第一章(半导体二极管及其应用电路).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1.1,半导体,的性质,1.2,PN,节的单向导电性,1.3,二极管应用电路,第一章 半导体二极管及其应用电路,1-1,半导体的性质,半导体中的电子,本征半导体,杂质半导体,PN,结,在物理学中，根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。,半导体的导电能力由于某些因素会产生显著的变化，因而受到人们的重视。,典型的半导体是,硅,Si,和,锗,Ge,，,它们都是,4,价元素,。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为,价电子,。,本征半导体：,纯净晶体结构的半导体。,掺杂半导体：,在本征半导体中用扩散工艺掺入少量合适的其它元素，使其导电能力显著增强。,N,型半导体：,掺入五价元素,P,型,半导体：,掺入三价元素,1-1-1,半导体中的电子,化学成分纯净的半导体晶体,:,制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到,99.9999999%,，常称为,“,九个,9,”,。,1-1-2,本征半导体,Ge,Si,+4,+4,+4,+4,共价键中的两个电子,+4,表示除去价电子后的原子,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度,T=0,时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为,自由电子,，,因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,这一现象称为,本征激发，,也称,热激发,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为,空穴,。,自由电子和空穴,可见本征激发同时产生电子空穴对。,外加能量越高（,温度越高），产生的电子空穴对越多。,动画,演示,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,电子空穴对,电子空穴对,自由电子 带负电荷 电子电流,动画演示,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,E,总电流,载流子,空穴 带正电荷 空穴电流,本征半导体的导电性取决于外加能量：,温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。,导电机制,与,一般导体的不同,复合：,与本征激发相反的现象,在本征半导体中，电子空穴对不断产生，又不断消失，即自由电子在运动过程中若与空穴相遇，就会填补空穴，而使两者均消失，这种现象称为复合。,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到,动态平衡,。即在一定条件下，载流子（电子空穴对）的浓度一定。,常温,300K,时：,电子空穴对的浓度,硅：,锗：,本征半导体有以下基本特性：,（,1,）在绝对零度（）和无外界激发时，本征半导体中没有,载流子,，呈绝缘体特性。,（,2,）温度升高,热激发,共价键,中,价电子,进入,导带,产生自由电子和,空穴,两种载流子。,（,3,）两种载流子：导带中的自由电子，电荷极性为负；,价带,中挣脱共价键束缚的价电子所剩下的空穴，电荷极性为正。,（,4,）,热激发,条件下，只有少数价电子挣脱共价键的束缚，进入导带形成电子空穴对，所以本征半导体导电率很低。,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体，也称为,掺杂半导体,。,（,1,）,N,型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，使之在某些位置上取代硅（,Si,）,原子，便可构成,N,型硅半导体,。,1-1-3,杂质半导体,（,2,）,P,型半导体,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等，使之在某些位置上取代硅（,Si,）,原子，便可构成,P,型硅半导体,。