半导体二极管及其基本应用电路.pptx

1/35 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 根据导电能力的不同，物质可分为导体、半导根据导电能力的不同，物质可分为导体、半导体和绝缘体。体和绝缘体。半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性：半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性：1.1.热敏特性热敏特性2.2.光敏特性光敏特性2.1.1半导体材料及其导电特性半导体材料及其导电特性3.3.掺杂特性掺杂特性第1页/共34页2/352.1.2本征半导体本征半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体是完全纯净的、晶格结构完整的半导体。本征半导体是完全纯净的、晶格结构完整的半导体。硅原子结构示意图硅原子结构示意图 锗原子结构示意图锗原子结构示意图 硅原子和锗原子结构简化模型。硅原子和锗原子结构简化模型。第2页/共34页3/351.1.本征半导体中的共价键结构本征半导体中的共价键结构2.1.2本征半导体本征半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识第3页/共34页4/35空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。2.2.本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子自由电子自由电子电子挣脱共价键的电子挣脱共价键的束缚，参与导电成为自由电子。束缚，参与导电成为自由电子。本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子带负电的自由电子和带正带负电的自由电子和带正电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电的一个重要特点。的一个重要特点。2.1.2本征半导体本征半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识第4页/共34页5/35 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。2.1.3 杂质半导体杂质半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识1.N1.N型半导体型半导体 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂它主要由杂质原子提供；质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。第5页/共34页6/35 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。2.1.3 杂质半导体杂质半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识2.P2.P型半导体型半导体 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自自由由电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。第6页/共34页7/352.2.1 PN结的形成结的形成 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电性性 在内电场的作用下产生的漂移运动在内电场的作用下产生的漂移运动由载流子浓度差产生的扩散运动由载流子浓度差产生的扩散运动 2.2.PNPN结的形成结的形成空穴的漂移速度空穴的漂移速度：电子的漂移速度：电子的漂移速度：1.1.载流子的扩散运动和漂移运动载流子的扩散运动和漂移运动第7页/共34页8/352.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电性性1.PN1.PN结外加正向电压结外加正向电压 将将PNPN结的结的P P区接电源正极，区接电源正极，N N区接电源负极，这种连接方区接电源负极，这种连接方式称为式称为PNPN结外加正向电压，又称结外加正向电压，又称PNPN结正向偏置。结正向偏置。PNPN结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称PNPN结结导通导通。第8页/共34页9/352.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电性性2.PN2.PN结外加反向电压结外加反向电压 将将PNPN结的结的P P区接电源负极，区接电源负极，N N区接电源正极，这种连接方区接电源正极，这种连接方式称为式称为PNPN结外加反向电压，又称结外加反向电压，又称PNPN结反向偏置。结反向偏置。PNPN结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称结反向偏置时呈现高阻特性，此时称PNPN结结截止截止。第9页/共34页10/352.2.3 PN结的伏安特性结的伏安特性 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电性性1.PN1.PN结的电流方程结的电流方程其中其中I IS S 反向饱和电流反向饱和电流U UT T 温度的电压当量温度的电压当量其表达式为其表达式为2 2.PN.PN结的伏结的伏-安特性曲线安特性曲线第10页/共34页11/352.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电性性1.1.势垒电容势垒电容C Cb b 这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效的电容称为势垒电容，通常用的电容称为势垒电容，通常用C Cb b表示。表示。第11页/共34页12/352.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电性性2.2.扩散扩散电容电容C Cd d 这种非平衡少子的这种非平衡少子的浓度随外加正向电压的浓度随外加正向电压的变化所等效的电容效应变化所等效的电容效应称为扩散电容称为扩散电容，通常用，通常用C Cd d表示。表示。PNPN结的结的结电容结电容是势垒电容和扩散电容之和：是势垒电容和扩散电容之和：第12页/共34页13/352.3.1 二极管的结构二极管的结构 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。触型和平面型。点接触型二极管点接触型二极管面接触型二极管面接触型二极管平面型二极管平面型二极管第13页/共34页14/352.3.2 二极管的伏二极管的伏-安特性安特性 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 硅二极管和锗二极管硅二极管和锗二极管伏安特性曲线对比伏安特性曲线对比 温度对二极管伏安温度对二极管伏安特性曲线的影响特性曲线的影响 第14页/共34页15/352.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管1.1.最大整流电流最大整流电流IF 允许通过二极管的最大正向平均电流允许通过二极管的最大正向平均电流.2 2.最高反向工作电压最高反向工作电压URM 二极管安全工作时所能承受的最大反向电压二极管安全工作时所能承受的最大反向电压.3 3.反向电流反向电流IR 二极管未击穿时的反向电流。二极管未击穿时的反向电流。4 4.最高工作频率最高工作频率fM 二极管工作的上限频率。二极管工作的上限频率。第15页/共34页16/352.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管1.1.理想模型理想模型2.2恒压降模型恒压降模型3.3.折线模型折线模型第16页/共34页17/352.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管4.4.小信号模型小信号模型vs=0 时时,Q点称为静态工作点点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。vs=Vmsin t 时（时（VmVDD）,将将Q点附近小范围内的点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到特性线性化，得到小信号模型，即以小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。点为切点的一条直线。第17页/共34页18/35 过过Q点的切线点的切线可以等效成一可以等效成一个微变电阻个微变电阻即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下（常温下（T T=300K=300K）（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型2.