电子技术---第1章-半导体二极管及应用电路.pptx

第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路本课程的主要内容本课程的主要内容第第第第1 1 1 1章章章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路第第第第2 2 2 2章章章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 第第第第3 3 3 3章章章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 第第第第4 4 4 4章章章章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应放大电路的频率响应放大电路的频率响应 第第第第5 5 5 5章章章章 功率放大电路功率放大电路功率放大电路功率放大电路 第第第第6 6 6 6章章章章 集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器集成运算放大器 第第第第7 7 7 7章章章章 负反馈放大电路负反馈放大电路负反馈放大电路负反馈放大电路 第第第第8 8 8 8章章章章 信号的运算、测量及处理电路信号的运算、测量及处理电路信号的运算、测量及处理电路信号的运算、测量及处理电路 第第第第9 9 9 9章章章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第第第10101010章章章章 直流电源直流电源直流电源直流电源 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.2 PN1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 1.3 1.3 二极管二极管1.4 1.4 特殊二极管特殊二极管 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电特性本征半导体及其导电特性1.1.2 N1.1.2 N型半导体型半导体1.1.3 P1.1.3 P型半导体型半导体电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.导导体体：电电阻阻率率 109 cm 物物质质。如如橡橡胶胶、塑料等。塑料等。3.半半导导体体：导导电电性性能能介介于于导导体体和和半半导导体体之之间间的的物物质。质。如如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。通通常常情情况况下下纯纯净净半半导导体体的的导导电电能能力力较较差差，但但随随着着外界条件改变，其导电能力会有较大改变外界条件改变，其导电能力会有较大改变 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路半导体具有以下特性：半导体具有以下特性：(1)热敏特性热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性可制成热敏元件。利用这个特性可制成热敏元件。(2)光敏特性：光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件。变，利用这个特性制成光敏器件。(3)掺杂特性：掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍增加几十万乃至几百万倍。利。利用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电特性本征半导体及其导电特性 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构4 价价元元素素的的原原子子常常常常用用+4 电电荷荷的的正正离离子子和和周周围围 4个个价价电子表示。电子表示。+4简化模型简化模型电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为体也称为晶体晶体。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体称为体称为本征半导体本征半导体。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共共价价键键结结构。构。价价电电子子共共价价键键在在绝绝对对0度度（T=0K），价价电电子子被被共共价价键键束束缚缚着着，本本征征半半导导体体中中没没有有可可以以运运动动的的带带电电粒粒子子（即即载载流流子子），它它的的导导电电能能力为力为0，相当于绝缘体，相当于绝缘体。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 当当温温度度升升高高或或受受光光照照时时，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一一个空位个空位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。空穴可看成带正电的载流子。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院1.半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2.本本征征半半导导体体中中，自自由由电电子子和和空空穴穴总总是是成成对对出出现现，称为称为 电子电子-空穴对。空穴对。3.本征半导体中本征半导体中自由电子的浓度自由电子的浓度等于等于空穴的浓度空穴的浓度4.由由于于物物质质的的运运动动，自自由由电电子子和和空空穴穴不不断断的的产产生生又又不不断断的的复复合合。在在一一定定的的温温度度下下，产产生生与与复复合合运运动动会会达达到到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5.载载流流子子的的浓浓度度与与温温度度密密切切相相关关，它它随随着着温温度度的的升升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1.2 N1.1.2 N型半导体型半导体 杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑锑、砷砷等等，即即构构成成 N 型型半半导导体体(或或称称电电子子型型半半导导体体)。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。导体的导电性能发生显著变化。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院 本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中 4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多多余余一一个个电电子子只只受受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子电子称为多数载流子电子称为多数载流子空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子5 价价杂杂质质原原子子称称为为施施主原子。