半导体二极管及基本电路页实用教案

1、半导体的基本知识本征半导体、空穴及其导电(dodin)作用杂质(zzh)半导体 根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体(dot)、绝缘体和半导体(dot)。 半导体(dot)的电阻率为10-3109 cm。典型的半导体(dot)有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。半导体(dot)的特点：1）导电能力不同于导体(dot)、绝缘体；2）受外界光和热刺激时电导率发生很大变化光敏元件、热敏元件；3）掺进微量杂质，导电能力显著增加半导体(dot)。半导体的基本知识第1页/共38页第一页，共39页。半导体的共价键结构半导体的共价键结构(jigu)(jigu) 硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的

2、四个电子(dinz)称为价电子(dinz)。它们分别与周围的四个原子的价电子(dinz)形成共价键。 原子按一定规律整齐排列，形成晶体点阵后，结构图为：+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4返回(fnhu)第2页/共38页第二页，共39页。本征半导体、空穴及其导电本征半导体、空穴及其导电(dodin)(dodin)作用作用本征半导体完全纯净的、结构(jigu)完整的半导体晶体。载流子可以自由(zyu)移动的带电粒子。电导率与材料单位体积中所含载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高。返回第3页/共38页第三页，共39页。电子电子(dinz)(dinz)空空穴对穴对 当T=0K和无外界

3、激发时，导体中没有栽流子，不导电。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为(chngwi)自由电子本证激发。 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个(y )空位，这个空位为空穴。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。本征激发动画1-1空穴返回第4页/共38页第四页，共39页。杂质(zzh)半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4N型半导体型半导体（电子型半导体）在本征半导体中掺入五价的元素(yun s)(磷、砷、锑 )多余(duy)电

4、子，成为自由电子+5自由电子 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。返回+5第5页/共38页第五页，共39页。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3P型半导体（空穴(kn xu)型半导体）在本征半导体中掺入三价的元素(yun s)（硼）+3空穴(kn xu)空穴返回第6页/共38页第六页，共39页。N型半导体的多数载流子为电子(dinz)，少数载流子是空穴；P型半导体的多数载流子为空穴，少数载流子是电子(dinz)。例：纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级， 在室稳下，载

5、流子浓度为ni=pi=1010数量级， 掺入百万分之一的杂质（1/10-6），即杂质浓度为1022*（1/106）=1016数量级， 则掺杂(chn z)后载流子浓度为1016+1010，约为1016数量级，比掺杂(chn z)前载流子增加106，即一百万倍。返回(fnhu)10第7页/共38页第七页，共39页。PN结的形成(xngchng)及特性PN结的形成(xngchng)及特性 PN结的单向(dn xin)导电性 PN结的形成第8页/共38页第八页，共39页。PN结的形成结的形成(xngchng) 在一块(y kui)本征半导体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。 内

6、电场促使少子(sho z)漂移内电场阻止多子扩散 因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 动画+ 五价的元素+ 三价的元素产生多余电子产生多余空穴第9页/共38页第九页，共39页。PN结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性 (1) PN结加正向(zhn xin)电压 外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱(xuru)了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏。 动画第10页/共38页第十页，共39页。 外加反向电压,

7、方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散(kusn)运动的阻碍增强，扩散(kusn)电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散(kusn)电流，可忽略扩散(kusn)电流，PN结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 在一定的温度条件(tiojin)下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 动画（2）PN结加反向(fn xin)电压第11页/共38页第十一页，共39页。总之：PN结正向电阻小，反向(fn xin)电阻大单向导电性。返回

8、(fnhu)第12页/共38页第十二页，共39页。半导体二极管半导体二极管半导体二极管 二极管 ：一个(y )PN结就是一个(y )二极管。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。符号：第13页/共38页第十三页，共39页。 二极管按结构(jigu)分有点接触型、面接触型二大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积(min j)小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(2) 面接触(jich)型二极管 PN结面积大，用于大电流整流电路。半导体二极管的结构半导体二极管的结构第14页/共38页第十四页，共39页。半导体二极管的伏安半导体二极管的伏安(f n)特

9、特性曲线性曲线 式中IS 为反向饱和电流，VD 为二极管两端的电压降，VT =kT/q 称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温(sh wn)（相当T=300 K），则有VT=26 mV。) 1(eTSVVDII 第一象限(xingxin)的是正向伏安特性曲线，第三象限(xingxin)的是反向伏安特性曲线。第15页/共38页第十五页，共39页。(1) 正向正向(zhn xin)特性特性 硅二极管的死区电压(diny)Vth左右， 锗二极管的死区电压(diny)Vth=0.20.3 V左右。 当0VVth时，正向电流(dinli)为零，Vth称死区电压