,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子,自由电子,少数载流子,空穴,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,施主离子,自由电子,电子空穴对,N,型半导体,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子,空穴,少数载流子,自由电子,P,型半导体,受主离子,空穴,电子空穴对,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,多子,电子,少,子,空穴,P,型半导体,多,子,空穴,少,子,电子,少子浓度,与温度有关,多子浓度,与温度无关,掺杂半导体示意图,内电场,E,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN,结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1.PN,结的形成,1-1-4 P N,结,动画演示,少子飘移,补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，,E,多子扩散,又失去多子，耗尽层宽，,E,内电场,E,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总,电流,0,势,垒,U,O,硅,0.5V,锗,0.2V,如果在,PN,结两端外加不同方向的电压，就可以破坏动态平衡，而呈现出单向导电性。,（,1,）,PN,结加正向电压,（,2,）,PN,结加反向电压,2.PN,结的单向导电性,加正向电压（正偏）,电源正极接,P,区，负极接,N,区,外电场的方向与内电场方向相反，即,外电场削弱内电场。,耗尽层变窄,扩散运动,漂移运动,多子,扩散形成正向电流,I,F,正向电流,（,1,）,PN,结加正向电压,加反向电压,电源正极接,N,区，负极接,P,区,外电场的,方向,与内电场方向相同，即,外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移,运动扩散,运动,少子漂移形成反向电流,I,R,0,P,N,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故,I,R,基本上与外加反压的大小无关,，,所以称为,反向饱和电流,。但,I,R,与温度有关。,（,2,）,PN,结加反向电压,PN,结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，,PN,结导通；,PN,结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，,PN,结截止。,由此可以得出结论：,PN,结具有单向导电性。,动画演示,1,动画演示,2,结论：,根据理论推导，,PN,结的伏安特性曲线如图所示：,正偏,I,F,（,多子扩散）,I,R,（,少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热,击穿,烧坏,PN,结,电击穿,可逆,3.PN,结的伏安特性曲线及表达式,根据理论分析：,u,为,PN,结两端的电压降,i,为,流过,PN,结的电流,I,S,为反向饱和电流,U,T,=,kT/q,称为温度的电压当量,其中,k,为玻耳兹曼常数,1.3810,23,q,为电子电荷量,1.610,9T,为热力学温度,对于室温（相当,T,=300 K,）,则有,U,T,=26 mV,。,当,u,0,u,U,T,时,当,u,|,U,T,|,时,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即,PN,结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1),势垒电容,C,B,4.PN,结的电容效应,(2),扩散电容,C,D,当外加正向电压,不同时，,PN,结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程,。,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间,电容（结电容）,二极管的结构特性,二极管的伏安特性,二极管的主要参数,二极管的量测,特殊二极管,1-2,半导体二极管二极管,=PN,结,+,管壳,+,电极引线,N,P,结构,符号,阳极,+,阴极,-,2-1-1,半导体二极管的结构特性,(1),点接触型二极管,PN,结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路。,二极管按结构分三大类：,(3),平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。,PN,结面积可大可小，用,于高频整流和开关电路中。,(2),面接触型二极管,PN,结面积大，用,于工频大电流整流电路。,常见二极管的外型封装,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,用数字代表同类器件的不同规格。