半导体二极管及其基本应用电路实用教案

1、 半导体的基础知识半导体的基础知识 根据导电能力的不同，物质根据导电能力的不同，物质(wzh)(wzh)可分为导体、可分为导体、半导体和绝缘体。半导体和绝缘体。半导体(dot)(dot)材料具有与导体(dot)(dot)和绝缘体不同的导电特性：1.1.热敏特性热敏特性(txng)(txng)2.2.光敏特性光敏特性半导体材料及其导电特性半导体材料及其导电特性3.3.掺杂特性掺杂特性第1页/共35页第一页，共36页。本征半导体本征半导体 半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体是完全纯净(chnjng)的、晶格结构完整的半导体。 硅原子(yunz)结构示意图 锗原子(yunz)结构示意图 硅

2、原子(yunz)和锗原子(yunz)结构简化模型。第2页/共35页第二页，共36页。1. 1. 本征半导体中的共价键结构本征半导体中的共价键结构(jigu)(jigu)本征半导体本征半导体 半导体的基础知识半导体的基础知识第3页/共35页第三页，共36页。空穴空穴(kn xu)共价键中共价键中的空位。的空位。电子电子(dinz)空穴对空穴对由热由热激发而产生的自由电子激发而产生的自由电子(dinz)和空穴对。和空穴对。2. 2. 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子自由电子自由电子电子挣脱电子挣脱(zhn tu)共价键的束缚，参与导电成共价键的束缚，参与导电成为自由电子。为自由电子

3、。 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子带负电的自由电子和带正带负电的自由电子和带正电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电的一个重要特点。的一个重要特点。本征半导体本征半导体 半导体的基础知识半导体的基础知识第4页/共35页第四页，共36页。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质掺入五价杂质(zzh)(zzh)元素（如磷）的半导体。元素（如磷）的半导体。2.1.3 杂质杂质(zzh)半导半导体体 半导体的基础知识半导体的基础知识1. N1. N型半导体型半导体 在在N N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质

4、型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴原子提供；空穴(kn xu)(kn xu)是少数载流子是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。第5页/共35页第五页，共36页。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质掺入三价杂质(zzh)(zzh)元素（如硼）的元素（如硼）的半导体。半导体。2.1.3 杂质杂质(zzh)半导半导体体 半导体的基础知识半导体的基础知识2. P2. P型半导体型半导体 在在P P型半导体中空穴是多数型半导体中空穴是多数(dush)(dush)载流子，它主要由掺杂形成；载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，自由电子是少数载流子， 由热激发形成

5、。由热激发形成。第6页/共35页第六页，共36页。2.2.1 PN结的形成结的形成(xngchng) 2.2 PN 2.2 PN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及及其单向导电性其单向导电性 在内电场的作用(zuyng)下产生的漂移运动由载流子浓度差产生的扩散运动 2.PN 2.PN结的形成结的形成空穴的漂移速度 ：电子的漂移速度： 1. 1. 载流子的扩散运动和漂移运动载流子的扩散运动和漂移运动第7页/共35页第七页，共36页。2.2.2 PN结的单向结的单向(dn xin)导导电性电性 2.2 PN 2.2 PN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其及其

6、单向导电性单向导电性1. PN1. PN结外加正向结外加正向(zhn xin)(zhn xin)电压电压 将将PNPN结的结的P P区接电源正极，区接电源正极， N N区接电源负极，这种连接方式称区接电源负极，这种连接方式称为为PNPN结外加正向电压，又称结外加正向电压，又称PNPN结正向偏置。结正向偏置。 PNPN结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称PNPN结结导通导通。 第8页/共35页第八页，共36页。2.2.2 PN结的单向结的单向(dn xin)导电导电性性 2.2 PN 2.2 PN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及及其单向导电性

7、其单向导电性2. PN2. PN结外加结外加(wiji)(wiji)反向电压反向电压 将将PNPN结的结的P P区接电源负极，区接电源负极，N N区接电源正极，这种连接方式称区接电源正极，这种连接方式称为为PNPN结外加反向电压，又称结外加反向电压，又称PNPN结反向偏置。结反向偏置。PNPN结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称PNPN结结截止截止。 第9页/共35页第九页，共36页。2.2.3 PN结的伏安结的伏安(f n)特性特性 2.2 PN 2.2 PN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及及其单向导电性其单向导电性1. PN1. PN结

