极管及其基本电路.ppt

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1、,第3章 二极管及其基本电路,1 半导体的基本知识 2 PN 结的形成及特性 3 二极管 4 特殊二极管,一、导体、半导体和绝缘体,导体半导体绝缘体,如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,1 半导体的基本知识,1、自然界中的物质按照其导电性能可分为,半导体之所以能制成半导体器件，并不是因为它的导电性能介于导体和绝缘体之间，而是因为它具有一些独特的导电性能。,(1)与温度有关：T 即负温度系数(2)与光照有关 光照与掺杂有关 掺杂 而且搀入不同的杂质，还可以改变其导电类型。,2、半导体的特点：半导体的导电性能,二、本征半导体,1、本征半导体的结构特点完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,（1）

2、硅(Si)、锗(Ge)原子的结构,硅(Si)原子的结构,锗(Ge)原子的结构,简化模型,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。使原子规则排列，结构紧凑。,二、本征半导体,1、本征半导体的结构特点,（2）硅、锗原子的共价键结构,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,自由电子,空穴，一种带正电荷的粒子。,电子(N)空穴(P)总是

3、成对出现的-本征激发;电子-空穴对的数目对温度、光照十分敏感；一定温度和光照下，电子和空穴的浓度稳定。电子和空穴也可以复合而消失；,二、本征半导体,2、本征半导体的导电机理,（1）载流子、自由电子和空穴,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子。同时在原位留下一个空穴。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,（2）导电情况,二、本征半导体,2、本征半导体的导电机理,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,E,电子和空穴统称为载流子；总电流IN+IP；空穴运动的实质是共有电子依次填补空穴的运动；本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度

4、nN(nP)。TnN(nP)r 即负温度系数与光照有关 光照r,1、N 型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价元素的原子（磷或锑），取代晶体点阵中的某些半导体原子，每个施主原子提供一个自由电子。,多余电子,施主原子,三、杂质半导体,N 型半导体中的载流子包括（1）由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。（2）本征半导体中成对产生的电子和空穴。nNnP 自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。N型半导体的模型,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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。,（1）在本征半导体中掺入三价元素的原子（受主杂质）

5、而形成的半导体。,（2）每一个三价元素的原子提供一个空穴作为载流子。,空穴,硼原子,（3）P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,2、P 型半导体,（4）P型半导体的模型,三、杂质半导体,（1）杂质半导体就整体来说还是呈电中性的。（2）杂质半导体中的少数载流子虽然浓度不高，但对温度、光照十分敏感。（3）杂质半导体中的少数载流子浓度比相同温度下的本征半导体中载流子浓度小得多。,3、说明,三、杂质半导体,1、漂移电流 载流子在电场作用下有规则的运动-漂移运动 形成的电流-漂移电流2、扩散电流载流子由于浓度的不均匀而从浓度大的地方向浓度小的地方扩散所形成的电流。,四、漂移电流与扩散电流,一、PN 结

6、的形成,2 PN结的形成及特性,P 型半导体,N 型半导体,载流子浓度差,扩散,内电场E,漂移,如果没有外加电压自由状态下的PN结,2、说明（1）空间电荷区（耗尽层、势垒区、高阻区）内几乎没有载流子，其厚度约为0.5。（2）内电场的大小：对硅半导体：UD0.60.8V，对锗半导体：UD0.20.4V（3）从宏观上看，自由状态下，PN结中无电流。（4）当两边的掺杂浓度相等时，PN结是对称的。当两边的掺杂浓度不等时，PN结不对称。,一、PN 结的形成,离子密度大空间电荷层较薄,离子密度小空间电荷层较厚,P 型半导体,N 型半导体,1、PN 结正向偏置,二、PN结的单向导电性,P 区加正、N 区加负

