电子技术基础-第一章-半导体二极管及其基本电路.ppt

电子技术基础,电工电子中心李月乔51971619答疑地点：教5楼D321,关于教材,电子课堂/信息工程系/李月乔，下载PDF文件（第1、2章）。10号左右正式出版 书名：电子技术基础，中国电力出版社，主编：李月乔。可去教材科或书店购买。配套习题答案和学习指导，近期，学习委员统计人数。,要求,2、认真听讲，课后复习，课前预习。,1、保证出勤，课堂有序。,3、独立完成作业，按时交作业，即时改错。,4、多提问，有疑难即时解决。,5、多交流，互相促进。,本课程与电路 联系紧密。复习电路 中参考方向、欧姆定律、KCL、KVL。,第一章 半导体二极管及其基本电路,第一节 半导体的基本知识,本章作业,1-31-131-141-9,第一节 半导体的基本知识,一、半导体硅、锗的原子结构与共价键二、半导体导电的两个方面三、空穴四、本征半导体的特性五、杂质半导体,自然界物质按导电能力分类：,导体：导电能力最强，电解液，碳，金属，金属元素价电子数少于4个绝缘体：导电能力最弱，橡胶，石英，价电子数8个半导体：导电能力介于二者之间，价电子数4个,常用的半导体材料有：,元素半导体：硅（Si）、锗（Ge）化合物半导体：砷化镓（GaAs）,半导体材料硅（Si）锗（Ge）的原子结构与共价键,外层电子（价电子）数4个，价电子受原子核的束缚力最小，决定其化学性质,本征半导体、空穴、及其导电作用,本征半导体：完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度：99.9999999%，“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。T=0K 且无外界激发，只有束缚电子，没有自由电子，本征半导体相当于绝缘体T=300K，本征激发，少量束缚电子摆脱共价键成为自由电子,共价键内的电子称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子称为自由电子,本征半导体,二、半导体导电的两个方面,自由电子的运动束缚电子的运动,与金属导电相比，金属导电只有自由电子的运动，因为金属没有共价键，而半导体有共价键,所以有两个方面,三、空穴,直接描述束缚电子的运动不太方便用我们假想的（自然界不存在的）、带正电的、与束缚电子反方向运动的那么一种粒子来描述束缚电子的运动比较方便，这种粒子起名叫做“空穴”,半导体中的载流子,自由电子空穴,本征半导体中的自由电子和空穴成对出现,四、本征半导体的特性,（1）热敏特性（2）光敏特性（3）搀杂特性,三种方式都可使本征半导体中的载流子数目增加，导电能力增强，但是并不是当做导体来使用，因为与导体相比，导电能力还差得远。,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素，如B形成P型半导体，也称空穴型半导体,掺入五价元素，如P形成N型半导体，也称电子型半导体,五、杂质半导体,（一）N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P,自由电子是多子（杂质、热激发）,空穴是少子（热激发）,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,（二）P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B,自由电子是少子（热激发）,空穴是多子（杂质、热激发）,因留下的空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,第二节 PN结,一、PN结的形成过程二、PN结的单向导电性三、PN结的伏安特性曲线四、PN结的反向击穿五、PN结的电容效应（非线性电容）,杂质半导体虽然比本征半导体中的载流子数目要多得多，导电能力增强，但是也并不能象导体那样被用来传导电能，而是用来形成PN结,一、PN结的形成过程,扩散运动：载流子由于浓度的差别而产生的运动称为扩散运动。漂移运动：载流子在电场的作用下的运动称为漂移运动。,电流的参考方向的定义电流的真实方向的定义,P区,N区,P区,N区,载流子由于浓度的差别而产生的运动称为扩散运动。,在扩散的过程中，在交界面处自由电子和空穴复合。,自由电子和空穴复合出现内电场。,P区,N区,P区,N区,P区,N区,P区,P区,N区,P区,N区,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,1.交界面出现自由电子、空穴的浓度差别,P区,N区,空穴多,自由电子少,空穴少,自由电子多,P区空穴（多子）向N区扩散N区自由电子（多子）向P区扩散,同时进行,2.扩散的过程中自由电子和空穴复合，留下不能移动的杂质离子，形成内电场,3.内电场的出现使少数载流子向对方漂移,N区空穴（少子）向P区漂移P区自由电子（少子）向N区漂移,同时进行,4.