课题一半导体二极管及其基本电路.ppt

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1、课题1:半导体二极管及其基本电路,对应教材章节内容:14.1 半导体的导电特性14.2 PN结及其单向导电性14.3 二极管14.4 稳压二极管,半导体二极管,1.1半导体二极管的特性：半导体二极管具有单向导电性。,半导体二极管,1.2 半导体二极管的结构和符号,14.1 半导体的导电特性,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(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）。,光敏性：当受到光照时，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

2、高时，导电能力显著增强,14.1.1 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,本征半导体的导电机理,空穴,自由电子,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,自由电子和空穴都称为载流子。,载流子形成动画,(1)N型半导体,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,N 型半导体：多子自由电子少子空穴,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,

3、P 型半导体：多子空穴少子自由电子,(2)P型半导体,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,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,P 型半导体,N 型半导体,(1)PN结的形成,形成空间电荷区,PN结形成动画,14.2 PN结及其单向导电性,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

4、，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,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。,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电荷区,在一块本征半导体的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)PN结的单向导电性,PN 结加正向电压（正向偏置）,P接正、N接负,IF,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。,PN正偏动画,PN 结加反向电压（反向偏置）,IR,

5、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，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,PN反偏动画,PN结单向导电性小结,PN结单向导电性动画,PN结正向导通：加正向偏置电压时，呈现低电阻，具有较大的正向导通电流；,PN结反向截止：加反向偏置电压时，呈现高电阻，具有较小的反向饱和电流；,14.3 二极管,14.3.1 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

6、可大可小，用于高频整流和开关电路中。,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,(1)测试电路,伏安特性实验电路,14.3.2 伏安特性,(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,uD,iD/mA,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,iD/uA,(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,(3)反向电流

7、 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URM实际工作时，为安全：URM UBR/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。,14.3.3半导体二极管的主要参数,思考:如何判断二极管的好坏以及它的极性?,使用万用表的R1K 档先测一下它的电阻，黑红表笔分别搭在二极管的两端，若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。(指针式表)如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷，说明二极管已损坏。,14.3.4二极管的基本电路及其分析方法,(1)二极管的简化模型,理想模型：,恒压降模型：,(2)二极管电路分析,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析

8、方法：将二极管断开，分析二极管两端电位。,若 V阳 V阴，二极管导通若 V阳 V阴，二极管截止,若 V阳 V阴+VF，二极管导通若 V阳 V阴+VF，二极管截止,理想模型：,恒压模型：,电路如图，二极管为硅管,求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴+VF 二极管导通,例1：,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。,在这里，二极管起钳位作用。,（1）理想模型：UAB=6V（2）恒压降模型：UAB=6.7V,+,-,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通,例2:,D1、D2为理想二极管，

9、求：UAB,在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,V1阴=0 V,D1截止,UAB=0V,练习：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。,ui 8V，二极管导通,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：限幅电路,参考点,VD阴=8 V;VD阳=ui,uo=8V,uo=ui,ui 8V，二极管截止,14.4 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,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

10、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,思考：,1.若稳压管极性接反,会出现什么问题?2.电阻R的作用是什么？不加可不可以？,5.选管的原则,例1：稳压电路如图。已知稳定电压UZ=6V，R=200，RL=1k，当UI=9V时，求R上的电流I、负载电流IL，稳定电流IZ以及输出电压UO。,例2：已知稳压管2CW17的参数为：UZ=10V，稳定电流为5mA，额定功耗PZ=250mW，求电源电压E分别为8V，18V，-6V时的UO和I。为使电路正常稳压,E的最大允许值为多大?,(1)E=8VUz=10V,稳压管Dz未被击穿,相当于断开 UO=E=8V,I=0,(2)E=18VUz=10V,稳压管正常稳压，UO=Uz=10V,UR=E-UO=8V,(3)E=-6V时,稳压管正向导通，UO=-0.7V,UR=-6+0.7=-5.3V I=-5.3mA,(4)稳压管最大稳定电流Izm=Pz/Uz=25mA为保证稳压管正常工作，需IIzm=25mA Em=IzmR+Uz=35V,