半导体二极管及其应用电路解析课件

1、下 篇电 子 技 术电工与电子技术1下 篇电工与电子技术1第7章 半导体二极管及其应用2第7章 半导体二极管及其应用2 本章基本要求： 1. 了解半导体的结构，掌握杂质半导体的基本特性，理解PN结的单向导电性； 2.掌握半导体二极管的导通、截止条件，伏安特性和主要参数； 3.熟悉稳压管的稳压原理和应用电路； 4.了解特殊二极管的基本性能特点，熟悉二极管的应用电路。 第7章 半导体二极管及其应用3 本章基本要求：第7章 半导体二极管及其应用37.1 半导体的基本特性7.2 半导体二极管7.3 二极管应用电路本章教学内容第7章 半导体二极管及其应用47.1 半导体的基本特性本章教学内容第7章 半导

2、体二极管本章重点：本章难点： 1. 半导体及参杂半导体的特性；PN结及二极管的单向导电性；3. 二极管的特性曲线；4. 稳压二极管应用。 1. 二极管的单向导电性和钳位作用；2. 稳压二极管电路分析。 第7章 半导体二极管及其应用5本章重点：本章难点： 1. 半导体及参杂半导体的特性；1. 引 言电子技术包含: 1.模拟电子; 2.数字电子.电路组成主要是半导体器件通常是晶体管晶体管有二极管和三极管晶体管的特性决定于半导体材料了解半导体材料理解晶体管和分析电路功能 对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。第7章 半导体二极管及其应

3、用6引 言电子技术包含: 1.模拟电子; 2.数字电 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用比较简便的分析方法获得满足工程要求并具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、数值有误差、工程上允许一定的误差，可以采用合理估算的方法。第7章 半导体二极管及其应用7 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对器件的数有关概念：导体： 导电能力很强的物质 (电阻率低小于10-4/cm ) 绝缘体：无导电能力的物质 (电阻率高大于109/cm)半导体：导电能力介于导体

4、和绝缘体之间的物体半导体的性能：导电性、热敏性、光敏性、掺杂性； 其性能取决于物质物理特性及结构7.1 半导体的基本特性8有关概念：导体： 导电能力很强的物质7.1 半导体的基本晶体：半导体的原子排列具有整齐的点阵晶格结构, 又称为晶体。本征半导体：纯净的、具有完整晶体结构的、由本征激发而形成电子和空穴对的半导体，称为本征半导体。7.1.1 本征半导体Ge锗原子平面图Si硅原子平面图晶体结构7.1 半导体的基本特性9晶体：半导体的原子排列具有整齐的点阵晶格结构, 又称为晶体。 在半导体材料中, 用得最多的是硅和锗,它们的最外层电子（价电子）都有四个电子, 称为四价元素。相邻原子之间的结合是共价

5、键结构 .1）半导体硅和锗的共价键结构 共价键: 在晶体材料中，如果每个原子与其相邻的原子之间共用一对(两个)价电子形成吸引力, 称为共价键.+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键共用电子对7.1 半导体的基本特性10 在半导体材料中, 用得最多的是硅和锗,它们的最外层电 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。2）本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。 Si Si Si Si空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该

6、原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。7.1 半导体的基本特性价电子11 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣 半导体中的电流：当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。两种载流子的特点： 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中

7、载流子便维持一定的数目。7.1 半导体的基本特性12 半导体中的电流：当半导体两端加上外电压时，在半导体经过实验证明在本征半导体中用扩散方法掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。这种半导体称为杂质半导体。导电性能变化的原因是掺杂半导体的导电的载流子浓度大大增加。（载流子：自由电子与空穴）N型半导体(电子为多数，又称电子半导体)P型半导体(空穴为多数，又称空穴半导体)7.1.2 杂质半导体杂质半导体有两种类型:7.1 半导体的基本特性13经过实验证明在本征半导体中用扩散方法掺入某些微量的杂质，就会1）N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些硅原子被

8、杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的硅原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。硅或锗 +少量磷 N型半导体7.1 半导体的基本特性141）N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶N型半导体结构多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi7.1 半导体的基本特性每个磷原子给出一个电子，常称为施主原子15N型半导体结构多余电子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi2）P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些硅原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价

9、电子，与相邻的硅原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。硅或锗 +少量硼 P型半导体7.1 半导体的基本特性162）P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）P型半导体结构P型硅表示空穴硼原子SiSiSiB硅原子空穴因失去电子而被认为正电荷，并且由于递补的作用被认为可以移动。7.1 半导体的基本特性由于硼原子接受电子，所以常称为受主原子。17P型半导体结构P型硅表示空穴硼原子SiSiSiB硅原子空穴因3）杂质半导体的示意表示法+N型半导体无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。7.1 半导体的基本特性P型半导体1

10、83）杂质半导体的示意表示法+ 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。abc 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） ba选择思考题：7.1 半导体的基本特性19 1. 在杂质半导体中多子的数量与 1. PN 结的形成1）PN 结：在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面就形成一种特殊结构 称为P

11、N结。7.1.3 PN 结及其单向导电性 7.1 半导体的基本特性P型半导体+N型半导体PN结201. PN 结的形成1）PN 结：在同一片半导体基片上，2）PN结内载流子的运动漂移与扩散运动形成空间电荷区P型半导体N型半导体扩散运动漂移运动空间电荷区+7.1 半导体的基本特性212）PN结内载流子的运动漂移与扩散运动形成空间电荷区P型半导内电场越强，漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄。扩散使空间电荷区加宽漂移运动P型半导体N型半导体扩散运动内电场E3）PN结内电场的建立+随着电荷区的形成内电场也逐渐建立7.1 半导体的基本特性22内电场越强，漂移运动越强，漂移使空间电荷区变薄。扩散使空间电漂

