向壓降減?。?，反向特性曲線下移（反向電流增大）。

第29頁，共53頁。2.二極管的主要參數(shù)（1）最大整流電流IFM（2）最高反向工作電壓URM（3）反向擊穿電壓UBR（4）反向電流IR（5）最高工作頻率fM第30頁，共53頁。1.2.3半導(dǎo)體分立器件型號命名方法第31頁，共53頁。1.3半導(dǎo)體二極管電路的分析方法及其應(yīng)用1.3.1二極管電路的分析方法二極管是一種非線性器件，含有二極管的電路是非線性電路。分析設(shè)計(jì)方便，將二極管的伏安特性進(jìn)行線性化處理，并建立相應(yīng)的“線性模型”。1.理想模型2.恒壓源模型第32頁，共53頁。3.折線模型4.小信號模型（微變等效電路）

第33頁，共53頁。1.3.2半導(dǎo)體二極管的基本應(yīng)用電路1.整流與檢波電路

整流與檢波電路的工作原理相同，都是利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，將交變的雙向信號轉(zhuǎn)變成單向脈動的信號。2.鉗位電路【例1.1】如圖所示為一鉗位電路，設(shè)二極管的正向壓降為0.7V。試分析電路的輸入與輸出之間的關(guān)系。第34頁，共53頁。3.限幅電路【例1.2】如圖所示為一雙向限幅電路。設(shè)直流電壓源U1=-U2。輸入信號ui為正弦信號，ui=Umsinwt，且Um>U1，試分析工作原理，并作出輸出電壓uo的波形。第35頁，共53頁。1.4特殊二極管1.4.1穩(wěn)壓二極管及其應(yīng)用1.穩(wěn)壓管的伏安特性和電路符號第36頁，共53頁。2.穩(wěn)壓管的工作原理在反向擊穿時(shí)，在一定的電流范圍內(nèi)，端電壓幾乎不變，即能夠起到穩(wěn)壓的作用。3.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）穩(wěn)定電流IZ（3）動態(tài)電阻rZ：rZ越小，穩(wěn)壓越好。（4）最大允許耗散功率PZM4.使用穩(wěn)壓管的注意事項(xiàng)（1）穩(wěn)壓管應(yīng)工作在反向擊穿狀態(tài)。（2）穩(wěn)壓管的工作電流范圍為IZmin~IZmax（3）穩(wěn)壓管工作時(shí)必須串聯(lián)限流電阻。（4）穩(wěn)壓管可以串聯(lián)使用，但不可并聯(lián)使用。第37頁，共53頁。5.典型應(yīng)用

（1）并聯(lián)式穩(wěn)壓電路

第38頁，共53頁。負(fù)載電阻不變，輸入電壓Ui變化時(shí)：輸入電壓Ui不變，負(fù)載電阻變化時(shí)：

第39頁，共53頁。（2）限幅電路第40頁，共53頁。1.4.2其它常用二極管簡介1.變?nèi)荻O管第41頁，共53頁。【例題1.3】分析變?nèi)荻O管典型應(yīng)用電路。第42頁，共53頁。2.發(fā)光二極管

發(fā)光二極管以其功耗低、體積小、色彩艷麗、響應(yīng)速度快、抗震動、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用作電子設(shè)備的顯示器件（如音響設(shè)備中的電平指示器、電源指示器），可單個(gè)使用，也可制作成7段式顯示器或矩陣式顯示器。第43頁，共53頁?！纠}1.4】分析發(fā)光二極管用作電源指示器的電路。第44頁，共53頁。3.光電二極管第45頁，共53頁?！纠}1.5】分析采用光電二極管設(shè)計(jì)的光控節(jié)能路燈電路。第46頁，共53頁。二極管的選用原則1.選用二極管的一般原則(1)要求正向壓降小時(shí)，應(yīng)選擇鍺管；要求反向電流小時(shí)，應(yīng)選擇硅管。(2)要求工作電流大時(shí)，應(yīng)選擇面接觸型二極管；要求工作頻率高時(shí)，應(yīng)選擇點(diǎn)接觸型二極管。(3)要求反向擊穿電壓高時(shí)，應(yīng)選擇硅管。(4)要求耐高溫時(shí)，應(yīng)選擇硅管。第47頁，共53頁。2.使用二極管的注意事項(xiàng)

（1）在電路中應(yīng)按注明的極性進(jìn)行連接。（2）同一型號的整流二極管方可串聯(lián)、并聯(lián)使用。在串聯(lián)或并聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)視實(shí)際情況決定是否需要加入均衡（串聯(lián)均壓、并聯(lián)均流）電阻。（3）引出線的焊接或彎曲處，離管殼距離不得小于10mm。為防止因焊接時(shí)過熱而損壞，應(yīng)使用小功率的電烙鐵，焊接時(shí)間不應(yīng)超過2～3s。（4）工作在高頻或脈沖電路中的二極管，引線要盡量短。（5）切勿超過手冊中規(guī)定的最大允許電流值和電壓值。（6）二極管的替換：硅管和鍺管不能互相代用；所替換的二極管的主要參數(shù)要高于被替換的二極管；根據(jù)工作特點(diǎn)，還應(yīng)考慮其他特性，如最高工作頻率及開關(guān)速度等。第48頁，共53頁。*1.5電路仿真實(shí)例【例題1.6】分析二極管鉗位電路解：利用Multisim分析【例1.1】中圖1.14所示的鉗位電路。首先打開Multisim10.0軟件開發(fā)環(huán)境，然后按圖1.14繪出電路，如圖1.25所示，最后進(jìn)行仿真，得到如圖1.26的分析結(jié)果?！痉抡鎴D】第49頁，共53頁。【例題1.7】分析二極管單向限幅電路

解：利用Multisim分析如圖1.27所示的二極管組成的單向限幅電路。首先打開Multisim10.0軟件開發(fā)環(huán)境，然后按圖1.27繪畫電路，最后進(jìn)行仿真得到如圖1.28的分析結(jié)果?！痉抡鎴D】圖1.27圖1.28第50頁，共53頁。本章內(nèi)容主線：半導(dǎo)體基本知識→PN結(jié)及其特性→半導(dǎo)體二極管→二極管電路的分析方法及應(yīng)用→常用特殊二極管簡介。1、半導(dǎo)體材料具有熱敏性、光敏性和摻雜性。在本征半導(dǎo)體中摻入不同雜質(zhì)便形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體，通過控制摻入雜質(zhì)的多少就可以有效地改變其導(dǎo)電性。半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，這是不同于金屬導(dǎo)電的重要特點(diǎn)。2、將N型和P型兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體制作在同一個(gè)硅片（或鍺片）上，在其交接面處會形成PN結(jié)，PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的重要環(huán)節(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?、反向擊穿特性、溫度特性和電容效?yīng)。小結(jié)第51頁，共53頁。3、將一個(gè)PN結(jié)封裝并引出電極后便構(gòu)成半導(dǎo)體二極管，主要有點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型。半導(dǎo)體二極管具有跟PN結(jié)一樣的特性。常用伏安特性（）來描述半導(dǎo)體二極管的性能，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為。二極管的主要參數(shù)有最大整流電流

和反向擊穿電壓等，這些參數(shù)是實(shí)際工作中合理選用和正確使用器件的主要依據(jù)。4、二極管電路的分析方法，主要采用模型分析法。在分析電路的靜態(tài)情況時(shí)，若精度要求不高時(shí)，一般選擇理想模型；若精度要求較高時(shí)且外加電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管壓降（一般為10