刚开始,扩散运动大于漂移运动,最后,扩散运动等于漂移运动,达到动态平衡,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流。扩散电流的真实方向是从P区指向N区的。,漂移运动,少子在电场的作用下向对方漂移,称漂移运动。漂移运动产生漂移电流。漂移电流的真实方向是从N区指向P 区的。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,二、PN结的单向导电性,定义：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。定义：P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,（一）PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。动态平衡被打破。扩散电流大于漂移电流。扩散电流远大于漂移电流。可忽略漂移电流的影响。空间电荷区变窄。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,PN结呈现低阻性,电压的真实方向,（二）PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。动态平衡被打破。扩散电流小于漂移电流。漂移电流本身就很小，因为是少子形成的。结变宽。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,PN结呈现高阻性,电压的真实方向,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的电流，真实方向为P指向N。,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的电流，真实方向为N指向P。,线性电阻具有双向导电性,PN结具有单向导电性线性电阻具有双向导电性,真实方向,三、PN结的伏安特性曲线,PN结电压电流参考方向的规定,UT=26mV,其中 Is 饱和电流;UT=kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；T=300k（室温）时 UT=26mv,由半导体物理可推出：,当加反向电压时：,当加正向电压时：,(uDUT),PN结电流方程,四、PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样，使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。,击穿是可逆。,（不可逆击穿）,热击穿,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁,PN结的反向击穿,五、PN结的电容效应（非线性电容）,（一）势垒电容CB（二）扩散电容CD,第三节 半导体二极管,一、半导体二极管的结构二、二极管的伏安特性三、温度对二极管的伏安特性的影响四、二极管的电阻五、二极管的主要参数六、二极管的型号,一、半导体二极管的结构,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高,面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低,平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大,二极管的代表符号,规定二极管的端电压uD的参考方向和二极管的电流iD的参考方向,二、二极管的伏安特性,参考方向的选取共有四种可能，本教材中选择其中的一种。,线性电阻参考方向的选取只有两种可能：关联、非关联。,因为双向导电,（a）硅二极管2CP10的伏安特性曲线（b）锗二极管2AP15的伏安特性曲线,死区电压Uth 硅二极管的死区电压一般为0.5V，锗二极管的死区电压一般为0.1V。硅二极管正向导通电压约为0.7V，锗二极管正向导通电压约为0.2V。反向击穿电压UBR。,三、温度对二极管的伏安特性的影响,当温度升高时，二极管的伏安特性曲线左移。当温度降低时，二极管的伏安特性曲线右移。,四、二极管的电阻,（一）二极管的直流电阻rD,二极管两端的直流电压UD与直流电流ID之比就是二极管的直流电阻rD。,非线性电阻,Q点处的直流电阻rD是连接Q点与坐标原点的直线的斜率的倒数。,（二）二极管的交流电阻rd,在工作点Q附近，二极管两端电压的变化量和与之对应的电流变化量之比就是二极管的交流电阻rd。,非线性电阻,非线性电阻的直流电阻和交流电阻不同线性电阻的直流电阻和交流电阻相同,交流电阻rd的大小也是随工作点Q的变化而变化的，工作点的电流越大，rd就越小。,rd=26mv/ID(mA),五、二极管的主要参数,(一)最大整流电流IF 二极管长期连续工作时，允许通过的最大正向平均电流。(二)反向击穿电压UBR 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UBR。