7、电压。,多子的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。,2、PN 结反向偏置,P 区加负、N 区加电压正。,少子的漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,3、结论：PN结具有单向导电性。,雪崩击穿通常发生在耗尽层的宽度较大的情况下，出现碰撞电离，产生电子的倍增效应。齐纳击穿通常发生在耗尽层的宽度很小的情况下，出现场致激发。热击穿：,反向电压继续增加到一定值以后，反向电流开始剧烈增加。这时PN结被击穿。,三、PN结的反向击穿,势垒电容CB：当电压变化时，引起积累在势垒区的空间电荷的变化。,CB S(PN结面积)(空间电荷区的宽度)，与半导体材料的介电系数、外加电压的大小有关。大小：0.51

8、00PF 势垒电容CB在正向和反向偏置时均不能忽略。,四、PN结的电容效应,扩散电容CD：为了形成正向电流（扩散电流），电子在P 区有浓度差，空穴在N区有浓度差。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。,大小与正向电流I成正比，大约为几+PF0.01F。,R,u,PN结的总电容：CJ=CB+CD,1、结构,PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,2、电路符号：,按用途分：整流二极管，检波二极管，稳压二极管，。按材料分：硅二极管，锗二极管。,3、分类,按结构分：点接触型，面结合型，平面型。,点接触型 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,3 二极管,一、结

9、构及符号,面接触型：PN结面积大，用于工频大电流整流。,4、半导体二极管图片,一、结构及符号,整流二极管,点接触二极管,可控硅整流二极管,激光二极管,真空二极管,肖特基二极管,发光二极管,PIN二极管,隧道二极管,齐纳二极管,信号二极管,shockey二极管,光电二极管,晶体二极管,阶跃恢复二极管,珀耳帖二极管,恒流二极管,变容二极管,雪崩二极管,甘恩二极管,红外线发光二极管,瞬态电压抑制二极管,1、硅管的伏安特性2、锗管的伏安特性3、说明（1）二极管的伏安特性曲线都是从坐标原点开始的。（2）电流与电压的关系是非线性的。（3）硅管的上升部分比锗管陡一些。（4）二极管正常工作时，其正向压降为：0

10、.60.8V 硅管（取0.7V）0.20.4V 锗管（取0.3V）,加到二极管两端的电压与流过二极管的电流的关系曲线二极管的伏安特性曲线。,二、伏安特性,（6）反向电压大到一定值以后反向电流几乎不随电压的增加而增加。这时的电流反向饱和电流（IS）。它主要与环境温度有关（TIS）。,二、伏安特性,（7）反向电压继续增加到一定值以后，反向电流开始剧烈增加。这时二管被击穿。,（8）温度对二极管特性的影响 T正向特性曲线左移，反向特性曲线下移。,I正=-22.5mA/IR=1倍/10,（5）正向偏置电压需要达到一定的数值，电流才开始显著上升，这个电压称为门限电压或接通电压。,UON,0.4V 硅管,0

11、.1V 锗管,IS 反向饱和电流,UT=kT/q 温度的电压当量,在常温下（T=300K），UT26mV,当二极管反偏时：uD-26mV时，IIS当二极管零偏时：uD=0，I=0当二极管正偏时：uD26mV时，,三、伏安公式,数学建模：,（1）最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,（2）反向击穿电压UBR,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压UBRM一般是UBR的一半。,（3）反向电流 IR,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流

12、越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,四、主要参数,（5）交流电阻 rD,ID,UD,rD是对Q处切线斜率的倒数,理论计算,常温下（T=300K）,四、主要参数,（4）直流电阻 RD,注意：工作点不同，直流电阻不同！,（1）应用于直流电路的情况,（2）应用于交流电路的情况,五、等效电路,例1、二极管电路的图解分析法：已知电路和二极管的伏安关系如图，求二极管两端的电压UD和流过二极管的电流ID。,六、应用举例,求解方程组：y=x+2(1)y=x2(2)方法1：将(2)代入(1)，得 x2-x-2=0 解得：x=-1,2

13、代入(2)中得：y=1,4方法2：作图，求出交点,(2,4),(-1,1),E=RID+UDID=f(UD),例2、二极管半波整流，设二极管的导通电压为0V。,六、应用举例,例3、二极管的应用，设二极管的导通电压为0V。,六、应用举例,例4、判断图中二极管是否导通，并求AB两端的电压。设二极管的导通电压为0.7V。,判断二极管在电路中的工作状态：假设二极管断开，然后求得正极和负极的电位及两端的电压。如果该电压大于导通电压，则该二极管处于正偏而导通，两端的实际电压为二极管的导通电压；如果该电压小于二极管的导通电压，则说明该二极管处于反偏而截止。,导通，UAB=-0.7v-5v=-5.7v,六、应