,代表器件的类型，,P,为普通管，,Z,为整流管，,K,为开关管。,代表器件的材料，,A,为,N,型,Ge,，,B,为,P,型,Ge,，,C,为,N,型,Si,，,D,为,P,型,Si,。,2,代表二极管，,3,代表三极管。,半导体二极管的型号,二极管阳极接电源正极，二极管的阴极通过灯泡接电源负极，灯泡亮。下图电路，二极管阳极接电源负极，二极管的阴极通过灯泡接电源正极，灯泡不亮。可见，二极管具有明显的单向导电特性。,二极管单向导电实验电路,硅：,0.5 V,锗：,0.1 V,(1),正向特性,导通压降,反向饱和电流,(2),反向特性,死区,电压,击穿电压,U,BR,实验曲线,u,E,i,V,mA,u,E,i,V,uA,锗,硅：,0.7 V,锗：,0.3V,1-2-2,二极管的伏安特性,例：,IR,10V,E,1k,D,非线性器件,i,u,RLC,线性器件,二极管的模型及近似分析计算,二极管的模型,D,U,串联电压源模型,U,D,二极管的导通压降。硅管,0.7V,；,锗管,0.3V,。,理想二极管模型,正偏,反偏,导通,压降,二极管的,VA,特性,二极管的近似分析计算,I,R,10V,E,1k,I,R,10V,E,1k,例：,串联电压源模型,测量值,9.32mA,相对误差,理想二极管模型,R,I,10V,E,1k,相对误差,0.7V,例：,二极管构成的限幅电路如图所示，,R,1k,，,U,REF,=2V,，,输入信号为,u,i,。,(1),若,u,i,为,4V,的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流,I,和输出电压,u,o,解,：,（,1,）采用理想模型分析。,采用理想二极管串联电压源模型分析。,（,2,）,如果,u,i,为幅度,4V,的交流三角波，波形如图（,b,）,所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。,解：,采用理想二极管,模型分析。波形如图所示。,0,-4V,4V,u,i,t,2V,2V,u,o,t,0,2.7V,u,o,t,0,-4V,4V,u,i,t,2.7V,采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。,(1),最大整流电流,I,F,二极管长期连续工,作时，允许通过二,极管的最大整流,电流的平均值。,(2),反向击穿电压,U,BR,二极管反向电流,急剧增加时对应的反向,电压值称为反向击穿,电压,U,BR,。,(3),反向电流,I,R,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安,(,nA,),级；锗二极管在微安,(,A),级。,1-2-3,二极管的主要参数,要求死区的电压低时选择锗管，要求反向电流小时选择硅管。,要求反向击穿电压高时选择硅管。,要求耐高温时选择硅管。,小功率整流管选,2CP,系列；,大功率整流管选,2CZ,系列；,高频电路中选用,2AP,系列；,开关工作时选用,2AK,、,2CK,系列的二极管。,4.,二极管的选择原则,根据二极管正向电阻小，反向电阻大的特点可判别二极管的极性。将万用表拔到欧姆挡（一般用或档，不要用档或档。因为档使用的电流太大，容易烧坏管子，而档使用的电压太高，可能击穿管子）。用表笔分别与二极管的两极相连，测出两个阻值，在所测得阻值较小的一次，与黑表笔相接的一端即为二极管的正极。同理，在所测得阻值较大的一次，与黑表笔相接的一端为二极管的负极。如果测得的反向电阻很小，说明二极管内部短路；若正向电阻很大，则说明管子内部断路。在这两种情况下二极管就需报废。,因为硅二极管一般正向压降为,0.60.8V,，锗二极管的正向压降为,0.2-0.3V,，所以测量一下二极管的正向导通电压，便可判别被测二极管是硅管还是锗管：方法是在干电池（,1.5V,）的一端串一个电阻（约,1K,），同时按极性与二极管相接，使二极管正向导通，这时用万用表测量二极管两端的管压降，如果为,0.60.8V,即为硅管，如为,0.2V0.3V,即为锗管。,1-2-4,二极管的量测,1,稳压二极管：稳压管是一种特殊的二极管，它利用,PN,结反向击穿后特性陡直的特点，在电路中起稳压作用。稳压管工作在反向击穿状态。,主要参数：稳定电压、稳定电流、最大工作电流和最大耗散功率,2,发光二极管,2.,发光二极管是一种将电能转化为光能的特殊二极管。,发光二极管简写成了,LED,，其基本结构是一个结，它的特性曲线与普通二极管类似，但正向导通电压一般为,1,2V,，正向工作电流一般为几几十毫安。,3,光电二极管：光电二极管又叫光敏二极管，是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。,4,变容二极管：利用二极管结电容随反向电压的增加而减少的特性制成的电容效应显著的二极管。