8、的电流结的电流(dinli)(dinli)方程方程其中其中I IS S 反向饱和电流反向饱和电流U UT T 温度的电压当量其温度的电压当量其表达式为表达式为2 2. PN. PN结的伏结的伏- -安特性曲线安特性曲线第10页/共35页第十页，共36页。2.2.4 PN结的电容结的电容(dinrng)效应效应 2.2 PN 2.2 PN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及及其单向导电性其单向导电性1. 1. 势垒电容势垒电容(dinrng)Cb(dinrng)Cb 这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效的电这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效的电容称为势垒电容，通常

9、用容称为势垒电容，通常用C Cb b表示。表示。第11页/共35页第十一页，共36页。2.2.4 PN结的电容结的电容(dinrng)效应效应 2.2 PN 2.2 PN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其单向导电性及其单向导电性2. 2. 扩散电容扩散电容C Cd d 这种非平衡少子的浓这种非平衡少子的浓度随外加正向电压的变化度随外加正向电压的变化所等效的电容效应所等效的电容效应(xioyng)(xioyng)称为扩散电容，称为扩散电容，通常用通常用CdCd表示。表示。PNPN结的结的结电容结电容是势垒电容和扩散电容之和：是势垒电容和扩散电容之和： 第12页/共35页第十

10、二页，共36页。2.3.1 二极管的结构二极管的结构(jigu) 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管半导体二极管按其结构半导体二极管按其结构(jigu)(jigu)的不同，可分为点接触型、面接的不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。触型和平面型。 点接触型二极管面接触(jich)型二极管平面型二极管第13页/共35页第十三页，共36页。2.3.2 二极管的伏二极管的伏-安特性安特性(txng) 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管二极管的伏安(f n)特性曲线 硅二极管和锗二极管伏安特性(txng)曲线对比 温度对二极管伏安特性曲线的影响 第14页/共35页第十四页，共36页。2.

11、3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管最大整流最大整流(zhngli)(zhngli)电流电流IF IF 允许通过二极管的最大正向平均电流允许通过二极管的最大正向平均电流. .2. 2. 最高反向工作电压最高反向工作电压URM URM 二极管安全工作时所能承受二极管安全工作时所能承受(chngshu)(chngshu)的最的最大反向电压大反向电压. .3. 3. 反向反向(fn xin)(fn xin)电流电流IR IR 二极管未击穿时的反向二极管未击穿时的反向(fn xin)(fn xin)电流。电流。 4 4. . 最高工作频率最高工作频率fM

12、二极管工作的上限频率。二极管工作的上限频率。第15页/共35页第十五页，共36页。2.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管理想理想(lxing)(lxing)模型模型2.2.恒压降模型恒压降模型(mxng)(mxng)3. 3. 折线折线(zhxin)(zhxin)模模型型第16页/共35页第十六页，共36页。2.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管4.4.小信号小信号(xnho)(xnho)模型模型vs =0 时时, Q点称为静态点称为静态(jngti)工作点工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流

13、时的工作状态。vs =Vmsint 时（时（VmVDD）, 将将Q点附近小范围内的点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号特性线性化，得到小信号模型模型(mxng)，即以，即以Q点为切点的一条直线。点为切点的一条直线。第17页/共35页第十七页，共36页。 过过Q点的切线可以等效点的切线可以等效(dn xio)成一个微变电阻成一个微变电阻DdDriu即即D/DS(e1)TUiIu根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导(din do)dd1gr 则则常温下（常温下（T T=300K=300K）dDD26(mV)(mA)TUrII（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型2.3.4

14、二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管4.4.小信号小信号(xnho)(xnho)模型模型第18页/共35页第十八页，共36页。2.3.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管4.4.小信号小信号(xnho)(xnho)模型模型 根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并求出电阻根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并求出电阻(dinz)R(dinz)R两端的电压和电流的表达式。两端的电压和电流的表达式。电路(dinl)的交流通路第19页/共35页第十九页，共36页。 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管1.