主原子。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1.3 P1.1.3 P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼、镓、铟等，即构成硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少数载流子。少数载流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主原子。主原子。受主受主原子原子空穴空穴空穴空穴电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路说明：说明：1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.2 PN1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1.2.1 PN1.2.1 PN结的形成结的形成 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一个特殊的薄层，一个特殊的薄层，称为称为 PN 结结。PNPN结结PN PN 结的形成结的形成电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路一、一、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN1.扩散运动扩散运动2.扩扩散散运运动动形成空间电荷区形成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩扩散散运运动。动。PN 结结，耗耗尽层。尽层。PN第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路3.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。4.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于于少少子子运运动动漂漂移。移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相反相反 阻挡层阻挡层第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路5.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与扩散运动与漂移运动达到动态平衡。漂移运动达到动态平衡。电压壁垒电压壁垒 UD，硅材料约为，硅材料约为(0.6 0.8)V,锗材料约为锗材料约为(0.2 0.3)V。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 总结总结:在一块本征半导体在两侧通过扩散不在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.2.2 PN1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN 1.PN 外加正向电压外加正向电压外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路形成正向形成正向电流电流多子向多子向PN结移动结移动空间电荷变窄空间电荷变窄内电场减弱内电场减弱扩散运动大于扩散运动大于漂移运动漂移运动PN结在外加正向电压时的情况结在外加正向电压时的情况外加电场与内电场方向相反，外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用削减内电场的作用电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻正向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN 2.PN 结外加反向电压结外加反向电压结外加反向电压结外加反向电压(反偏反偏反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电场的作用；电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散电流，电路中产生反向电流散电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路空间电荷区空间电荷区反相偏置的反相偏置的PNPN结结反反向向电电流流又又称称反反向向饱饱和和电电流流。对对温温度度十十分分敏敏感感，随随着温度升高，着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路形成反向形成反向电流电流多子背离多子背离PN结移动结移动空间电荷区变空间电荷区变宽宽,内电场增强内电场增强漂移运动大漂移运动大于扩散运动于扩散运动PN结的外加反向电压时的情况结的外加反向电压时的情况外加电场与内电场方向一外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用致，增强内电场的作用第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结结处处于于 导导通通状状态态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于于零零，PN 结结处处于于截截止止状态状态。可见，可见，PN PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.2.3 PN1.2.3 PN结的电容效应结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容一是势垒电容CT,二是扩散电容二是扩散电容CD 1.势垒电容势垒电容CT 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容示意图第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而结的另一侧面积累而形成的。因形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子，与区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定的结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。多子浓度梯度分布曲线。