半导体二极管及其电路分析备.ppt

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1、温故知新,1、电流方向（），电压方向（）,2、并联总电阻和分电阻的关系。,3、电解电容在电路中如何连接。,4、基尔霍夫电压定律的内容与解题方法。,温故知新,内容：回路总电压和为零。,方法：1、选择合适回路。2、标出回路中各元件电压方向3、若元件电压方向和回路绕行方向相同则电压为正，反之为负。4、列回路方程解题。,5、学会用工程观点解决问题（估算法）,第一章 半导体二极管及其电路分析,半导体器件是构成电路的基本元件，构成半导体器件的材料是经过加工的半导体材料，因此半导体材料的性质在很大程度上决定了半导体器件的性能。,新语新知,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管及其特性,1.3 二极管

2、基本应用电路及其分析方法,1.4 特殊二极管,1.1 半导体的基础知识,自然界中的物体，根据导电能力(电阻率)可分为：导体、绝缘体、半导体。,常见的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge）。,价电子,1.1.1 本征半导体,共价键：,半导体的基础知识,对电子束缚较强,电子-,空穴,2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电,3、本征半导体导电能力弱，并与光照和温度有关。,制造半导体器件的材料不是本征半导体，而是人为的掺入杂质的半导体，目的是为了提高半导体的导电能力,1.1.2 杂质半导体,1、掺入5价元素（磷、砷、锑）2、掺入3价元素（硼、铝、铟）,1 掺入5价元素（磷）,自由电子,电子为多数载流子

3、多子,空穴为少数载流子少子,掺杂磷产生的自由电子数本征激发产生 的电子数,自由电子数空穴数,N型半导体,载流子数 电子数,磷原子：施主原子,杂质半导体,N型半导体的简化图示,多子,少子,2 掺入3价元素（硼）,掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴,空穴数自由电子,空穴为多子,电子为少子,P型半导体,硼原子：受主原子,载流子数 空穴数,P型半导体的简化图示,多子,少子,3 半导体的导电性,I=IP+IN,本征半导体电流很弱。,N型半导体：IIN,P型半导体：IIP,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响。,一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/c

4、m3掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3以上两个浓度基本上依次相差106/cm3,4杂质对半导体导电性的影响,N型半导体：电子为多子，空穴为少子 载流子数自由电子数 施主原子提供电子，不能移动，带正电。,总结：,P型半导体：空穴为多子，电子为少子 载流子数空穴数 受主原子提供空穴，不能移动，带负电。,PN结及其单向导电性,一 PN结的形成,P,N,由于载流子的浓度差引起多子的扩散运动,由于复合使交界面形成空间电荷区（耗尽区）,空间电荷区,阻碍多子的扩散运动,有利于少子的漂移运动,引起载流子定向移动的类型,1、扩散电流：载流子的浓度差引起,2、漂移电流：由于电场引起的定向

5、移动,在PN结中扩散和漂移最后达到动态平衡即扩散电流漂移电流，总电流0,PN结,PN结,二、PN 结的单向导电性,1 正向偏置（P区接电源正极，N区接电源负极）,外电场的作用使空间电荷区变窄，扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而形成正向电流。,此时PN结呈现低阻态，PN结处于导通状态，理想模型为闭合开关。,PN结,2 反向偏置（P区接电源负极，N区接电源正极）,外电场的作用使空间电荷区变宽，扩散运动变弱，漂移运动加强，从而形成反向电流，也称为漂移电流。,此时PN结呈现高阻态，漂移电流很小，此时PN结处于截止状态，模型相当于开关打开。,结论,PN结反向偏置时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且和

6、温度有关。,PN结正向偏置时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结,1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？,3、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。,4、PN结中扩散电流的方向是从（）区指向（）区，漂移电流的方向是（）区指向（）区。,温故知新,2、Si参杂（）形成N型半导体，掺杂（）形成P型半导体。,5、解释PN结正向偏置。,9、PN结单向导电性是指什么？,PN结,温故知新,6、PN结正向偏置后所具有的特点。,7、解释PN结反向偏置。,8、PN结反向偏置后所具有的特点。,1.2.1 二极管的结构与类型,构成：,P