15、1. 二极管整流二极管整流(zhngli)(zhngli)电路电路（a）电路图）电路图 （b）输入）输入(shr)、输出波形、输出波形第20页/共35页第二十页，共36页。 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管2.2. 二极管限幅电路二极管限幅电路(dinl)(dinl)【例【例2.2】 图示为二极管限幅电路图示为二极管限幅电路R=1K，VREF=2V ，二极管为硅二极管，输入，二极管为硅二极管，输入(shr)信号为信号为uI 。（1）若）若uI为为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流 和输出电压和输出电压 。（2）若）若uI

16、 =10sintV ，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形。，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形。第21页/共35页第二十一页，共36页。 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管解：解：（1 1）理想）理想(lxing)(lxing)模型：模型： 恒压降模型：恒压降模型：（2 2） 采用采用(ciyng)理想模型理想模型 采用采用(ciyng)恒压降模型恒压降模型 第22页/共35页第二十二页，共36页。解：解： 先断开先断开(dun ki)D，以，以O为基为基准电位，准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极阳极(yngj)的电位为的电位为-6V，接阴极的电位为接阴极

17、的电位为-12V。阳极电位阳极电位(din wi)高于阴极电位高于阴极电位(din wi)，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于，所以，的压降等于，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管【例【例2.32.3】二极管限幅电路如图所示，求输出电压】二极管限幅电路如图所示，求输出电压UAO。第23页/共35页第二十三页，共36页。 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管3.3.二极管开关电路二极管开关电路【例【例2.4】 二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型(mxng)，当，当UA

18、和和 UB分别为分别为0V或或3V时，求解时，求解 UA 和和UB不同组合时，输出电压不同组合时，输出电压 的值。的值。UAUB二极管工作状态UOD1D20V0V导通导通0V0V3V导通截止0V3V0V截止导通0V3V3V导通导通3V第24页/共35页第二十四页，共36页。2.4.1 稳压稳压(wn y)二极管的伏二极管的伏-安特性安特性 2.4 2.4 稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管稳压管符号稳压管符号(fho)和等效电路和等效电路 稳压管的伏安特性曲线稳压管的伏安特性曲线 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。第25页/共35页第二十五页

19、，共36页。2.4.2 稳压稳压(wn y)二极管的主要参数二极管的主要参数 2.4 2.4 稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管1 稳定稳定(wndng)电压电压UZ4 动态电阻动态电阻rZ 在规定的工作电流在规定的工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ = UZ / IZ3 额定功耗额定功耗 PZmax2 最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin5 温度系数温度系数 第26页/共35页第二十六页，共36页。2.4.3 稳压二极管基本应用稳压二极管基本应用(yngyng)电路电路 2.4 2.4 稳压

20、稳压(wn y)(wn y)二极管二极管1. 1. 稳压稳压(wn y)(wn y)原理原理输入电压变化时：输入电压变化时：负载变化时：负载变化时：第27页/共35页第二十七页，共36页。稳压管的技术参数稳压管的技术参数: :负载电阻负载电阻(dinz)RL600，求限流电阻，求限流电阻(dinz)R取值范围。取值范围。解：由电路解：由电路(dinl)可得：可得：+VZ-IZDZRILIR+Vi-RL15V2.4.3 稳压二极管基本应用稳压二极管基本应用(yngyng)电路电路 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管2.2.稳压管应用举例稳压管应用举例第28页/共35页第二十八页，共36页。2.

21、4.3 稳压二极管基本稳压二极管基本(jbn)应用电路应用电路 2.4 2.4 稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管3. 3. 稳压管和普通稳压管和普通(ptng)(ptng)二极二极管的区分管的区分 普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反向击穿普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反向击穿状态下工作，二者用法不同。状态下工作，二者用法不同。 普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即反伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。

22、当稳压管的向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压管的反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大，而端反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大，而端电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非常陡，动电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态电阻很小。态电阻很小。第29页/共35页第二十九页，共36页。2.5 2.5 其它其它(qt)(qt)类型的二极管类型的二极管符号符号【例【例2.7】 电路如图所示，已知发光二极管的导通电压电路如图所示，已知发光二极管的导通电压 UD 1.6V ，正向电，正向电流为流为520mA时才能发光。试问：时才能发光。试问： （1）开关处于）开关处于(chy)何种位置时发光二极管可能发光？何种位置时发光二极管可能发光？（2）为使发光二极管有可能发光，电路中）为使发光二极管有可能发光，电路中R的取值范围为多少？的取值范围为多少？解：（解：（1 1）当开关断开）当开关断开(dun ki)(dun ki)时发光二极时发光二极管有可能发光。管有可能发光。（2 2）因此，因此，R的取值范围为的取值范围为220220880880。第30页/共35页第三十页，共36页。2.5.2 光电二极管光电二极管2.5 2.5 其它其它(qt)(qt)类型的二极管类型的二极管（a）符号）符号(fho) （b）