第1章常用半导体器件(2)

1、1 - 2 - 1 模拟电子技术基础模拟电子技术基础 河北科技大学信息学院河北科技大学信息学院 基础部基础部 第二次课第二次课 1 - 2 - 2 纯净的具有晶体结构的半导体称为本征纯净的具有晶体结构的半导体称为本征 半导体。半导体。 1 - 2 - 3 注意注意 杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂杂质半导体中，多子的浓度决定于掺杂 原子的浓度；少子的浓度决定于温度。原子的浓度；少子的浓度决定于温度。 1 - 2 - 4 1.1.由于扩散运动形成空间电荷区和内电场由于扩散运动形成空间电荷区和内电场; ; 2.2.内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移内电场阻碍多子扩散，有利于少子漂移; ; 3.3

2、.当扩散电流等于漂移电流时，达到动态当扩散电流等于漂移电流时，达到动态 平衡，形成平衡，形成PNPN结。结。 PN结的形成结的形成 1 - 2 - 5 PN结的特点结的特点 1. PN结外加正向电压时处于导通状态结外加正向电压时处于导通状态 2. PN结外加反向电压时处于截止状态结外加反向电压时处于截止状态 PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿反向击穿 1 - 2 - 6 三、三、PN结的伏安特性结的伏安特性 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿反向击穿 PN结的电流方程为结的电流方程为)e(Ii T U u S 1 其中，其中， IS 为反向饱和

3、电流，为反向饱和电流， UT26mV， 1 - 2 - 7 四、四、PN结的电容效应结的电容效应 1. 势垒电容（势垒电容（Cb）：耗尽层宽窄变化所等效电容。）：耗尽层宽窄变化所等效电容。 1 - 2 - 8 四、四、PN结的电容效应结的电容效应 2. 扩散电容（扩散电容（Cd）：扩散区内电荷的积累和释放过）：扩散区内电荷的积累和释放过 程与电容器充放电过程相同。程与电容器充放电过程相同。 PN结的结电容结的结电容（Cj） Cj=Cb+Cd 1 - 2 - 9 将将PN结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了结用外壳封装起来，并加上电极引线就构成了 半导体二极管。由半导体二极管。由P区引出的电

4、极为阳极（区引出的电极为阳极（A） ，由，由N区区 引出的电极为阴极（引出的电极为阴极（ K ）。）。 二极管的符号：文字（字母）符号二极管的符号：文字（字母）符号-D PN 阳极阳极阴极阴极 一、二极管的符号及分类一、二极管的符号及分类 1 - 2 - 10 二极管的分类二极管的分类 2. 按按结构结构分分: 1. 按按材料材料分：硅二极管、锗二极管。分：硅二极管、锗二极管。 点接触型二极管：点接触型二极管： 适用于小信号的整流和在高频检波等电路中工作。适用于小信号的整流和在高频检波等电路中工作。 面接触型二极管：面接触型二极管： 适用于在低频电路中工作，通常用作整流管。适用于在低频电路中工

5、作，通常用作整流管。 平面型二极管：平面型二极管： 在电路中用作脉冲数字电路中的开关管或大功率整流。在电路中用作脉冲数字电路中的开关管或大功率整流。 1 - 2 - 11 * * *二、伏安特性二、伏安特性二极管两端的电压与通过二极管电流二极管两端的电压与通过二极管电流 的关系曲线，函数表示为：的关系曲线，函数表示为：i = f(u)。 U I 导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.7V 锗管锗管0.20.3V。 反向击穿反向击穿 电压电压UBR 反向截止反向截止 二极管加二极管加 正向电压正向电压 二极管加二极管加 反向电压反向电压 死区电压死区电压 硅管：硅管：00.5V, 锗管：锗管

6、：00.1V。 1 - 2 - 12 导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.7V 锗管锗管0.20.3V。 U I 反向击穿反向击穿 电压电压UBR 死区电压死区电压 硅管：硅管：00.5V, 锗管：锗管：00.1V。 正正 向向 导导 通通 正正 向向 截截 止止 反反 向向 截截 止止 二极管的工作区二极管的工作区 二二 极极 管管 非非 工工 作作 区区 1 - 2 - 13 环境温度升高时，二极管的环境温度升高时，二极管的正向特性曲线正向特性曲线将左移，将左移， 反向特性曲线反向特性曲线下移。在室温附近下移。在室温附近,温度每升高温度每升高1C,正正 向压降减小向压降减小22.5m

7、V;温度每升高温度每升高10C，反向电流约，反向电流约 增大增大1倍。倍。二极管的特性对温度很敏感二极管的特性对温度很敏感。 温度对二极管伏温度对二极管伏 安特性的影响安特性的影响 1 - 2 - 14 三、三、 二极管的主要参数二极管的主要参数 1.最大整流电流最大整流电流IF 2.最高反向工作电压最高反向工作电压UR 二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。二极管长期运行时允许通过的最大平均电流。 二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为二极管工作时允许加的最大反向电压，通常为击穿击穿 电压的一半电压的一半。 二极管的参数是对其特性和极限应用的定量描述，二极管的参数是对其特性和极限应用的定

