模拟电子技术基础PPT电子课件教案-第二章 半导体二极管及其基本电路(用3学时).ppt

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,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,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。,2.1.3 掺杂半导体(n型半导体和p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,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,p 型半导体： 多子空穴 少子自由电子,2.1.3 掺杂半导体,2.1.4 n型半导体和 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,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,2.2.2 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,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）,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结的反向击穿,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,(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。,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,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位。,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，求：uab,v阳 =6 v v阴 =12 v v阳v阴 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 = 6.3或6.7v,+,-,v1阳 =6 v，v2阳=0 v， v1阴 = v2阴= 12 v ud1 = 6v，ud2 =12v ud2 ud1 d2 优先导通,例2:,ud1=6 v,d1、d2为理想二极管，求：二极管电压和电流,在这里， d2 起钳位作用， d1起隔离作用。,ud2 = 0 v,v1阴 =0 v,d1截止。,例 3：电路如图， (设d为理想二极管） 判断管子工作状态，并求输出电压。,v a =12v v b =-15v,v ab = v a - v b = 27v0,d导通 v ao =-15v,v a1 = v a2 = 12v v b1 =15v v b2 =0v,v ab1 = -3v0,d2导通、 d1截止 v ao =0v,v a1 = v a2 = 12v v b1 =0v v b2 =-4v,v ab1 = 12v0 v ab2 = 16v0,d2导通,v ab1 = -4v0,d1截止,ui 8v，二极管导通,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8v,例4：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、箝位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,vd阴 =8 v; vd阳 = ui,uo = 8v,uo = ui,ui 8v，二极管截止,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,2.5 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,+ ,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,3.上述电路vi为正弦波，且幅值大于vz ， vo的波形是怎样的？,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.电路如图（a）、（b）所示，稳压管的稳定电压uz3v，r的取值合适，ui