2.扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。成类似的浓度梯度分布曲线。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路扩散电容示意图扩散电容示意图 当外加正向电压不当外加正向电压不同，扩散电流即外电路同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。电流的大小也就不同。所以所以PN结两侧堆积的多结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电扩散电容均是非线性电容。容。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 势垒、扩散电容都与结面积势垒、扩散电容都与结面积S成正比成正比 点接触二极管的结面积很小，点接触二极管的结面积很小，CT、CD都很小，只有都很小，只有0.5几几pF。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几约在几pF200pF。在等效电路中，在等效电路中，CT和和CD是并联的，总的结电容为两是并联的，总的结电容为两者之和，即者之和，即 C=CT+CD。当当PN结正偏时，扩散电容起主结正偏时，扩散电容起主要要作用，作用，CCD，当当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，结反偏时，势垒电容起主要作用，CCT。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.3 1.3 二极管二极管 1.3.1 1.3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构 1.3.2 1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 1.3.3 1.3.3 二极管的参数、型号及选择二极管的参数、型号及选择 1.3.4 1.3.4 二极管的分析方法二极管的分析方法 1.3.5 1.3.5 二极管的应用二极管的应用 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 1.3.1 1.3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型三大三大类。类。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和变电容小，用于检波和变频等高频电路。频等高频电路。(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路(3)(3)平面型二极管平面型二极管 往往用于集成电路制往往用于集成电路制造工艺中。造工艺中。PN PN 结面积可大结面积可大可小，用于高频整流和开可小，用于高频整流和开关电路中。关电路中。(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电于工频大电流整流电路。路。(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型(4)(4)二极管的代表符号二极管的代表符号电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路半导体二极管图片半导体二极管图片电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路在在二二极极管管的的两两端端加加上上电电压压，测测量量流流过过管管子子的的电电流流，i=f(u)之间的关系曲线之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特性正向特性击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性 1.3.2 1.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性导通压降导通压降:硅管硅管0.6-0.7V0.6-0.7V锗管锗管0.20.2-0.3V-0.3V死区电压死区电压:硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0 0.1V.1V电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线硅管特性曲线硅管特性曲线锗管特性曲锗管特性曲线线电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相相应应的的电电压压叫叫死死区区电电压压。范范围围称称死死区区。死死区区电电压压与与材材料料和和温温度度有有关关，硅硅管管约约 0.5 V 左左右右，锗锗管约管约 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I/mAU/V当当正正向向电电压压超超过过死死区区电电压压后后，随随着着电电压压的的升升高高，正正向向电电流流迅迅速速增大。增大。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路2.2.反向特性反向特性反向特性反向特性 0.02 0.0402550I/mAU/V反向特性反向特性当当电电压压超超过过零零点点几几伏伏后后，反反向向电电流流不不随随电电压压增增加加而而增增大大，即饱和即饱和,称反向饱和电流称反向饱和电流 二二极极管管加加反反向向电电压压，反反向电流很小；向电流很小；如如果果反反向向电电压压继继续续升升高高，大大到到一一定定数数值值时时，反反向向电电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称这种现象称击穿击穿，对应电压叫，对应电压叫反向击穿电压反向击穿电压。击穿击穿电压电压U(BR)3.3.反向击穿特性反向击穿特性反向击穿特性反向击穿特性 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路雪崩击穿：雪崩击穿：雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿形成电子空穴对（碰撞电离）形成电子空穴对（碰撞电离）通过通过PN结的少子获得能量大结的少子获得能量大与晶体中原子碰撞使共价键的束缚与晶体中原子碰撞使共价键的束缚电荷挣脱共价键电荷挣脱共价键PN结反向高场强结反向高场强载流子倍增效应载流子倍增效应电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路齐纳击穿齐纳击穿：形成电子空穴对形成电子空穴对直接将直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来结中的束缚电荷从共价键中拉出来PN结电场很大结电场很大很大反向电流很大反向电流齐纳击穿需要很高的场强齐纳击穿需要很高的场强：2105 V/cm只有杂质浓度高，只有杂质浓度高，PN结窄时才结窄时才能达到此条件能达到此条件齐纳二极管齐纳二极管（稳压管）（稳压管）电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 电击穿电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的结容许的耗散功率时耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。