(三)最大反向工作电压URM 指管子允许施加的反向电压最大值。UBR=2URM(四)反向电流IR 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。,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,六、二极管的型号,第三节 半导体二极管的模型及应用,一、二极管的模型二、二极管模型的应用,一、二极管的模型,（一）直流模型（1）直流理想模型（2）直流恒压降模型（3）直流折线模型（4）直流指数模型（二）交流小信号模型,（1）直流理想模型（2）直流恒压降模型（3）直流折线模型（4）直流指数模型,模型越来越准确，但是计算越来越复杂,直流模型用在直流电源作用的电路中,（一）直流模型,正偏时导通，管压降为0V，电流决定于外电路反偏时截止，电流为0，两端电压决定于外电路,（1）直流理想模型,理想二极管的符号,（2）直流恒压降模型,管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。,（硅二极管）,（锗二极管将0.7V变为0.2V）,（3）直流折线模型,管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。,（硅二极管）,0.5V是二极管的死区电压,（锗二极管将0.5V变为0.1V）,（4）直流指数模型,（二）交流小信号模型（小信号模型）,注意：二极管的交流模型用在交流小信号电源作用的电路中,小：能够把曲线看成直线，而误差能够忍受,（一）用二极管直流模型来分析电路（二）用二极管交流模型来分析电路,二极管在某个电路中可以这样来使用：1、当作非线性电阻来使用，即所有时间内全部在正向导通区2、当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止3、当作开关来使用，即在所有时间内均导通 4、当作开关来使用，即在所有时间内均截止 5、当作小电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在正向导通区6、当作大电压稳压器件来使用，即所有时间内全部在反向击穿区,二、二极管模型的应用,（一）用二极管直流模型来分析电路,例1 求电路的ID和UD，已知R=10K在两种情况下计算:（1）UDD=10V（2）UDD=1V,解:,二极管使用直流理想模型,首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止；在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管,因为只有直流电压源作用，所以使用直流模型。,（硅二极管典型值）,2）二极管使用直流恒压降模型,首先：将原始电路中的二极管用它的直流恒压降模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管,（硅二极管典型值）,设,二极管使用直流折线模型,首先：将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管,二极管使用直流理想模型理想模型,首先：将原始电路中的二极管用它的理想模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管,（硅二极管典型值）,2）二极管使用直流恒压降模型,首先：将原始电路中的二极管用它的直流恒压降模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管,（硅二极管典型值）,设,二极管使用直流折线模型,首先：将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止在本题目中理想二极管正向导通，用理想的导线代替二极管,VDD=10V 时,VDD=1V 时,二极管使用直流理想模型理想模型,2）二极管使用直流恒压降模型,VDD=10V 时,VDD=1V 时,（硅二极管典型值）,（硅二极管典型值）,二极管使用直流折线模型,VDD=10V 时,VDD=1V 时,当电源电压远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型就可以取得比较合理的结果,当电源电压较低时，就必须使用折线模型才可以取得比较合理的结果,理想模型计算最简单，但是误差最大,本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通,(一)用二极管直流模型来分析电路,例2 限幅电路电路如图：输入正弦波，分析输出信号波形。R=1K，VREF=3V求（1）当,=0V、4V、6V时，求输出电压值,（2）当 时输出电压的波形,解：（1）当=0V、4V、6V时，求输出电压值,首先：考虑选用何种二极管的模型？因为只有直流电压源作用，所以使用直流模型。考虑到输入电压不高，且有VREF=3V，因此作用于二极管两端的电压不高，所以要选用折线模型才能满足题目的精度要求,将原始电路中的二极管用它的直流折线模型代替，得到右侧的电路然后：判断理想二极管的状态（导通或截止）。