电气第2讲 二极管课件

第二讲第三章教学要求重点与难点1、了解半导体的特性；2、了解PN结的载流子运动，理解PN结的工作原理；3、理解二极管的单向导电性，掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数；4、了解特殊二极管的外特性及应用。重点：PN结的单向导电性，二极管的外特性及其应用电路。难点：PN结的工作原理，载流子运动。本次课教学要求1、了解半导体的特性；2、了解PN结的载流子运动，理解PN结的工作原理；3、理解二极管的单向导电性；4、掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数。5、掌握二极管的等效电路及其基本应用电路的工作原理；6、掌握稳压二极管的工作原理及应用；7、了解发光二极管的特性及应用。3.1半导体基础知识根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体材料元素：硅Si和锗Ge化合物：砷化镓GaAs等。电阻率：导体10－6～10－4

Ω.cm绝缘体1010～1022

Ω.cm半导体10－3～109

Ω.cm3.1半导体基础知识（续）3.1.1本征半导体1、半导体的共价键结构硅晶体的空间排列本征半导体——化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴——共价键中的空位。电子空穴对——由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动——空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。2、本征半导体本征激发电子空穴对的产生产生：价电子获得足够的能量，打破共价键，变成自由电子，产生电子-空穴对。电子空穴对的产生速率正比于温度。本征浓度电子空穴对的复合自由电子放出能量，填补空出的共价键，使电子-空穴对消失，称为复合。复合速率正比于两种载流子的浓度乘积。本征浓度温度一定，电子-空穴对的产生与复合运动将处于动态平衡,自由电子和空穴保持与温度对应的不变的浓度。这个浓度称为本征浓度。用Ni表示。载流子的本征浓度，决定了本征半导体的导电能力。这种导电能力很弱，还不能付诸实用。半导体的导电机构两种载流子自由电子：带负电的载流子。空穴：可以看成带正电的载流子。两种电流电子电流空穴电流影响半导体导电能力的因素1、温度——热敏特性；2、光辐射——光敏特性；3、杂质——掺杂特性。掺杂百万分之一的相关杂质，导电能力提高约一百万倍。

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，不改变其晶体结构，可使半导体的导电性发生显著变化。本征半导体在掺入杂质后称为杂质半导体。

N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。

P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。

3.1.2杂质半导体(P44)在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位。在50oK左右，原共价键中的价电子便可以填补这个空位。即每掺杂一个三价杂质原子，便可提供一个空穴。硼（B）多数载流子

3.杂质对半导体导电性的影响

掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:

T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。

2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:

n=5×1016/cm3

本节中的有关概念注意：少子浓度比本征浓度小几个数量级。本征半导体、杂质半导体自由电子、空穴

N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质

在一块本征半导体在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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:

因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区2

PN结的单向导电性(P46)(1)PN结加正向电压当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。PN结加正向电压时的导电情况多子扩散运动占主导，大的正向扩散电流空间电荷区变窄。PN结的伏安特性2

PN结的单向导电性(续)(2)PN结加反向电压少子漂移运动占主导，极微弱的的反向饱和电流。空间电荷区变宽。PN结的伏安特性

在一定的温度条件下，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。PN结加反向电压时的导电情况其中IS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）3PN结V-I特性表达式其中，q为电子电荷(1.610-19C)，k为波耳兹曼常数(1.3810-23J/K)PN结的伏安特性电击穿机理当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆齐纳击穿雪崩击穿电击穿——可逆*4

PN结的反向击穿齐钠击穿：电场直接导致PN结击穿（PN结内共价键被外电场打破，产生大量载流子，电流剧增。）雪崩击穿：载流子的碰撞电离产生连锁反应导致PN结击穿，尽管PN结内电场强度还不到击穿场强。势垒电容示意图

*5

PN结的电容效应(P47)

(1)势垒电容CbPN结加外加电压时，空间电荷区的宽度随电压变化，从而导致空间电荷区积累的电荷随电压变化，这就是PN结的结电容效应。（3）PN结电容在实际应用中的几点考虑1）正偏置时，扩散电容占主导；反偏置时，势垒电容占主导。3）PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性。2）正偏置时，二极管电阻小，PN结电容影响小；反偏置时，二极管电阻大，PN结电容影响大。4）利用二极管的电容效应制造的变容二极管，广泛用于电子系统。3.2半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管3.2.1二极管的常见结构将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。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3.2.2二极管的伏安特性

二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压温度的电压当量从二极管的伏安特性可以反映出：

1.单向导电性2.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线3.2.3二极管的主要参数最大整流电流IF：最大平均值最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流IR：即IS最高工作频率fM：因PN结有电容效应结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。扩散路程中电荷的积累与释放空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放3.2.4二极管的等效电路

1.将伏安特性折线化理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！3.2.4二极管的等效电路（续）Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流2.微变等效电路3.2.5二极管基本应用电路（P53）1、整流电路1)半波整流电路vo(4)输出电压平均值（Uo）：(1)输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL(3)二极管上承受的最高电压：(2)二极管上的平均电流：ID=ILu1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)输出电压波形：(2)二极管上承受的最高电压：uo(3)二极管上的平均电流：2)单相全波整流电路3.2.5二极管基本应用电路（续）2、下限检测电路注：在逻辑电路中，本电路为二极管与门电路分析方法：优先导通分析法。3.2.5二极管基本应用电路（续）3、放大器输入保护电路P55图3.2.11利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。3.3稳压二极管及其基本应用电路(P55)3.3.1稳压二极管1、符号及伏安特性(a)符号及等效电路(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rZ

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=UZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——uZ2.稳压二极管主要参数正常稳压时UO=UZ#稳压条件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以吗？#上述电路uI为正弦波，且幅值大于UZ，uO的波形是怎样的？3.3.2稳压二极管的基本应用电路(P57)1、稳压管并联稳压电路3.3.2稳压二极管的基本应用电路(续)2、稳压管限幅电路对称双限幅电路不对称双限幅电路1、光电二极管IU照度增加3.4光电子器件1）符号及伏安特性

2）分析要点a.无光照，与普通二极管相同；b.有光照加反向电压，为光控恒流源；c.有光照无外加电压，为光电池，？为正极。P

2、发光二极管（P