模拟第一章半导体二极管及其应用100908课件

1.1半导体的基本知识为什么研究半导体？

电子电路工作的核心器件是晶体管，而晶体管是由半导体材料构成的。

学习本章需掌握半导体的外部特性和主要参数；了解半导体中载流子的运动及半导体二极管的内部工作原理。11.1.1半导体的导电特性

一、半导体：导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。单质半导体：碳(C)、硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体：磷化镓、砷化镓、磷砷化镓等本征半导体：99.9999999%纯度的具有晶体结构的半导体“九个九”物质按照其原子排列特点可分为：（晶体：原子、分子完全按照严格的周期性重复排列的物质称为晶体，原子呈无序排列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。）

晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗2化学元素周期表3在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，经过研究发现在热力学温度零度（即T=0K）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同绝缘体一样。5图1.1.1本征半导体平面结构示意图6本征激发和复合的过程7图1.1.3N型半导体二、杂质半导体导电能力的可控性通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素,得到杂质半导体。N型半导体在本征半导体中掺入5价P元素，形成N型半导体。特点：自由电子的数目远远大于空穴的数目，称为多子；空穴称为少子。9在本征半导体中掺入3价B元素，形成P型半导体。特点：空穴的数目远远大于自由电子的数目，称为多子；自由电子称为少子。P型半导体图1.1.4P型半导体10在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，多数载流子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度；而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：掺入不同性质、不同浓度的杂质，可控制它的导电性能。另外光照、温度等外界因素也可以改变其导电性能。这就是为什么选半导体作为制作晶体管材料的原因。总结11小结本讲主要介绍了下列半导体的基本概念：本征半导体激发、复合、空穴、载流子杂质半导体

P型半导体和N型半导体131.1.2PN结及其单向导电性一、PN结的形成二、PN结的单向导电性14一、PN结的形成

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

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

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

15二、PN结的单向导电性如果外加电压使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；

P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。17１、PN结加正向电压时的导电情况外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。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结导通呈现低阻性。

PN结加正向电压时的导电情况如下图所示。

（动画1-2）PN结加正向电压时的导电情况18

２、PN结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。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电流，可忽略扩散电流，PN结截止呈现高电阻性。PN结加反向电压时的导电情况如下页图所示。PN结加反向电压时的导电情况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。19PN结单向导电性的特点正向导通、反向截止；正向电阻小、反向电阻大；正向电流大、反向电流小；

导通电压Von硅材料为0.6~0.8V左右；锗材料为0.2~0.3V左右。211.2半导体二极管1.2.1二极管的结构类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的参数1.2.4二极管的应用22二极管实物照片1.2.1二极管的结构类型二极管形成

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管23(c)平面型(3)平面型二极管—往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。电流较大。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。电流可达几安到几十安。(b)面接触型(d)二极管的符号k阴极阳极a(4)二极管的符号二极管的结构示意图25302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性反向特性+-UDI1.2.2二极管的伏安特性及等效电路一、二极管的伏安特性

图1.2.2二极管的伏安特性26当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mA0

二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：正向特性27思考题

是否允许将1.5V的干电池以正向接法接至二极管的两端？为什么？答：不允许。这将导致二极管烧毁或电池短路损坏。由PN结伏安特性式计算可知：当UD=1.5V时，ID≈IS×1.14×1025（A）这时，即使IS很小，例如nA数量级（10-9A），有：ID≈10-9×1.14×1025=1.14×1016（A）根据计算，干电池输出功率将达到：P=U∙I=1.5V×1.14×1016（A）=1.71×1016（W）=1.71亿亿（W）这显然是不可能的。后果必然是：或者烧毁二极管，或者使电池短路损坏。因此应禁止将二极管直接与电池相连。29（1）理想模型图1.2.3（a）二极管的理想等效模型二、二极管的等效电路一、由伏安特性线性化得到的等效模型电路(a)uD>0，二极管导通；uD<0二极管截止。30（2）恒压降模型图1.2.3(b)二极管的恒压降等效模型(b)考虑正向压降，uD>0.7V，二极管导通；uD<0.7V，二极管截止。311.2.3二极管的参数

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR———和最大反向工作电压VR

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，最大反向工作电压VR一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。

(3)反向电流IR

(4)正向压降VF在室温下，在规定的反向电压下，一般是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。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V；锗二极管约0.2～0.3V。32(5)*最高工作频率fM：如何用万用表的“”档来辨别一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？思考题33半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：34[例1.2.1]已知uI=

Umsinωt，画出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmωtuoOωtuDOuI＞0

时二极管导通，uO=

uIuD

=

0uI

＜0

时二极管截止，uD

=

uIuO=

0-UmioUmωtuIO1.2.4二极管的应用（整流、限幅、开关）（1）二极管整流电路35VVDVSVVDVS正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。（2）二极管开关电路36（3）二极管限幅电路ID+vo--R10K+vi—例1.2.2电路图VREF

例1.2.2如图1.2.10所示电路。试画出VREF分别为0、5V时的波形。其中vi=10sintV。37（1）稳压二极管的伏安特性稳定电压VZ

稳定电流IZ（IZmin

、IZmax

）

额定功耗PZM

动态电阻rZ

温度系数图1.3.1稳压管的伏安特性（2）稳压二极管的主要参数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。其伏安特性如图1.3.1所示。1.3.1稳压二极管1.3特殊用途二极管38稳定电压UZ：稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流IZ

：稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rZ

：稳压管两端电压和电流的变化量之比。

rZ=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU：稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗PZ

：电流流过稳压管时消耗的功率。39使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UORLVDZRUIIRIOIZ++--

稳压管电路稳压管必须工作在反向击穿区。稳压管应与负载RL并联。必须串联一电阻进行限流，以保护稳压管。工作原理：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。40图1.3.2稳压管稳压电路[例1．3．1*]在图1．2．11所示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压Uz=6V，最小稳定电流Izm=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA；负载电阻RL=600Ω。求解限流电阻R的取值范围。（3）稳压二极管构成的稳压电路41解：从图1.2.11所示电路可知，R上电流IR等于稳压管中电流IDZ和负载电流IL之和，即:IDZ=5~25mA限流电阻R的取值范围为114～227Ω。42[例]电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,

对应ΔUZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻RUORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ43解：IZ=IR

-IO=UI-UZR-UZRLIZmax＞UImax-UZR-UZRLmaxIZmin

＜UImin-UZR-UZRLminrZ

=ΔIZΔUZ=6.7Ω15

-

650

+61kΩ=161ΩR＞R＜10

-

65

+60.6kΩ=267ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mAUORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ44

例:设计如图所示稳压管稳压电路，已知VO=6V，输入电压VI波动10%，RLmin=1k。稳压管稳压电路解：（1）选择DZ：查手册，选择DZ为2CW13，VZ=(5~6.5V)，IZmax=38mA,IZmin=5mA45（2）选择限流电阻R：46其它类型二极管发光二极管LED发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，这里只对可见光发光二极管做一简单介绍。发光二极管的发光颜色决定于所用材料，目前有红、绿、黄、橙等可以制成各种形状，如长方形，圆形。开启电压比普通二极管的大，工作电压一般在1.5~2.5V之间，工作电流在5~30mA之间，电流越大，发光越强。发光二极管的开启电压图1.3.3