半导体二极管及其应用电路

1、1会计学半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电子器件发展历程：电子管晶体管集成电路大规模集成电路超大规模集成电路1904年电子管问世1947年晶体管诞生1958年集成电路研制成功电子管、晶体管、集成电路比较 第一片集成电路只有4个晶体管，而1997年一片集成电路中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍/6年的速度增长，到2015或2020年达到饱和。现代电子器件的鼻祖第一只晶体管的发明者（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab） 他们在1947年11月底发明了晶体管，并在12

2、月16日正式宣布“晶体管”诞生。1956年获诺贝尔物理学奖。巴因所做的超导研究于1972年第二次获得诺贝尔物理学奖。第一个集成电路及其发明者（ Jack Kilby from TI ） 1958年9月12日，在德州仪器公司的实验室里，实现了把电子器件集成在一块半导体材料上的构想。42年以后， 2000年获诺贝尔物理学奖。 “为现代信息技术奠定了基础”。 模电与数电：tttu？模拟量模拟信号模拟电路模拟电子技术tu？数字量数字信号数字电路数字电子技术混频级中频放大级检波级功率放大级超外差式无线电收音机原理框图放大滤波采样-保持模-数转换生产控制系统微处理机系统数-模转换电压-电流转换检测与传感执

3、行机构生产设备物理系统电子系统电子系统：从电路板产生来看学习要求与教学环节确定电路功能与要求电路结构设计电路参数计算元件选型电路可行性分析计算机仿真制板制作调试与测试掌握电子技术基本概念掌握各功能电路结构掌握各类定性分析方法掌握各类参数估算方法熟悉各类元器件外特性熟悉EDA软件熟悉制板软件,培养动手操作能力熟悉电子仪器仪表课堂教学实验教学电子实习课程设计第1章 半导体二极管及其应用电路1.1半导体基础知识1.2半导体二极管小 结1.3稳压二极管1.4二极管典型应用电路1.5辅修内容包含半导体元件等等是半导体元件之一，应用广泛你想知道吗？什么是半导体？PN结是怎样形成的？二极管是干什么用的？电子

4、电路你知道吗？1.1.1半导体材料及其特性1.1.2杂质半导体1.1.3PN结1.1.1 半导体材料及其特性半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。从导电性来分类，物体可分为：共价键结构2. 本征半导体的共价键结构导体、绝缘体、半导体1. 半导体的特殊性质热敏性、光敏性、掺杂性硅(锗)的原子结构简化模型原子核硅(锗)的共价键结构价电子(束缚电子)硅锗本征半导体的晶体结构空穴自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空穴的

5、过程。3. 本征半激发与复合空穴可在共价键内移动自由电子本证激发与复合是一对相反的运动！半导体中有两种载流子自由电子和空穴两种载流子的运动：自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动载流子 运载电荷的粒子（带电粒子）本征半导体中的电流是两个电流之和电子电流、空穴电流自由电子带负电，空穴带正电。 结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。4.、 温度对本征半导体中载流子的影响载流子的浓度随温度的升高而增加。动态平衡本征激发与复合运动最终要达到动态平衡。N 型+5+4+4+4+4+4

6、磷原子多余电子载流子数 电子数1. N 型半导体在本征半导体中掺入微量的5价杂质元素空穴少子（少数载流子）电子多子（多数载流子）多余电子杂质原子为施主原子正离子带正电，不能移动1.1.2 杂质半导体P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空位空穴多子（多数载流子）电子少子（少数载流子）载流子数 空穴数2. P 型半导体在本征半导体中掺入微量的3价杂质元素空位电中性杂质原子为受主原子负离子带负电，不能移动区分N型半导体和P型半导体！4. 杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体 I INP 型半导体 I IP3. 杂质半导体中载流子的浓度5. P 型与N 型半导体的简化示意图

7、P型N型少数载流子（少子）自由电子多数载流子（多子）（空穴）负离子多数载流子（多子）自由电子少数载流子（少子）空穴正离子【问题引导】N型、P型半导体多子是什么，少子是什么？负离子、或正离子是怎么形成的？N型P型1.1.3 PN 结1. PN 结(PN Junction)的形成扩散运动由于载流子浓度差而引起的运动复合使交界面形成空间电荷区空间电荷区、耗尽层、阻挡层、PN结内电场漂移运动载流子在电场力作用下的运动扩散和漂移达到动态平衡：扩散电流 等于漂移电流， 总电流 I = 0。PN结是怎么形成的？P 区N 区内电场外电场外电场抵消内电场使空间电荷区变窄有利于扩散运动不利于漂移运动 IF限流电阻