8、量描述， 是设计电路时选择器件的主要依据。是设计电路时选择器件的主要依据。 1 - 2 - 15 由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的由于二极管的特性是非线性的，为了分析问题的 简单、方便，可在简单、方便，可在特定情况下特定情况下对其进行对其进行线性化处理线性化处理， 即用线性化的等效模型来代替二极管。即用线性化的等效模型来代替二极管。 四、二极管的等效电路四、二极管的等效电路 1、当二极管两端电压远小于与之、当二极管两端电压远小于与之 串联的元器件电压，流过二极管的串联的元器件电压，流过二极管的 电流远小于与之并联分支电流时，电流远小于与之并联分支电流时， 可将二极管可将二极管理想化理

9、想化。 认为：认为：二极管正向导通二极管正向导通,导通电压导通电压 为为0，反向截止，截止电流为，反向截止，截止电流为0。 相当于开关相当于开关。 1 - 2 - 16 四、二极管的等效电路四、二极管的等效电路 2、当二极管两端电压超过、当二极管两端电压超过 导通电压时，认为导通电压时，认为二极管二极管 导通，导通电压为导通，导通电压为Uon,当当 二极管两端电压小于导通二极管两端电压小于导通 电压或者为负电压时，认电压或者为负电压时，认 为为二极管截止二极管截止,截止电流为截止电流为0。 相当于具有导通电压为相当于具有导通电压为Uon 的开关。的开关。 1 - 2 - 17 Q iD uD

10、四、二极管的等效电路四、二极管的等效电路 3、当二极管正向电压大于开启电压、当二极管正向电压大于开启电压Uon时时，通过通过 二极管的电流与其两端电压成线形关系；加反向电二极管的电流与其两端电压成线形关系；加反向电 压压二极管截止二极管截止,截止电流为截止电流为0。 1 - 2 - 18 五、二极管的应用五、二极管的应用 t t u o 0 u i 0 D ui uo RL 【例【例1】画出二极管电路的输出波形（设画出二极管电路的输出波形（设UD=0）。）。 二极管整流二极管整流 1 - 2 - 19 【例【例2】画出二极管电路的输出波形（设画出二极管电路的输出波形（设UD=0.7V） 。 0

11、.7V 0.7V -3V 二极管限幅二极管限幅 1 - 2 - 20 【例【例3】电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，二极管的导通电压UD约为约为 0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。 当开关断开时，二极管因加正向电压而处当开关断开时，二极管因加正向电压而处 于于( )状态，故输出电压为状态，故输出电压为 V3 . 5V) 7 . 06 (1 DOUVU 导通导通 分分 析析 1 - 2 - 21 【例【例3】电路如图所示，二极管的导通电压电路如图所示，二极管的导通电压UD约为约为 0.7V。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的

12、数值。试分别计算开关断开和闭合时输出电压的数值。 当开关闭合时，二极管外加反向电压，当开关闭合时，二极管外加反向电压， 因而（因而（ ），故输出电压为），故输出电压为 V122 VUO 分分 析析 截止截止 1 - 2 - 22 UO1( )，UO2( )，UO3( )， UO4( )，UO5( )，UO6( ) 1.3V 【例【例4】写出图写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二所示各电路的输出电压值，设二 极管导通电压极管导通电压UD 0.7V。 1.3V0V 2V1.3V2V 1 - 2 - 23 六、六、 稳压二极管及应用稳压二极管及应用 1. 稳压管的结构特点、伏安特性、工作情况。

13、稳压管的结构特点、伏安特性、工作情况。 结构特点：结构特点：基本结构仍然为一个基本结构仍然为一个PN结；结； 但与普通二极管相比但与普通二极管相比，几何尺寸大、，几何尺寸大、 掺杂浓度高、散热条件好，工作时反向击穿为非破掺杂浓度高、散热条件好，工作时反向击穿为非破 坏性反向击穿（即反向电压去掉以后，稳压管能恢坏性反向击穿（即反向电压去掉以后，稳压管能恢 复单向导电性）。复单向导电性）。 稳压管的符号稳压管的符号 1 - 2 - 24 伏安特性伏安特性: 即即UBR几乎为定值（作为几乎为定值（作为UZ）；或当）；或当UZ有微小有微小 变化时，变化时， IZ有很大变化。利用此特性有很大变化。利用此

14、特性稳压管工作在稳压管工作在 反向击穿区时起稳压作用反向击穿区时起稳压作用。 在正向特性区和反在正向特性区和反 向截止区稳压管特性曲线向截止区稳压管特性曲线 与普通二极管的特性曲线与普通二极管的特性曲线 基本一样。基本一样。 在反向击穿区在反向击穿区，稳压，稳压 管特性曲线更加管特性曲线更加陡直陡直。 1 - 2 - 25 工作情况：工作情况： 稳压管正常工作时在电路中加反向电压，起稳压管正常工作时在电路中加反向电压，起 稳压作用，稳定电压为稳压作用，稳定电压为UZ。 由于稳压管的结构特征，稳压管的制作工艺、由于稳压管的结构特征，稳压管的制作工艺、 制作成本等比普通二极管要高，所以一般不作普通