12、移运动P型半导体N型半导体+内电场E4）PN结内的动态平衡所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。扩散运动7.1 半导体的基本特性23漂移运动P型半导体2. PN结的单向导电性1）PN结正向偏置导通PN结正向偏置：P区电位高、N区电位低。内电场减弱，扩散加强，扩散飘移，正向电流大空间电荷区变薄正向电流PN+R7.1 半导体的基本特性242. PN结的单向导电性1）PN结正向偏置导通PN结正向偏内电场加强，使扩散停止，有少量飘移，反向电流很小空间电荷区变厚反向电流+RPN+PN结反向偏置：P区电位低、N区电位高。2）PN结反向偏置截止7

13、.1 半导体的基本特性25内电场加强，使扩散停止，空间电荷区变厚反向电流+RPN(a) 点接触型(b)面接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。7.2.1 二极管的基本结构1.结构; 2.类型; 3.电路符号。7.2 半导体二极管26(a) 点接触型(b)面接触型 结面积小、结电容小、正PNPN符号阳极阴极+阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅( c ) 平面型(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。7.2 半导体二极管27PNPN符号阳极阴极+阴极引线阳极

14、引线二氧化硅保护层P型硅7.2.2 伏安特性和主要参数1. 二极管的特性曲线: (见下页)1） 正向特性: (1)死区电压UDf(0.5V,0.1V); (2)导通电压UDo(0.6V,0.2V); (3)电流与电压为指数关系.2）反向特性: (1)反向饱和电流IRS很小; (2)反向击穿电压UBR.3） 理想二极管: (1)正向导通电压为零(UD=0); (2)反向截止为开路(RD=).7.2 半导体二极管287.2.2 伏安特性和主要参数1. 二极管的特性曲线: (1. 二极管的伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿特性U(BR)导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通。 外加电压大

15、于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅0.60.8V锗0.20.3VUI死区电压PN+PN+反向电流在一定电压范围内不变，称为饱和。7.2 半导体二极管291. 二极管的伏安特性硅管0.5V锗管0.1V反向击穿导通常用电路及理想特性UIE+-R限流电阻理想二极管特性UI0UI导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压U(BR)死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。反向饱和电流（很小，A级）07.2 半导体二极管30常用电路及理想特性UIE+-R限流电阻理想二极管特性UI0U1）最大整流电流 IOM2）反向工作峰值电压URWM是保证二极管不被击穿而给

16、出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3）反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。2. 二级管的主要参数二极管长期使用时，允许流过的最大正向平均电流7.2 半导体二极管311）最大整流电流 IOM2）反向工作峰值电压URWM是保证二7.2.3 特殊二极管1. 稳压二极管 稳压二极管是一种用特殊工艺制成的面接触型硅二极管，其特殊之处在于它工作在特性曲线的反向击穿区，正

17、常工作时处于反向击穿状态，并通过制造工艺保证PN结不会被热击穿。 UIO稳压管正常工作时加反向电压，并加限流电阻（1）特性曲线7.2 半导体二极管符号： _+327.2.3 特殊二极管1. 稳压二极管 稳压（2） 主要参数1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。3) 动态电阻4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。7.2 半导体二极管33（2） 主要参数1) 稳定电压UZ 2) 电压温2. 发光二极管半导体发光二极管是可将电

18、能直接转换成光能的固体发光器件。能产生不同颜色的可见光或红外 辐射光。 发光二极管的结构与普通二极管一样，伏安特性曲线也相似，同样具有单向导电性 。 发光二极管多被用作仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源等领域。 342. 发光二极管半导体发光二极管是可将电能直接转换成光能的符号2. 发光二极管(LED) 发光二极管是可将电能直接转换成光能的半导体发光器件。能产生不同颜色的可见光或红外 辐射光。 发光二极管的结构与普通二极管一样，伏安特性曲线也相似，同样具有单向导电性 。 发光二极管多被用作仪表的指示器、光电耦合器和光学仪器的光源等领域。 常用的有2EF等系列。发光二极管的工作电压为1.5

19、 3V，工作电流为几 十几mA。7.2 半导体二极管35符号2. 发光二极管(LED) 发光二极管是可将电能直接 光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。I/AU/ VE=0E1E2(a) 伏安特性(b) 符号E2 E1常用的光电二极管有2AU, 2CU等系列。 光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。3. 光电二极管 光电二极管是将光信号变成电信号的半导体器件。它的核心部分也是一个PN结。 7.2 半导体二极管36 光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, I/4. 变容二极管 变容

20、二极管也称为压控变容器，是根据所施加的电压变化而改变结电容的半导体。 变容二极管的结电容能随外加的反向偏压而变化，被用来调频、扫频及相位控制。调频发射机采用变容二极管在工作在LC振荡回路上直接调频；采用晶体振荡器和锁相环路来稳定中心频率。 7.2 半导体二极管374. 变容二极管 变容二极管也称为压控变容器，是根定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.60.7V锗0.20.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通若 V阳 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V; ui 8V，二极

21、管导通，已知：8V例3：二极管的用途：u电路如图，求：UAB V阳 =6 V， V阴 =12 V， V阳V阴 二极管导通。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V，否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V例1： 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位 在这里，二极管起钳位作用。 D6V12V3kBAUAB+7.3 二极管应用电路41电路如图，求：UAB V阳 =6 V， V阴两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V，UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向电压为6 V流过 D2 的电流为求：UAB 在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。 BD16V12V3kAD2UAB+7.3 二极管应用电路42两个二极管的阴极接在一起V1阳 =6 V，V2阳=0 V，例5：ui如图所示，已知RCtp