管子可恢复原来的状态。热击穿热击穿:若反向电流与电压的乘积超出若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿形成热击穿不可逆。不可逆。热击穿和电击穿热击穿和电击穿 雪崩击穿、齐纳击穿雪崩击穿、齐纳击穿可逆可逆电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路4.4.伏安特性的数学表达式伏安特性的数学表达式伏安特性的数学表达式伏安特性的数学表达式(二极管方程二极管方程二极管方程二极管方程)从从二二极极管管伏伏安安特特性性曲曲线线可可以以看看出出，二二极极管管的的电电压压与与电电流流变变化化不不呈呈线线性性关关系系，其其内内阻阻不不是是常常数数，所所以以二二极极管管属于属于非线性器件非线性器件。式中式中IS 为为反向饱和电流反向饱和电流，U为二极管两端的电压降，为二极管两端的电压降，UT=kT/q 称为温度的称为温度的电压当量电压当量，k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当为热力学温度。对于室温（相当T=300 K），则有），则有UT=26 mV。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.3.3 1.3.3 二极管的参数、型号及选择二极管的参数、型号及选择(1)最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。(2)最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工工作作时时允允许许加加在在二二极极管管两两端端的的反反向向电电压压值值。通通常常将将击穿电压击穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR。(3)反向电流反向电流 IR 反反向向电电流流IR是是指指在在室室温温条条件件下下，二二极极管管两两端端加加上上规规定定的的反反向向电电压压时时，流流过过管管子子的的反反向向电电流流值值,通通常常希希望望 IR 值值愈愈小愈好。小愈好。1.二极管的参数二极管的参数二极管的参数二极管的参数第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路(4)最高工作频率最高工作频率 fM是是二二极极管管工工作作的的上上限限截截止止频频率率,fM 值值主主要要 决决定定于于 PN 结结结结电电容容的的大大小小。结结电电容容愈愈大大，二二极极管管允允许许的的最最高高工工作作频率愈低。频率愈低。2.半导体二极管的型号半导体二极管的型号 2A P 7 2A P 7 用数字代表同类型器件的序号用数字代表同类型器件的序号 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P代表普通管代表普通管 A代表代表N型型Ge，B代表代表P型型Ge，C代表代表N型型Si，D代表代表P型型Si 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管代表三极管 2AP7代表代表N型型Ge材料普通二极管材料普通二极管电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路3.选择二极管的一般原则选择二极管的一般原则(1)要求导通后正向压降小时选锗管；要求反向电流小要求导通后正向压降小时选锗管；要求反向电流小时选硅管。时选硅管。(2)要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时要求工作电流大时选面接触型；要求工作频率高时选点接触型。选点接触型。(3)要求反向击穿电压高时选硅管。要求反向击穿电压高时选硅管。(4)要求温度特性好或耐高温时选硅管。要求温度特性好或耐高温时选硅管。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.3.4 1.3.4 二极管的分析方法二极管的分析方法 1.1.1.1.理想模型理想模型理想模型理想模型 二极管承受二极管承受正向电压正向电压时，其管压降为零，相时，其管压降为零，相当于当于开关闭合开关闭合 二极管承受二极管承受反向电压反向电压时，其电流为零，阻抗时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于为无穷，相当于开关的开关的断开断开 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路2 2 2 2恒压降模型恒压降模型恒压降模型恒压降模型 二极管承受正向电压二极管承受正向电压导通时，其管压降为恒导通时，其管压降为恒定值，且不随电流而变定值，且不随电流而变化，具有这种特性的二化，具有这种特性的二极管也叫做实际二极管极管也叫做实际二极管 二极管承受二极管承受反向电压反向电压时，其电流为零，阻抗时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于为无穷，相当于开关的开关的断开断开 0.2V 0.2V 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路例例1.3.1 电路如图电路如图1.3.7(a)所示，二极管采用硅管，电阻所示，二极管采用硅管，电阻R1k，E3V(1)试分别用理想模型和恒压降模型求试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。的值。(2)当二极管当二极管VD反接，电路如图反接，电路如图1.3.7(b)所示，试分别用所示，试分别用两种模型求两种模型求UR的值。的值。1.3.7(a)1.3.7(b)电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路例例1.3.2 电路如图电路如图1.3.9所示，其中所示，其中El7V，E25V，E36V，设二极管的导通电压，设二极管的导通电压0.6V。分别估算开关。分别估算开关S在位在位置置1和位置和位置2的输出电压的输出电压Uo的值。的值。开关开关S置于位置置于位置1时时 UO=E36V 开关开关S置于位置置于位置2 UO=E2+0.6(5+0.6)V=5.6V 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.3.5 1.3.5 二极管的应用二极管的应用 1 1整流电路整流电路2 2二极管限幅电路二极管限幅电路 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路3.3.