多应用于高频技术中，如被应用于无线话筒和电视机的高频头电路等方面。,1-2-5,特殊二极管,1-3,二极管应用电路,整流滤波电路,整流电路,单向半波整流电路,单向全波整流电路,单向桥式整流电路,滤波电路,电容滤波电路,电感滤波电路,复式滤波电路,稳压管及稳压电路,限幅电路,电子电路工作时都需要直流电源提供能量，电池因使用费用高,一般只用于低功耗便携式的仪器设备中。直流电源就是完成把传送的交流电转换为可用直流电的设备，一般直流电源由如下部分组成,:,整 流 电 路,滤 波 电 路,稳 压 电 路,u,1,u,2,u,3,u,4,u,o,负,载,工频交流,脉动直流,直流,1-3-1,整流滤波电路,1.,单向半波整流电路,(a),电路图,(b),波形图,输出电压在一个工频周期内，只是正半周导电，在负载上得到的是半个正弦波。负载上输出平均电压为：流过负载和二极管的平均电流为：二极管所承受的最大反向电压：,2.,单向全波整流电路,(a),电路图,(b),波形图,全波整流电路的输出电压与桥式整流电路的输出相同。输出平均电压为：流过负载的平均电流为：,二极管所承受的最大反向电压：,单相全波整流电路的脉动系数,S,与单相桥式整流电路相同,3.,单向桥式整流电路,将,交流电路变成直流电路称为整流。,波形图：,R,L,上的电压和电流平均值：,每个二极管上的电流平均值和最大反向电压：,选择二极管的主要依据,4.,整流组合元件,几种常见的半桥堆的结构和外形,几种常见的全桥堆的结构和外形,5.,滤波电路,整流电路的输出电压，虽然方向不变，但是脉动较大，含有较大的交流成分，不能适应大多数电子线路及设备的需要。,一般在整流以后，还需要利用滤波电流将脉动的直流电压变为平滑的直流电压。,（,1,）电容滤波电路,在,整流电路的输出端并联一个电容，利用电容充放电作用，使负载电压趋于平滑波形图：,波形图：,电容滤波外特性,：,（,2,）电感滤波电路,在大,电流的负载情况下，利用电容滤波，使得整流二极管及滤波电容器的选择变得很困难。电感滤波就是在整流电流与负载带阻之间串联一个电感线圈,L,。,波形图：,当正半周时，,D1,、,D3,导电，电感中的电流将滞后。当负半周时，电感中的电流将更换经由,D2,、,D4,提供。因桥式电路的对称性和电感中电流的连续性，四个二极管,D1,、,D3,；,D2,、,D4,的导电角都是,180,。,滤波原理：,电感滤波是基于电流变化时，电感线圈中所产生的自感电动势是阻止电流变化的。,当通过电感线圈的电流,增加,时，电感线圈产生的自感电动势方向与电流方向,相反,，,阻止电流增加,，同时将一部分动能转变为磁场能储存在电感中。,当通过电感线圈的电流,减小,时，电感线圈产生的自感电动势方向与电流方向,相同,，,阻止电流减小,，同时释放出储存的能量，以补偿电流的减小。,（,3,）复式滤波电路,1-3-2,稳压管及稳压电路,稳压管是一种特殊的半导体二极管，其结构与普通二极管没有什么不同，特殊之处在于它工作在反向击穿状态下，由于在制造工艺上采取了适当的措施，使得管子虽然工作在击穿状态下，但不会损坏。当稳压管工作在击穿状态时，端电压变化微小，能起到稳定电压的作用，故称其为稳压管。,稳压管的伏安特性：,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流,I,Z在,I,zmax,和,I,zmin,之间变化时,其两端电压近似为常数。,稳定电压,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,正向同二极管,反偏电压,U,Z,反向击穿,U,Z,限流电阻,稳压二极管及应用电路,(1),稳定电压,U,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,=,U,/,I,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,(3),最小稳定工作 电流,I,Zmin,保证稳压管击穿所对应的电流，若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,(4),最大稳定工作电流,I,Zmax,超过,I,zmax,稳压管会因功耗过大而烧坏。,稳压二极管的主要参数,稳压管电路,稳压电路（,P11,）,限幅电路（,P12,）,例题,1-2-1,（,P12,）,例题,1-2-1,（,P12,）,解：,例题,1-2-1,（,P12,）,解：,1-3-3,限幅电路,限幅电流的作用是将输出电压的幅度限制在一定范围内。也常称为削波电流或幅度选择器。,并联二极管限幅电路,串联二极管限幅电路,（,1,）并联二极管限幅电路,U,m,E,输出电压的正半周幅度被限制在,E,的数值上。,（,2,）串联二极管限幅电路,（,3,）双向限幅电路,