半导体二极管及其基本电路

1、半导体二极管及其基本电路第1页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.1半导体的基础知识本征半导体杂质半导体PN结及其特性第2页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二半导体的特点1.热敏性：半导体的导电能力与温度有关利用该特性可做成热敏电阻2.光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关系利用该特性可做成光敏电阻3.掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导电能力利用该特性可做成半导体器件第3页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.1.1 本征半导体半导体 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。第4页，共67

2、页，2022年，5月20日，1点34分，星期二硅(锗)的原子结构简化模型惯性核价电子(束缚电子)1、半导体的原子结构第5页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二2、本征半导体的晶体结构硅(锗)的共价键结构共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。第6页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3、本征半导体的导电情况自由电子空穴空穴空穴可在共价键内移动当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体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位(空穴)第7页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二本征激发：复 合：自由电子和

3、空穴在运动中相遇重新结合成对消失的过程。漂 移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。 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位(空穴)的过程。载流子 ：自由运动的带电粒子第8页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二两种载流子电子(自由电子)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 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。第9页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.1.2 杂

4、质半导体一、N 型半导体N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数第10页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二二、 P 型半导体P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子电子 少子载流子数 空穴数第11页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二三、杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体 I INP 型半导体 I IP第12页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二四、P 型、N 型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子P 型：N 型：第

5、13页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.1.3 PN 结一、PN 结(PN Junction)的形成1. 载流子的浓度差引起多子的扩散2. 复合使交界面形成空间电荷区产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子的扩散促进少子产生漂移内建电场此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流第14页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3. 继续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。二、PN 结的单向导电性 1）. 外加正向电压(正向偏置) forward bias此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）1.定性分析第15页，共67页，202

6、2年，5月20日，1点34分，星期二P 区N 区内电场外电场外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2）. 外加反向电压(反向偏置) reverse bias P 区N 区内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。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第16页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二2、定量估算反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当

7、T = 300(27C)：加正向电压时加反向电压时iISUT = 26 mV第17页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3、伏安特性Ou /VI /mA反向击穿正向特性反向特性第18页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.2半导体二极管 半导体二极管的结构和类型1.2.2 半导体二极管的伏安特性1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响1.2.4 半导体二极管的主要参数1.2.6 半导体二极管的模型1.2.5 半导体器件的型号及二极管的选择第19页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.2.1 半导体二极管的结构和类型构成：PN 结 + 引线

8、 + 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第20页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二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 型支持衬底第21页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二第22页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.2.2 二极管的伏安特性一、PN 结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27

9、C)：UT = 26 mV第23页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死区电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(锗管)U UthiD 急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管 0.2 V反向特性U (BR)反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 几十 A (锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)第24页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击

10、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。第25页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020第26页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响T 升高时，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降604020 0.0200.42550iD / mAuD /

11、 V20C90C第27页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.2.4 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)4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU (BR)I FURMO第28页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二影响工作频率的原因 PN 结的电容效应 结论：1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。 高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向 导电性变差。2. 结面积小时结电容小，工作频率高。第29页，共67

12、页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1 理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD = 0；反偏截止， iD = 0 U(BR) = 1.2.6 半导体二极管的模型第30页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)2 二极管的恒压源模型第31页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3. 二极管的折线模型第32页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二4 二极管的交流小信号模型图解法第33页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二【例1-1】 电路如图1

13、-15所示，VD为硅二极管，R=2k，求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。解: 当VDD=2V时 采用恒压源模型进行分析 UO=VDDUon=2V0.7V=1.3V IO=UO/R=1.3V/2k=0.65mA 当VDD=10V时 采用理想二极管模型分析 UO=VDD =10V IO=UO/R=10V/2k=5mA 第34页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.3 半导体二极管的应用 二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。1.3.1 二极管在限幅电路中的应用限幅电路分为串联限

14、幅电路、并联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路三种。 第35页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1. 串联限幅电路uD=uiE 当uDUon 即uiE+Uon时 VD正偏导通 uD=Uon uo=uiUon 工作原理输出波形第36页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1. 串联限幅电路uD=uiE 当uDUon 即uiE+Uon时 VD截止 流过二极管的电流为零 uo=E 输出波形第37页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二传输特性（或限幅特性）uo=f(ui) 输出波形第38页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二第3

15、9页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二2. 并联限幅电路第40页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3. 双向限幅电路第41页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.3.2 二极管在整流电路中的应用1. 单相半波整流电路第42页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二2. 全波整流电路第43页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二Otui / V15RLV1V2V3V4uiBAuO3.桥式整流电路第44页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二OtuO/ V15若有条件，可切换到 EWB 环境观

16、察桥式整流波形。第45页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1. 4特殊二极管1.4.1 稳压二极管1.4.2 发光二极管1.4.3 光电二极管1.4.4 变容二极管第46页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.5.1 稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性第47页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二二、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 Imin 时不稳压。3. 最大工作电流 IZM

17、 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 第48页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二5. 稳定电压温度系数 UZ 4 V， 7 V， 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；4 V UZ 7 V， 很小。第49页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3. 稳压管稳压电路UIUORRLIOIRIDZ 稳压原理 IR = IDZ + IOUO= UI IR R 负载电阻RL不变，输入电压UI变化时 第50页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二3. 稳压管稳压电路UIUOR

18、RLIOIRIDZ 稳压原理 IR = IDZ + IOUO= UI IR R 当输入电压UI不变，负载电阻RL变化时 当输入电压UI不变，负载电阻RL变化时 第51页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二 限流电阻的选择 UIUORRLIOIRIDZ稳压条件： 当UI=UImax，IO=IOmin时，IDZ最大，则R值必须足够大，以满足IDZIZmax，即得 第52页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二 限流电阻的选择 UIUORRLIOIRIDZ得 当UI=UImin，IO=IOmax时，IDZ最小，则R值必须足够小，以满足IDZ IZmin，即 因此，限

19、流电阻R的选择必须满足： 第53页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二【例1-5】 已知UZ=6V，IZmin=10mA，PCM=200mW，R=500。rz和反向饱和电流均可忽略。试求： 当UI=20V，RL分别取1k、100或开路时，电路的稳压性能怎样？输出电压UO=？ 当UI=7V，RL变化时，电路的稳压性能又怎样？ UIUORRLIOIRIDZ 当RL=1k时， 解: 第54页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二UIUORRLIOIRIDZVDZ被反向击穿 因为： 所以：稳压管稳压性能好 第55页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二

20、UIUORRLIOIRIDZ当RL=100时 稳压管不能被击穿 当负载开路时 UO=UZ=6V IDZIZmax 稳压管能稳压，且稳压性能很好 第56页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二UIUORRLIOIRIDZ 当UI=7V时 当负载开路时，流过稳压管的电流最大，为 故稳压管不能稳压 第57页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.4.2 发光二极管发光二极管 LED (Light Emitting Diode)1. 符号和特性工作条件：正向偏置 一般工作电流几十 mA，导通电压 (1 2) V符号u /Vi /mAO2特性第58页，共67页，2022

21、年，5月20日，1点34分，星期二2. 主要参数电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型： 普通 LED ，不可见光：红外光点阵 LED七段 LED ,第59页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二第60页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二1.4.3 光电二极管1符号和特性符号特性uiO暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：反向偏置2. 主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片第61页，共67页，2022年，5月20日，1点34分，星期二补充：选择二极管限流电阻步骤：1. 设定工作电压(如 0.7 V；2 V (LE