8、，可以不要吗？扩散运动加强形成正向电流 IF2. PN 结的单向导电性(1) PN结外加正向电压时处于导通状态正向电压、正向接法、正向偏置、正偏P 区N 区IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流 IRIR = I少子 0(2) PN结外加反向电压时处于截止状态反向电压、反向接法、反向偏置、反偏反向饱和电流 Is 内电场外电场外电场与内电场同向使空间电荷区变宽有利于漂移运动 不利于扩散运动【问题引导】什么是PN结的单向导电性？3. PN 结的伏安特性)1e (T/S UuII反向饱和电流温度电压当量qkTUT 电子电量玻

9、尔兹曼常数当 T = 300(27C)：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向击穿加正向电压时加反向电压时iISISPN结具有单向导电性！该常数非常重要！内电场P型N型自由电子漂移 撞击价电子内电场P型N型价电子被拉出变成自由电子内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷常把PN结当电容使用！内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷5. PN节的温度特性无论是正偏还是反偏，当温度升高时，电流增加1.2.1 二极管的结构类型1.2.2 二极管的伏安特性1.2.4 二极管的主要参数1.2.3 二极管的势垒电容与扩散电容1.2.5 二极管等效电路1.2.1 二极管的结构与类型构成：PN 结

10、+ 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型阳极阴极阳极阴极点接触型正极引线触丝N 型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN 结 正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP 型支持衬底点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管1.2.2 二极管的伏安特性1. 二极管结电流方

11、程)1e (TD/SD UuIi反向饱和电流温度电压当量qkTU T电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27C)：UT = 26 mV二极管实质就是一个PN结！2. 二极管的伏安特性曲线OuD /ViD /mA正向特性Uth开启电压U Uth时， iD 急剧上升0 U Uth时 ，iD = 0反向特性ISU (BR)反向击穿U(BR) U 0时, iD = IS U U(BR) 时，反向电流急剧增大(反向击穿)IS 材料材料开启电压开启电压Uth 导通电压导通电压UD(on) 反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.60.8V（通常取（通常取0.7V）1A以下锗锗Ge0.1V0.10.

12、3V（通常取（通常取0.3V）几十A反向饱和电流击穿电压记得对二极管限流！不要让二极管击穿了！反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，正温度系数)击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.0203. 温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90CT 升高时，UD(on)以 (2

13、 2.5) mV/ C 下降【问题引导】温度变化会导致半导体元件的一些参数发生变化！内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷1.2.3 二极管的势垒电容与扩散电容内电场P型N型等效电容极板等效充电电荷1.2.4 二极管的主要参数1. IF 最大整流电流 (最大正向平均电流)2. URM 最高反向工作电压， 为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小单向导电性越好)2. fM 最高工作频率 (超过时单向导电性变差)4. RD 直流电阻1. rd 交流电阻iDuDU (BR)I FURMOUDIDQ)(26DDTDDd IIUdiduIUr直流参数：交流参数：影响工作频率的原因 PN 结的电

14、容效应 结论：1. 低频时，因结电容很小，容抗很大， 结电容对 二极管影响很小。 高频时，因结电容容抗减小，使结电容分流， 导致二极管单向导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。高频信号时，必须考虑二极管的电容效应！1.2.5 二极管等效电路1. 理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD = 0, rd = 0反偏截止， iD = 0 , rd = 2. 二极管的恒压降模型（理想二极管串联电压源模型）uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.3 V (Ge)导通时3. 二极管的折线化模型uDiDUonUIIUrD 斜率1/ rdrDUon导通

15、时 uD=Uon+rdid截止时 id=0二极管的动态电阻4. 二极管的低频小信号模型二极管的动态电阻反映了静态工作点附近微变电压和微变电流的动态关系根据TD/sDeUuIi 得)(26DDTDDDDd IIUdiduiurIDmAiD=ID+idiD全电流ID直流分量id交流分量步骤：1. 设定工作电压(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ )2. 确定工作电流(如 1 mA；10 mA；5 mA)3. 根据欧姆定律求电阻 R = (UI UD)/ ID(R 要选择标称值)1.2.6 选择二极管限流电阻记得对二极管限流！1.3.1 稳压二极管的工作原理1.3.2 稳压二极管的主要参数1.

16、3.3 稳压电路符号工作条件：反向击穿iZ /mAuZ/VOUZ IZ IZMUZIZ iZ+-uZ1.3.1 稳压二极管的工作原理伏安特性【问题引导】稳压二极管的工作区是？稳压二极管起稳压作用是工作在反向击穿区！进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流1.3.2 稳压二极管的主要参数1. 稳定电压 UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好小于 IZ 时不稳压。3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。几 几十 iZ /mAuZ/VOUZIZIZMUZIZ5. 稳定电压温度系数 CT%100ZZT TUUCUZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；4 V UZ UN二极管导通采用恒压降模型，二极管等效为 0.7 V 的恒压源 PN记得先判断：二极管导通吗？UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)0