模电第3章二极管

第三章 二极管3.1 理想二极管 3.2 结二极管端口特性 3.3 二极管正向特性建模 3.4 工作在反向击穿区域的二极管—齐纳二极管 3.5 整流电路 3.6 限幅电路与钳位电路 3.7 二极管的物理特性国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

介绍：二极管

二极管是非线性电路元件 二极管是一个单向电路元件—单向导电性 最常见的应用是整流 二极管由一个PN结构成 先研究二极管的外部特性、等效模型和基本应用，最 后研究其内部结构、原理和物理特性 二极管是一切电子器件的基础(三极管，场效应管， 集成电路)。国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

一 、二极管的结构和工作原理1. 理想二极管的符号和特性

i 正极 (阳极)

负极 (阴极)

+

v

伏安特性

符号国家实验教学示范中心

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正极 (阳极)

i

负极 (阴极)

+ i

v

i

+

v

-

+

v

-

v<0→i=0反向偏置的等效电路

i>0→v=0正向偏置的等效电路

“反向截止”状态国家实验教学示范中心

单向导电性

“正向导通”状态

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例子：求二极管的电流与端电压

+10 V

+10 V

+10 V

+10 V

10 mA

1 kΩ + 0 V -

1 kΩ

0 mA

1 kΩ 1 kΩ + 10 V -

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应用—整流器：将双极性电压转为单极性电压+ vD vI+ -

iD

D整流电路

R

+ vo + vo + vo -

+ vD vI+ -

iD

D

R

v0vp

vo=vI vo=0

vi ≥ 0+ vD vI+ -

iD

D

R

0

t

vi ≤ 0国家实验教学示范中心

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例题3.1

24 V 12 ViD

t

2 300

解:分析题意,得:当 v s 超过12V时,二极管导通,则o 24sin 12V 即 300 150,导通角为120度 … ①

二极管电流峰值为 I 24 12 0.12A … … ② d二极管两端的最大反向电压发生在负峰值时, 即24+12=36V …………… ③ 国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

100

应用——二极管逻辑门:5V-逻辑“1”; 0v-逻辑“0”

(a)Y=A+B+C国家实验教学示范中心

(b)Y=A B C

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例题3.2 解:假设两个二极管都是导通的,则

I D2

10 0 1mA … … … ① 10

B点的节点方程

0 ( 10

) I 1 , 即，I 1mA … ② 5因此D1符合最初的假设,都 是导通的,最后的结果I=1mA, V=0V。 ……… ③国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

同理,假设两个二极管是导通的,那 么 VB 0且V 0.D2 的电流 10 0 I D2 2mA … … … ① 5 B点的节点方程 …② 显然这不可能,假设错了.重新假设 D1截止,D2导通,则 I D 2 1.33mA … ③ 节点B的电压 VB 3.3V … … … ④ 因此D1符合截止的假设,最后结果 I 0,V 3.3V … … … ⑤国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

I 2

0 ( 10) ,即，I 1mA 5

另解例题3.2D1

ID2ID2

10kΩ

B5kΩ 10 V

+ V -

10 V

含二极管的直流电路分析步骤 假定所有二极管开路； 判断每个二极管上的电压，正向导 通，反向截止； 画出二极管导通或截止的等效电路 进行分析。

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I+ D1 vD1 - B

ID2- vD2 + 5kΩ 10 V

ID2

10kΩ

D1

D2

ID2

10kΩ

B

+ V -

5kΩ 10 V 10 V

+ V -

10 V

VD 2 10 10 20V VD1 10V

D1 、D2都导通

ID2

10 1mA 10国家实验教学示范中心

10 I I D 2 1mA 5

V 0

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2. 结二极管端口特性正向偏置区域

v 0正向 压缩尺度

击穿区

反向偏置区域

扩 展 尺 度

v VZK

v 0二极管伏安特性

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正向偏置区i I S (ev nVT

v>0 1)kT q

其中，IS:饱和电流，与结面积和温度有关；

VT:热电压，室温时典型值为25mV, VT k:波尔兹曼常数，1.38x10-23J/K; T:热力学温度，273+摄氏温度； Q:电荷量，1.60x10-19C

n:1~2之间的常数，取决于二极管的材料和物理结构。 一般取 n=1.国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

正向偏置区For i I S (ev nVT

v>0 1)I2

i

if i I S ,

i I S ev nVT

I1V2 nVT

For I1 I S e we have

V1 nVT

and I 2 I S e

V1

vV2

开启电压 导通电压

I2 e(V2 V1 ) / nVT I1

V2 V1 nVT ln

I2 I 2.3nVT log 2 I1 I1

c. 开启电压 V=0.5V 导通电压 0.6~0.8V 假定 VD(on) = 0.7V 导通电压与温度有关：-2mV/C0国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

反向偏置区： v 0For i I S (ev nVT

1)

且

v vZK反向击穿电压

when v 0 and | v | VT , then

iVZK

i IS

v

IS称反向饱和电流，其与温度有 关，每上升10度，反向电流增 大一倍。 击穿区 当反向电压超过特定的门限电压时就进入击穿区域，该门 限称为击穿电压。国家实验教学示范中心

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二、二极管电路的分析和应用1.电路模型及分析方法

指数模型 分段线性模型 常数压降模型 小信号模型 齐纳二极管

正向建模

击穿建模

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目的： 求解VD和ID。电路分析的方法： 提出一系列电路模型 不同模型的适用情况不同 不同模型对应的分析方法也不同

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1)指数模型

i I S (e

v nVT

1)

指数模型的图解分析: 主要用于正向区域的求解

I D I s eVD / nVT VDD VD ID R国家实验教学示范中心杭州电子科技大学电工电子实验中心 National Experimental Teaching Demonstration Center

2)分段线性模型

分段线性模型描述 iD 0, vD VD 0 (v D VD 0 ) iD , v VD 0 rD D

其中，VD0是直线B在电 压轴上的截距，rD是直 线B的斜率倒数。 其等效电路如下图：

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iDiD vD

二极管正向特性的分段线性模型及其等效电路

vD – vD0

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应用:P137 例题3.5

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mul1.html