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管4.4.小信号模型小信号模型第18页/共34页19/352.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管4.4.小信号模型小信号模型 根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并求出电阻求出电阻R R两端的电压和电流的表达式。两端的电压和电流的表达式。电路的交流通路电路的交流通路第19页/共34页20/352.35二极管基本应用电路及分析方法二极管基本应用电路及分析方法 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管1.1.二极管整流电路二极管整流电路（a）电路图）电路图 （b）输入、输出输入、输出波形波形第20页/共34页21/352.3.5二极管基本应用电路及分析方法二极管基本应用电路及分析方法 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管2.2.二极管限幅电路二极管限幅电路【例例2.2】图示为二极管限幅电路图示为二极管限幅电路R=1K，VREF=2V，二极管为硅二极管，输，二极管为硅二极管，输入信号为入信号为uI。（1）若）若uI为为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流 和输和输出电压出电压。（2）若）若uI=10sintV，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形。，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形。第21页/共34页22/35 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管解：解：（1 1）理想模型：）理想模型：恒压降模型：恒压降模型：（2 2）采用理想模型采用理想模型 采用恒压降模型采用恒压降模型 第22页/共34页23/35解：解：先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位，即即O点为点为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于的压降等于0.7V，所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。2.3.5二极管基本应用电路及分析方法二极管基本应用电路及分析方法 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管【例例2.32.3】二极管限幅电路如图所示，求输出电压二极管限幅电路如图所示，求输出电压UAO。第23页/共34页24/352.3.5二极管基本应用电路及分析方法二极管基本应用电路及分析方法 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管3.3.二极管开关电路二极管开关电路【例例2.4】二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型，当二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型，当UA 和和 UB分别分别为为0V或或3V时，求解时，求解 UA 和和UB不同组合时，输出电压不同组合时，输出电压 的值。的值。UAUB二极管工作状态UOD1D20V0V导通导通0V0V3V导通截止0V3V0V截止导通0V3V3V导通导通3V第24页/共34页25/352.4.1 稳压二极管的伏稳压二极管的伏-安特性安特性 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管稳压管符号和等效电路稳压管符号和等效电路 稳压管的伏安特性曲线稳压管的伏安特性曲线 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。第25页/共34页26/352.4.2 稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管1 稳定电压稳定电压UZ4 动态电阻动态电阻rZ 在规定的工作电流在规定的工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ=UZ/IZ3 额定功耗额定功耗 PZmax2 最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin5 温度系数温度系数 第26页/共34页27/352.4.3 稳压二极管基本应用电路稳压二极管基本应用电路 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管1.1.稳压原理稳压原理输入电压变化时：输入电压变化时：负载变化时：负载变化时：第27页/共34页28/35稳压管的技术参数稳压管的技术参数:负载电阻负载电阻RL600，求限流，求限流电阻电阻R取值范围。取值范围。解：由电路可得：解：由电路可得：+VZ-IZDZRILIR+Vi-RL15V2.4.3 稳压二极管基本应用电路稳压二极管基本应用电路 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管2.2.稳压管应用举例稳压管应用举例第28页/共34页29/352.4.3 稳压二极管基本应用电路稳压二极管基本应用电路 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管3.3.稳压管和普通二极管的区分稳压管和普通二极管的区分 普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反向击穿状态下工作，二者用法不同。向击穿状态下工作，二者用法不同。普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即反伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压管的向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压管的反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大，而端反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大，而端电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非常陡，动电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态电阻很小。态电阻很小。第29页/共34页30/352.5.1发光二极管发光二极管2.5 2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管符号符号【例例2.7】电路如图所示，已知发光二极管的导通电压电路如图所示，已知发光二极管的导通电压 UD 1.6V，正向电流为正向电流为520mA时才能发光。试问：时才能发光。试问：（1）开关处于何种位置时发光二极管可能发光？）开关处于何种位置时发光二极管可能发光？（2）为使发光二极管有可能发光，电路中）为使发光二极管有可能发光，电路中R的取值范围为多少？的取值范围为多少？解：（解：（1 1）当开关断开时发光二极管有可）当开关断开时发光二极管有可能发光。能发光。（2 2）因此，因此，R的取值范围为的取值范围为220220880880。第30页/共34页31/352.5.2 光电二极管光电二极管2.5 2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管（a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 特点：反向饱和电流与照度成正比特点：反向饱和电流与照度成正比第31页/共34页32/352.5.2 光电二极管光电二极管2.5 2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管光电传输系统光电传输系统 第32页/共34页33/352.5.3 变容二极管变容二极管2.5 2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）利用结电容随反向电压的增加而减小的原理制成利用结电容随反向电压的增加而减小的原理制成第33页/共34页34/352.5.3 肖特基二极管肖特基二极管2.5 2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性电容效应非常小，正向导通门坎电压和正向压降较低，电容效应非常小，正向导通门坎电压和正向压降较低，但反向击穿电压较低，反向漏电流大但反向击穿电压较低，反向漏电流大第34页/共34页