7、N 结+管壳+引线=二极管(Diode),1.2 半导体二极管及其特性,二极管的符号：,正极（阳极）,负极（阴极）,半导体二极管,分类：,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,半导体二极管的类型,点接触型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频小电流电路。,半导体二极管,面接触型,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,半导体二极管,平面型二极管,往往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。,半导体二极管,tiao,1.2.2 二极管的伏安特性,半导体二极管,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,Uth,死区电压,反向特性,IS,-U(BR),反向击

8、穿,U,一 正向特性,iD=0,Uth=0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on)=(0.6 0.8)V,硅管 0.7 V,(0.1 0.3)V,锗管 0.2 V,-U(BR)U 0,iD=IS,(硅)0.1 A,(锗)几十A,U-U(BR),反向电流急剧增大,(反向击穿),二 反向特性,硅管的伏安特性,锗管的伏安特性,三 反向击穿特性：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿：(Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 6 V),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击使自由电子数突增。,PN 结未损坏，断

9、电即恢复。,PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V),四 温度对二极管特性的影响：,反向特性曲线下移，即反向电流增大。,一般在室温附近，温度每升高1，其正向压降减小2-2.5mV；温度每升高10，反向电流大约增大1倍左右。,半导体二极管,1.2.3 二极管的参数,1.IF 最大整流电流(二极管长期连续工作时允许通过的最大正向平均电流),2.UBR 管子反向击穿时的电压,半导体二极管,3.URM 最高反向工作电压，实际上只按照U(BR)的一半来计算,4.IR 反向电流(管子未被击穿前的反 向电流，该值越小单向导电性越好),6.fM 最高工作频率(二极管工作的 上限频率，超过该频率时，结电容起 作用，

10、不能很好的体现单相导电性)。,5.UD(on)导通电压：二极管在正向电压工作时，管两端会产生正向电压降，其压降值越小管越好。硅为0.7V，锗为0.2V。,半导体二极管,一、理想二极管,符号及等效模型：,正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0,1.3 二极管基本应用电路及其分析方法,半导体二极管,二、二极管的恒压降模型,UD(on),uD=UD(on),0.7 V(Si),0.2 V(Ge),半导体二极管,硅二极管基本电路如图所示，试求电流I1,I2,IO,和UO,例,半导体二极管,1、二极管符号,温故知新,半导体二极管,2、二极管的正向恒压特性,3、二极管的导通电压,4、理想模型二极管的导通、

11、截止条件,5、恒压降模型二极管的导通、截止条件,6、二极管基本电路的解题步骤,温故知新,半导体二极管,6、二极管基本电路的解题步骤,1)标出二极管正负极,2)去掉二极管，判断V+和V-,3)利用不同的模型判断二极管状态（导通或截止），在二极管不同的状态下解题,二极管基本电路如图所示，VDD=10V，应用理想模型求解电路的UD和ID。,例1,ID=（VDD-UD）R=（10-0）V10K=1mA,UD=0V,解：,半导体二极管,1、限幅电路：它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。,例：一限幅电路如图所示，R=1K，VREF=3V。当Ui=6sint(V)时，利用恒压降模型绘出相应

12、的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。,Ui3.7V时D导通，UO=0.7+3=3.7V,Ui3.7V时D截止，UO=Ui;,半导体二极管,半导体二极管,例：分析如图所示的硅二极管电路(1)画出电压传输特性曲线;(2)已知Ui=10sint(V)时，利用恒压降模型绘出相应的输出电压UO的波形。二极管的恒压降为0.7V。,例：分析如图所示的硅二极管电路(1)画出电压传输特性曲线;(2)已知Ui=6sint(V)时，利用理想模型绘出相应的输出电压UO的波形。,2、开关电路：利用二极管的单向导电性以接通或断开电路，这在数字电路中广泛应用。,例:二极管开关电路如图所示，当UA和UB为0V或5