在数字电路的应用在数字电路的应用 (1)uA=3V，uB=0V uY=uA0.7V=2.3V(2)uA=3V，uB=3VVD1、VD2都导通，都导通，uY=uA0.7V=2.3VVD1先导通先导通 VD2截止截止(3)uA=0V，uB=0VVD1、VD2都导通，都导通，uY=0.7V。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.4 1.4 特殊二极管特殊二极管 1.4.1 1.4.1 稳压二极管稳压二极管 1.4.2 1.4.2 光敏二极管光敏二极管 1.4.3 1.4.3 发光二极管发光二极管 1.4.4 1.4.4 变容二极管变容二极管 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 1.4.1 1.4.1稳压二极管稳压二极管一一种种特特殊殊的的面面接接触触型型半半导体硅二极管。导体硅二极管。稳压管稳压管工作于反向击穿区工作于反向击穿区。I/mAU/VO+正向正向 +反向反向 U(b)稳压管符号稳压管符号(a)稳压管伏安特性稳压管伏安特性+I1 1稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 2.2.2.2.稳压管的主要参数稳压管的主要参数稳压管的主要参数稳压管的主要参数(1)稳定电压稳定电压 UZ(3)动态电阻动态电阻 rZ(2)稳定电流稳定电流 IZ稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。正正常常工工作作的的参参考考电电流流。I IZ，只要不超过额定功耗即可。，只要不超过额定功耗即可。rZ 愈愈小小愈愈好好。对对于于同同一一个个稳稳压压管管，工工作作电电流愈大，流愈大，rZ 值愈小。值愈小。IZ=5 mA rZ 16 IZ=20 mA rZ 3 IZ/mA第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路(4)电压温度系数电压温度系数 U稳稳压压管管电电流流不不变变时时，环环境境温温度度每每变变化化 1 引引起起稳稳定定电压变化的百分比。电压变化的百分比。1)UZ 7 V,U 0；UZ 4 V，U 0；2)UZ 在在 4 7 V 之间，之间，U 值比较小，性能比较稳定。值比较小，性能比较稳定。2CW17：UZ =9 10.5 V，U =0.09%/2CW11：UZ =3.2 4.5 V，U =(0.05 0.03)%/电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路(5)额定功耗额定功耗 PZ额定功率决定于稳压管允许的温升。额定功率决定于稳压管允许的温升。PZ=UZIZ注注意意:稳稳压压二二极极管管通通常常工工作作在在反反向向击击穿穿区区，使使用用时时应应串串入入一一个个电电阻阻，电电阻阻起起限限流流作作用用，以以保保证证稳稳压压管管正正常常工工作作，此电阻被称此电阻被称为限流电阻为限流电阻。例例 求求通通过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ 等等于于多多少少？R 是是限限流流电电阻阻，其值是否合适？其值是否合适？IZVDZ+20 VR=1.6 k+UZ=12 V IZM=18 mAIZ IZM，电阻值合适。，电阻值合适。解解 第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：稳压管电路稳压管电路UOIO+IZIRUI+1.外外加加电电源源的的正正极极接接管管子子的的 N 区区，电电源源的的负负极极接接 P 区区，保证管子工作在反向击穿区；保证管子工作在反向击穿区；RL2.稳稳压压管管应应与与负负载载电电阻阻 RL 并联并联；3.必必须须限限制制流流过过稳稳压压管管的的电电流流 IZ，不不能能超超过过规规定定值值，以以免免因因过热而烧毁管子。过热而烧毁管子。第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.4.2 1.4.2 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管又称光电二极管，特点是光敏二极管又称光电二极管，特点是PNPN结的面积大，结的面积大，管壳上有透光的窗口便于接收光的照射，光敏二极管管壳上有透光的窗口便于接收光的照射，光敏二极管的外型的外型 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1.1.1.光敏二极管的特性曲线光敏二极管的特性曲线光敏二极管的特性曲线光敏二极管的特性曲线 光敏二极管工作时，在电路中处于反向偏置光敏二极管工作时，在电路中处于反向偏置,在一定的在一定的反向电压范围内，反向电流与光照度反向电压范围内，反向电流与光照度E成正比关系成正比关系 当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其反向当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流电流很小，称为暗电流 第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路2.光敏二极管的主要参数光敏二极管的主要参数(1)最高反向工作电压最高反向工作电压URM在无光照的条件下，反向漏电流不大于在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的时所能承受的最高反向电压。最高反向电压。(2)暗电流暗电流ID是指光敏二极管在是指光敏二极管在无光照无光照及最高反向工作电压条件下的漏电及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。力越强。(3)光电流光电流IL是指光敏二极管在是指光敏二极管在受到一定光照受到一定光照时，在最高反向工作电压下时，在最高反向工作电压下产生的电流。产生的电流。(4)正向压降正向压降UF第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 1.4.3 1.4.3 发光二极管发光二极管 发光二极管简称为发光二极管简称为LED，是一种将电能转换为光能的半导体，是一种将电能转换为光能的半导体器件器件 发光二极管可分为普通发光二极管、高亮度发光二极管、超发光二极管可分为普通发光二极管、高亮度发光二极管、超高亮度发光二极管、闪烁发光二极管、变色发光二极管等高亮度发光二极管、闪烁发光二极管、变色发光二极管等 第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路4.54.5万多个发光二极管万多个发光二极管 像窗帘一样挂在墙上，随像窗帘一样挂在墙上，随意卷起放下意卷起放下MP3、照相机、手机、照相机、手机等数码产品也可以任等数码