14、用举例,-5V,-10V,3k,10V,15V,D2,A,B,D1,D1导通，D2截止UAB=0.7V,D2优先导通D1截止，UAB=9.3V,六、应用举例,例5、判断图中二极管是否导通，并求AB两端的电压。设二极管的导通电压为0.7V。,0,-9,-12,-9,0,-10,15,-9.3,假设两个二极管断开，判断两个二极管在电路中的工作状态；,一个导通、一个截止两个均截止；两个均导通,电压大的优先导通后，再判断另一个二极管是否导通,例6、设图中的二极管D为理想二极管，试通过计算，判断它是否导通。,假设D断开，由右边的回路可知，C点对地的电压 由左边的回路可知，B点对A点的电压 A点对地的电压

15、B点对地的电压为 4+(4)=8V，B点对C的电压为 8(10)=2V,六、应用举例,-10,-4,-4,D为导通状态,D为截止状态,D为导通状态,例7、设图中的二极管D为理想二极管，已知ui(t)的波形如图，在0t5ms的时间间隔内，试绘出uo(t)的波形。,ui(t)6V时，D截止，uo(t)=6V;ui(t)6V时，D导通:,六、应用举例,uo=uR+E=i200+6V,方法1,方法2,i2R+E-ui=0,例8、设图中的二极管D为理想二极管，求uo(t)与ui(t)的关系传输特性,0ui(t)12V时，D1,D2截止，uo(t)=ui(t);ui(t)12V时，D1导通,D2截止:,六

16、、应用举例,-10Vui(t)0V时，D1,D2截止，uo(t)=ui(t);ui(t)-10V时，D1截止,D2导通:,一、稳压二极管（齐纳二极管）,rZ 越小，电压越稳定。,3 特殊二极管,1、特点：反向击穿区非常陡峭。正常工作时处于反向击穿状态，工作点设在陡峭曲线的中间部分。2、稳压二极管的参数:（1）稳定电压：UZ（2）稳定电流：IZ（3）最大、最小稳定电流：Izmax、Izmin。,（5）最大允许功耗：PZM=UZIZmax,（4）交流电阻：rZ=DU/DI,3、稳压二极管的应用举例1,一、稳压二极管,设图中的稳压管的稳定电压都为UZ=8V，正向导通电压忽略不计，已知ui(t)的波形

17、如图，试绘出uo(t)的波形。,3、稳压二极管的应用举例2,一、稳压二极管,UI,UI=IRR+UZ=IRR+UO IR=IZ+IO,R：限流降压作用,工作原理,当RL不变时：,Uo,IZ,IR,IRR,Uo,当UI不变时：RLIoIR,输出电压趋向稳定稳压电路,电路元件参数的选择,（1）选择稳压管：UZ=Uo；Izmax=(1.53)Iomax,（2）决定输入电压UI：UI=(23)Uo考虑电网电压允许10%的变化,（3）限流电阻的选择：R的选择应使IZ限制在IZminIzmax之间。当电网电压最高和负载电流最小时，IZ的值最大，它不能超过Izmax，即,一、稳压二极管,当电网电压最低和负载

18、电流最大时，IZ的值最小，它不能低于Izmin，即,二、肖特基二极管（Schottky Barrier DiodeSBD）,金属半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，是一种热载流子二极管。特点：低功耗、大电流、超高速半导体器件。其反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），正向导通压降仅0.4V左右，而整流电流却可达到几千安培。,A区贵金属（金、银、铝、铂等）,B区N型半导体,电子浓度差,三、变容二极管,特点：工作于反向状态，结电容（主要是势垒电容）随反向电压的增加而减少。,四、光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升，工作于反向状态。,五、发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。,六、激光二极管,在发光二极管的节间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。,激光,P97,第3章 结束,