10、或开启电压。正向区分为两段： 当V Vth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。第16页/共38页第十六页，共39页。反向区也分两个(lin )区域： 当VBRV0时，反向电流(dinli)很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流(dinli)也称反向饱和电流(dinli)IS 。 当VVBR时，反向电流急剧(jj)增加，VBR称为反向击穿电压 。(2) 反向特性反向特性第17页/共38页第十七页，共39页。 硅二极管的反向击穿特性比较(bjio)硬、比较(bjio)陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较(bjio)软，过渡比较(bjio)圆滑，反向饱和电流较大。 (

11、3) 反向击穿反向击穿(j chun)特性特性第18页/共38页第十八页，共39页。半导体二极管的参数半导体二极管的参数(cnsh)(1) 最大整流(zhngli)电流IF(2) 反向击穿(j chun)电压VBR(3) 反向电流I IR R(4) 正向压降VF在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约；锗二极管约。二极管连续工作时，允许流过的最大整流电流的平均值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电

12、压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。第19页/共38页第十九页，共39页。二极管基本二极管基本( jbn)电路分析电路分析二极管基本(jbn)电路分析正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为。当iD1mA时， vD。第20页/共38页第二十页，共39页。20015.07.0mAVViVVrDthDD)()(26mAImVivrDQDDDDDthDriVV第21页/共38页第二十一页，共39页。1.静态(jngti)分析例1：求VDD=10V时，二极管的 电流(dinli)ID、电压VD 值。解：正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为。

13、mAKVVRVVIDDDD93. 0107 . 01020015 . 07 . 0mAVViVVrDthDDmAKKVVrRVVIDthDDD931. 02 . 0105 . 010VKmAVrIVVDDD69. 02 . 0931. 05 . 05 . 0VVD0mAKVRVIDDD11010当iD1mA时， vD。VVD7 . 0第22页/共38页第二十二页，共39页。2.限幅电路(dinl)VRVmvit0Vi VR时，二极管导通，vo=vi。ViV1时，D1导通、D2截止(jizh)，Vo=V1。ViV2时，D2导通、D1截止(jizh)，Vo=V2。V2ViV1时，D1、D2均截止，

14、Vo=Vi。第29页/共38页第二十九页，共39页。例3： 二极管限幅电路:已知电路的输入(shr)波形为 v i ,二极管的VD 为伏，试画出其输出波形。解：Vi时，二极管导通，vo=。Vi时，二极管截止(jizh)， vo=Vi。第30页/共38页第三十页，共39页。例8：画出理想(lxing)二极管电路的传输特性（VoVI）。当VI0时D1截止(jizh)D2导通IOVV210VIVO- - 5V+5V+5V- - 5V+2.5V- -2.5V第31页/共38页第三十一页，共39页。例7：画出理想(lxing)二极管电路的传输特性（VoVI）。 解： VI25V ，D1导通，D2截止(j

15、izh)。32532IOVVVI，D1、D2均导通。 VO=25V25300200)25(IOVVVO=100VVI25V75V100V25V50V100V125VVO50V75V150V0第32页/共38页第三十二页，共39页。特殊特殊(tsh)二极管二极管特殊(tsh)二极管稳压(wn y)二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。第33

16、页/共38页第三十三页，共39页。(2) 动态(dngti)电阻rZ 在规定的稳压管反向(fn xin)工作电流IZ下，所对应的反向(fn xin)工作电压。 rZ =VZ /IZ， rZ愈小，反映(fnyng)稳压管的击穿特性愈陡。 (3)(3) 最大耗散功率最大耗散功率 PZM 最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ= VZ IZ，由 PZM和VZ可以决定IZmax。 (4)(4) 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IZmin 最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax =VZIZmax 。而Iz

17、min对应VZmin。 若IZIZmin则不能稳压。(1) 稳定电压VZ第34页/共38页第三十四页，共39页。例12： IR IZ Io稳压(wn y)管的稳压(wn y)过程。RLIoIRVoIZIRVo第35页/共38页第三十五页，共39页。 已知二极管D的正向导通管压降VD，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流(dinli)IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。 求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交 。CR1KE1.5V+VD+vi(t)mAKVIDDQ9 . 015 . 1)(89.289 .026QTIVr交)(67.09 .06 .0kR直解：例10：第36页/共38页第三十六页，共39页。 二极管按结构(jigu)分有点接触型、面接触型二大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波(jinb)和变频等高频电路。(2) 面接触(jich)型二极管 PN结面积大，用于大电流整流电路。半导体二极管的结构半导体二极管的结构第37页/共38页第三十七页，共3