方法：将理想二极管断开，求阳极和阴极的电位差，若0,则理想二极管正向导通；若0，则理想二极管反向截止,1）当=0V时，求输出电压值,理想二极管截止，支路断开,2）当=4V时，求输出电压值,理想二极管导通，用理想导线代替,3）当=6V时，求输出电压值,理想二极管导通，用理想导线代替,（2）当 时输出电压的波形,虽然 是一个交流电压源，但是对二极管来说，并不是小信号，所以二极管仍然采用直流模型，交流电压源可以看成为某个瞬时值的直流电压源,理想二极管被反偏，处于截止状态,理想二极管导通，理想导线代替,本题目中二极管当作开关来使用，即某段时间内导通，某段时间内截止,例3 有两个二极管的开关电路,本题目中，二极管当作开关来使用，即在所有时间内均导通，或者在所有时间内均截止,(一)用二极管直流模型来分析电路,设二极管是理想的，判断两个二极管的状态，并求输出电压Uo,解题思路,1、将二极管从电路中拿走，在此电路的基础上求两个二极管的阳极和阴极之间的电位差2、两个二极管的阳极和阴极之间的电位差共有三种情况：1）均小于02）均大于03）一个为正，另一个为负3、根据不同的情况做出判断：1）均小于0：立即得出结论，两个二极管均截止2）均大于0：这其中会有一大一小，可以得出结论，大的那个二极管一定导通，小的那个状态不定，需要做进一步的判断。大的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。3）一个为正，另一个为负：正的那个二极管一定导通，负的那个状态不定，需要做进一步的判断。正的那个二极管导通后用理想的导线代替，这时整个电路就转化成了只有一个二极管的电路，按照例3的方法继续判断，从而得出最后的结论。,UO=5V,(二)用二极管交流模型来分析电路,例4 低电压稳压电路,直流电压源UI的正常值为10V，R=10K，若UI变化1V时，问相应的硅二极管电压（即输出电压）的变化如何？,解（1）求静态工作点，画出直流通路，二极管采用直流模型（2）画交流通路，二极管采用交流模型（这时的信号是小信号）,第五节 特殊二极管,一、稳压二极管二、光电二极管三、发光二极管,一、稳压二极管,稳压原理：在反向击穿时，电流在很大范围内变化时，只引起很小的电压变化。,正向部分与普通二极管相同,当反向电压加到一定值时，反向电流急剧增加，产生反向击穿。,(1)稳定电压UZ：在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。(2)动态电阻rZ：rZ=U Z/I Z，rZ 愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作电流Izmin：保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIzmin 则不能稳压。(4)最大稳定工作电流Izmax：电流超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。,稳压二极管的主要参数,（5）额定功耗PZM：PZM等于稳压二极管的稳定电压UZ与最大稳定工作电流Izmax的乘积。稳压二极管的功耗超过此值时，会因PN结的温度过高而损坏。对于一只具体的稳压二极管，可以通过其PZM的值，求出Izmax的值。,稳压管的计算,例1-5 已知稳压二极管稳压电路中，输入电压Ui为13V，最小稳定工作电流Izmin=5mA，额定功耗PZM=200mW，稳定电压UZ=5V；负载电阻RL=250，计算限流电阻R的取值范围。,解：答案中详细的步骤,对RL应用欧姆定律，端电压与电流的参考方向为关联的，所以,最大稳定工作电流,对结点A应用KCL定律，有,限流电阻R的最小值,限流电阻R的最大值,。,限流电阻的取值,R,例1-6 在例1-5中，输入电压Ui为1214V，其余参数完全相同，计算限流电阻R的取值范围。,解：,R,例1-7 在例1-6中，若负载电阻RL在200300之间变化，其它参数一样，要求电路提供给负载电阻的电压仍为5V，再求限流电阻的值。,解：,R,光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。,其结构和普通的二极管基本相同,它利用光电导效应工作，PN结工作在反偏状态，当光照射在PN结上时，束缚电子获得光能变成自由电子，产生电子空穴对，在外电场的作用下形成光电流。,应在反压状态工作,发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件，它只有在加正向电压时才发光。,二、光 电 二 极 管,三、发 光 二 极 管,LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平对应二极管发光,控制端为低电平对应二极管发光,e,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,