第2章半导体二极管用3学时ppt课件.ppt

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1、第二章 半导体二极管及其基本电路,返回,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.3 二极管,第二章 半导体二极管及其本电路,对你的期望：,3、掌握二极管外特性、基本电路及分析方法、应用；,4、正确理解二极管工作原理、主要参数、使用方法；,1、了解PN结的形成；,2、掌握以下基本概念：空穴、多子、少子、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；,5、掌握稳压管工作原理及使用；,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.4 二极管的基本电

2、路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.3 二极管,2.1 半导体的基本知识,2.1.1 半导体,2.1.2 本征半导体,2.1.3 掺杂半导体,2.1.4 杂质半导体示意图,2.1.1 半导体,物质的导电性能决定于原子结构，最外层电子数目越少，导电性能越强,导 体：一般是低价元素，如铜、铁、铝,绝缘体:一般为高价元素（如惰性气体）或高分子物质（如塑料或橡胶）,半导体：它的导电性能是介于导体和绝缘体之间 的,常用半导体材料：硅(Si)和锗(Ge)，它们均为四价元素,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻),掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变。,光敏性：当受到

3、光照时，导电能力明显变化。(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。,(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,2.1.2 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。

4、,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：1）自由电子作定向运动 电子电流 2）价电子递补空穴 空穴电流,注意：1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2.温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合 在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,2.1.3 掺杂半导体

5、,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,2.1.3 掺杂半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,2.1.4 N型半导

6、体和 P 型半导体示意表示法,P 型半导体,N 型半导体,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.3 二极管,2.2 PN结的形成及特性,2.2.1 PN 结的形成,

7、2.2.2 PN 结的单向导电性,2.2.3 PN 结的反向击穿,2.2.4 PN 结的结电容效应(自学了解),P 型半导体,N 型半导体,2.2.1 PN 结的形成,形成空间电荷区,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,2.2.1 PN 结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,2.2.1 PN 结的形成,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间

8、电荷区,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,PN结的形成,2.2.2 PN结单向导电性,2.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压（正向偏置）,P接正、N接负,IF,多子在外电场的作用之下通过PN结进入对方，形成较大的正向电流。,PN 结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,少子在电场的作用之下，通过PN结进入对方，但少子数量很少，形成的反向电流很小。,IR,P接负、N接正,P,N,+,+,+,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，反向电流较小，反向

9、电阻较大，PN结处于截止状态。,3、结论：,PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时，正向导通：电阻值很小，具有较大的正向导通电流，开关闭合,PN结加反向电压时，反向截止：呈现高电阻，具有较小反向饱和电流，开关断开,4、PN结V-I特性表示式：,（二极管特性方程）,2.2.3 PN的反向击穿,当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。,2.2.4 PN结电容效应（自学了解）,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.3 二极管,2.3 半导体

10、二极管,2.3.1 基本结构,2.3.2 伏安特性,2.3.3 主要参数,2.3 半导体二极管,2.3.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,2.3 半导体二极管,二极管的结构示意图,符号：,D,2.3 半导体二极管,伏安特性实验电路,2.3.2 伏安特性,2.3.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加

11、电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V,锗0.20.3V。,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,2.3.3 主要参数,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 VBR,3.反向电流 IR,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。最大反向工作电压VRM实际工作时，为安全：VRM VBR/2，,在室温及规定的反向电压下的反向电流值。硅管：(nA)级；锗管：(A)级。,二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极

12、管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.3 二极管,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,2.4.1 半导体二极管等效模型：,1 理想模型：,理想二极管,2 恒压降模型：,2.4.2二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的

13、工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,Eg.1 简单硅二极管电路：R=10K,解：分析可知二 极管正偏：,1 理想模型：,2 恒压降模型：,求:VDD=10V时 I D 及V D,硅二极管电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通1、理想模型：VD=0V，UAB=6V2、恒压降模型，VD=0.7V，UAB=6.7V,Eg.2：,取 B 点

14、作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,+,-,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。1、理想模型:VD2=0V，UAB=0 V,Eg.3:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,Eg.4 电路如图，(设D为理想二极管）判断二极管工作状态，并求输出电压。,D导通,D2优先导通 D1截止,D2优先导通,D1截止,VAO

15、=-15V,VAO=0V,VA0=4V,参考点,ui 3V，二极管导通，可看作短路 uo=3V ui 3V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,3V,Eg.5 限幅电路：,二极管阴极电位为 3 V,Eg.6全波整流电路,2.工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、D3 导通，D2、D4 截止。,3.工作波形,1.电路结构,Eg.6 全波整流电路,2.工作原理,3.工作波形,1.电路结构,u 正半周，VaVb，二极管 1、3 导通，2、4 截止。,u 负半周，VaVb，二极管 2、4 导通，1、3 截止。,第二章 半导体二极管及其基本电路,2.1

16、 半导体的基本知识,2.2 PN结的形成及特性,2.4 二极管的基本电路及其分析方法,2.5 特殊二极管,2.3 二极管,2.5 特殊二极管,利用二极管电容效应。多用于高频技术,光电二极管,特点：抗干扰能力强，传输信息量大、传输损耗小且工作可靠。在信号传输和存储等环节中多用。,导通电流为2mA-10mA（20mA）导通电压为1V-2V,发光二极管,常见有红、绿、黄三种颜色。主要用于显示,主要应用于小功率光电设备中。如：光盘驱动器和激光打印机的打印头等。,激光二极管,2.5.1 稳压二极管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,+

17、,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,4.基本稳压电路,稳压管工作必要条件：工作在反向击穿状态 串入电阻R IZmin IZ IZmax,2、上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？,1、电阻R的作用是什么？不加可不可以？,思考：,5.选管的原则,思考题：,、电路中，3为理想二极管，、灯泡全同，则最亮的灯为哪个？、为理想二极管，当用普通指针式万用表置档，用黑表笔接，红表笔接，则万用表指示值为多少？,3.两个稳压管稳压值分别为6V、7V且它们的正向导通压降为0.6V。则两管串联时可能有几种输出电压。两管并联时又可能有几种输出电压。,思考题:,4.稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求电路中UO1和UO2?,5.电路如图（a）、（b）所示，稳压管的稳定电压UZ3V，R的取值合适，uI的波形如图（c）所示。试分别画出uO1和uO2的波形。,