13、V时，求UA和UB的值不同组合情况下，输出电压Uo的值。设二极管是理想的。,半导体二极管,开关电路：或门,例:二极管开关电路如图所示，当UA和UB为0V或5V时，求UA和UB的值不同组合情况下，输出电压Uo的值。设二极管是理想的。,截止,截止,截止,截止,导通,导通,导通,导通,0,5,5,5,半导体二极管,3、整流电路：将交流电压转换成脉动的直流电压。,例3：单相桥式整流电路如图所示，电源US为正弦波电压，试绘出负载RL两端的电压波形，设二极管为理想的。,Ui0V时D2、D3导通，UO=Ui,Ui0V时D4、D1导通，UO=-Ui,半导体二极管,半导体二极管,二极管的单向导电性应用很广，可用

14、于：限幅、整流、开关、检波、元件保护等。,应用,半导体二极管,三、二极管的折线近似模型,UON,斜率1/rD,rD,UON,半导体二极管,三 小信号模型,如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是动态电阻 rd,半导体二极管,例:如图所示,输入电压UI为10V,分析当UI变化1V时,输出电压UO的相应变化量和输出电压量.,1.4 特殊二极管,1.4.1 稳压管,稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。,当反向电压加到某一定值时UZ，产生反向击穿，反向电流急剧增加，只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会损

15、坏。,1、稳压管的伏安特性,工作在反向击穿特性区,_,2、稳压管的主要参数,稳定电压UZ,指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V，高的可达300V，它的正向电压约为0.6V。,稳定电流IZ（Izmin-Izmax）,指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。,_,额定功耗PZM,指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。,温度系数,指温度每变化1时稳压值的变化量。VZ小于4V的管子具有负温度系数，VZ大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。,动态电阻rz,指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电

16、阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,注意,接法：反接,电阻R的作用：限流,RL代表：负载,工作区：反向击穿,3、稳压管的基本电路,三、应用,例1：电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是否合适？,解：,故，R是合适的。,例2：电路如图，IZmax=50mA，R=0.15K,UI=24V,IZ=5mA,UZ=12V，问当 RL=0.2K 时，电路能否稳定，为什么？当 RL=0.8K 时，电路能否稳定，为什么

17、？,解：,例3、电路如图，UI=12V，UZ=6V，R=0.15K，IZ=5mA，IZMAX=30mA,问保证电路正常工作时RL 的取值范围,解：,例4：已知u=10sin(t)V,UZ=6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,例5：已知u=10sin(t)V,UZ=+6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,例6：已知u=3sin(t)V,UZ=6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,例7 稳压电路如图所示，直流输入电压VI的电压在12V13.6V之间。负载

18、为9V的收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为0.5W。稳压管的VZ=9V，稳定电流IZmin=5mA，额定功率为1W，R=51。试分析稳压管电路能否正常工作。,收音机所需电流,流过R的电流为,流过稳压管的电流为,解,由于收音机音量最大时，稳压管流过的电流,稳压管的稳定电流范围为：,所以稳压管失去了稳压作用。,其它类型二极管,发光二极管,光电二极管,发光二极管,发光二极管是通过电流时发光的一种器件，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发出的光的波长由所使用的基本材料而定。它的符号如图所示。,发光二极管基本电路,工作区：正向偏置,接法：正接,作用：把电信号转换成光信号,主要应用：作为显示器件,光电二极管,光电二极管的结构与普通二极管类似，但在它的PN结处，通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。这种器件的PN结在反向偏置状态下运行，它的反向电流随光照度的增加而上升。它的符号如图所示。,光电二极管基本电路,接法：反接,工作区：反向偏置,作用：把光信号转换成电 信号,光电二极管的伏安特性,