15、制作成本等比普通二极管要高，所以一般不作普通 二极管用。二极管用。 1 - 2 - 26 2. 稳压管的主要参数稳压管的主要参数 稳定电压稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。 稳压电流稳压电流IZ（或（或 IZmin ） 额定功耗额定功耗PZM IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小 于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。 PZM 等于稳定电压等于稳定电压UZ与最大稳定电流与最大稳定电流IZM （或（或 IZmax ） 的乘积。的乘积

16、。 1 - 2 - 27 稳压管的符号稳压管的符号 稳定电压稳定电压 稳定稳定 电流电流 最大稳定电流最大稳定电流 动态电阻动态电阻 1 - 2 - 28 3. 稳压管的稳压条件稳压管的稳压条件 稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。稳压管正向工作时和二极管的特性完全相同。 必须工作在反向击穿状态；必须工作在反向击穿状态； 流过稳压管的电流在流过稳压管的电流在IZ和和IZM之间之间 。 注意！注意！ 1 - 2 - 29 4. 稳压管的应用稳压管的应用 【例【例1】典型应用电路：典型应用电路： RL为负载电阻，为负载电阻，R限流电阻限流电阻 当当UI变化时，由于稳压管的作用，输出变化时，由于

17、稳压管的作用，输出UO不变。不变。 R 1 - 2 - 30 【例【例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V, 最小电流最小电流IZmin=5mA, 最大电流最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算）分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。 （2）若）若UI为为35V时负载开路，则会出现什么现象？时负载开路，则会出现什么现象？ 解题思路解题思路 首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压，首先假设稳压管不工作（开路），求出其两端电压， 是否满足稳压条件是否满足稳压条件；然后假设稳压管工作（；然后假设稳压管工作（ 稳压），稳压）， 看其是否满足稳压条件看其是否满

18、足稳压条件。 1 - 2 - 31 解：解：假设稳压管不工作假设稳压管不工作 Uo UI为为10V时时 UO =RL/(RL+R)UI=3.33V UO UZ稳压管不工作，稳压管不工作，UO=3.33V 【例【例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V, 最小电流最小电流IZmin=5mA, 最大电流最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算）分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。 （2）若）若UI为为35V时负载开路，则会出现什么现象？时负载开路，则会出现什么现象？ 1 - 2 - 32 解：解：假设稳压管不工作假设稳压管不工作 UI为为15V时时 UO =RL

19、/(RL+R)UI=5V 【例【例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V, 最小电流最小电流IZmin=5mA, 最大电流最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算）分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。 （2）若）若UI为为35V时负载开路，则会出现什么现象？时负载开路，则会出现什么现象？ UO UZ UO=6V 【例【例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V, 最小电流最小电流IZmin=5mA, 最大电流最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算）分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。 （2）若）若UI为为35V时负载开路，

20、则会出现什么现象？时负载开路，则会出现什么现象？ 假设稳压管工作假设稳压管工作 IR=(UI-UZ)/R=29mAIL=UZ/RL=12mA IZmin IDZ UZ 稳压管将因功耗过大而损坏稳压管将因功耗过大而损坏 【例【例2】已知稳压管的已知稳压管的UZ=6V, 最小电流最小电流IZmin=5mA, 最大电流最大电流IZmax=25mA。 （1）分别计算）分别计算UI为为10V、15V、35V时输出时输出UO的值。的值。 （2）若）若UI为为35V时负载开路，则会出现什么现象？时负载开路，则会出现什么现象？ 假设稳压管工作假设稳压管工作 IR=(UI-UZ)/R=29mA IDZ IZma

21、x IDZ = IR- IL =29mA UI为为35V时负载开路时负载开路 1 - 2 - 35 【例【例3】两只稳压管的稳压值分别为两只稳压管的稳压值分别为5V和和10V，正向，正向 导通电压为导通电压为0.7V,将他们串联或者并联，可能得到几种将他们串联或者并联，可能得到几种 电压值？电压值？ 15V5.7V10.7V1.4V 5V 0.7V 1 - 2 - 36 七、七、 特殊二极管特殊二极管 1. 发光二极管：发光二极管：是一种将是一种将电能电能转换为转换为光能光能的的 半导体器件。它由一个半导体器件。它由一个PN结构成结构成, ,当发光二极当发光二极 管正偏时，注入到管正偏时，注入到N区和区和P区的载流子被复合区的载流子被复合 时，会发出可见光和不可见光。注意：发光二时，会发出可见光和不可见光。注意：发光二 极管的开启电压比普通二极管的大。极管的开启电压比普通二极管的大。 1 - 2 - 37 2. 光电二极管光电二极管：是一种将是一种将光能光能转换为转换为电能电能的的 半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是 管壳上留有一个能入射光线的窗口。光电二极管壳上留有一个能入射光线的窗口。光电二极 管利用半导体的光敏特性，将接收到的光的变