（本科）第1章 半导体二极管及其应用电路ppt课件.pptx

课程主讲人：（本科）第1章 半导体二极管及其应用电路ppt课件第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路金、银、铜、铁、锡、铝等为导体金、银、铜、铁、锡、铝等为导体导体导体1.1.半导体材料半导体材料电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路导体导体绝缘体绝缘体陶瓷、塑料、橡胶等等，为绝缘体。陶瓷、塑料、橡胶等等，为绝缘体。1.1.半导体材料半导体材料电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路导电性能介于导电性能介于导体和绝缘体导体和绝缘体之间的物质。之间的物质。如如硅、锗、硒、硅、锗、硒、砷化镓、磷砷砷化镓、磷砷化镓等化镓等。导体导体绝缘体绝缘体半导体半导体1.1.半导体材料半导体材料电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路硅硅锗锗砷化镓砷化镓磷化铟磷化铟电气与电子工程学院1.1.半导体材料半导体材料第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1947年年12月月16日日，美国贝尔实验室，美国贝尔实验室的的巴丁巴丁（John Bardeen）、布拉顿布拉顿（Walter Brattain），肖克莱，肖克莱（William Shockley）发明了晶体管发明了晶体管。锗锗半导体材料半导体材料电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路锗锗 1958 1958年，美国德州仪器公司展示了全球第一年，美国德州仪器公司展示了全球第一块集成电路板，历史上第一个集成电路出自杰克块集成电路板，历史上第一个集成电路出自杰克- -基尔比之手基尔比之手。半导体材料半导体材料第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路硅硅1.1.半导体材料半导体材料第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路2.半导体具有以下特性：半导体具有以下特性： (1)热敏特性热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏元件。利用这个特性制成热敏元件。 (2)光敏特性：光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光电器件。变，利用这个特性制成光电器件。 (3)掺杂特性：掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍增加几十万乃至几百万倍。利。利用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。用这种特性制成各种不同用途的半导体器件。 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们现代电子学中，用得最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。的最外层电子（价电子）都是四个。电气与电子工程学院原子结构原子结构第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路硅的晶体结构硅的晶体结构第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电气与电子工程学院硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构四价元素的原子常常用四价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围电荷的正离子和周围 4个个价电子表示。价电子表示。+4简化模型简化模型电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导体也称为体也称为晶体晶体。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路什么是本征半导体什么是本征半导体电气与电子工程学院完全纯净的、具有晶体结构的半导体叫完全纯净的、具有晶体结构的半导体叫本征半导体。本征半导体。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4将硅或锗材将硅或锗材料提纯便形成单料提纯便形成单晶体，它的原子晶体，它的原子结构为共价键结结构为共价键结构。构。价价电电子子共共价价键键在绝对在绝对0度（度（T=0K），价电子被共价键束缚着，本征半），价电子被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），它的导电能），它的导电能力为力为0，相当于绝缘体，相当于绝缘体。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 当温度升高或受光照当温度升高或受光照时时 ，将有少数价电子克服，将有少数价电子克服共价键的束缚成为共价键的束缚成为自由电自由电子子，在原来的共价键中留，在原来的共价键中留下一个空位下一个空位空穴。空穴。T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的载流子空穴可看成带正电的载流子电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电气与电子工程学院1. 半导体中两种载流子半导体中两种载流子带负电的带负电的自由电子自由电子带正电的带正电的空穴空穴 2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为称为 电子电子 - 空穴对。空穴对。3. 本征半导体中本征半导体中自由电子的浓度自由电子的浓度等于等于空穴的浓度。空穴的浓度。4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又由于物质的运动，自由电子和空穴不断地产生又不断地复合。不断地复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。高，基本按指数规律增加。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 五价五价杂质元素，如杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体(或称电子型半导或称电子型半导体体)。常用的常用的 五五 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半在本征半导体中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。导体的导电性能发生显著变化。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电气与电子工程学院 本征半导体掺入本征半导体掺入 五价元素后，原来晶体中的某五价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个个价电子，其中价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子电子称为多数载流子电子称为多数载流子空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子五价杂质原子称为五价杂质原子称为施施主原子。主原子。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导体，要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。因而其导电能力大大改善。电气与电子工程学院 为什为什么杂质半导体的导电能力大么杂质半导体的导电能力大于本征半导体的导电能力于本征半导体的导电能力第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路杂质半导体带电吗杂质半导体带电吗电气与电子工程学院 不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然它型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。不带电的。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电气与电子工程学院温度升高，少数载流子的浓度将如何变化温度升高，少数载流子的浓度将如何变化温度升高，少数载流子的浓度将大大增加。温度升高，少数载流子的浓度将大大增加。因此，掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度因此，掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。决定少数载流子的浓度。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 三价三价杂质元素，如硼、杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓度多于电子空穴浓度多于电子浓度，即浓度，即 p n。空穴空穴为多数载流子，电子为为多数载流子，电子为少数载流子。少数载流子。三价杂质原子称为三价杂质原子称为受受主原子。主原子。受主受主原子原子电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路说明：说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路空间电荷区空间电荷区PN1. 扩散运动扩散运动电 子 和 空 穴电 子 和 空 穴浓度差形成浓度差形成多数多数载流子的扩散运载流子的扩散运动。动。PN 在一块半导在一块半导体单晶上一侧掺体单晶上一侧掺杂成为杂成为 P P 型半导型半导体，另一侧掺杂体，另一侧掺杂成为成为 N N 型半导体型半导体第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路3. 空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场UD空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电压势垒电压势垒； 内电场内电场；4. 漂移运动漂移运动内电场有利内电场有利于少子运动于少子运动漂漂移。移。 少子的运动少子的运动与多子运动方向与多子运动方向相反。相反。 阻挡层阻挡层5. 动态平衡动态平衡第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路5. 动态平衡动态平衡当扩散电流与漂移电流相等时，当扩散电流与漂移电流相等时，空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度达到稳定。即达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。空间电荷区的宽度约为几至几十微米；空间电荷区的宽度约为几至几十微米；电压势垒电压势垒 UD，硅材料约为，硅材料约为( (0.6 0.8) ) V, 锗材料约为锗材料约为( (0.2 0.3) ) V。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 总结总结: : 在一块本征半导体在两侧通过扩散不在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质同的杂质, ,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由离子形成空间电荷区离子形成空间电荷区 第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区I空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN电气与电子工程学院UR第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路形成正向形成正向电流电流多子向多子向PN结移动结移动空间电荷变窄空间电荷变窄内电场减弱内电场减弱扩散运动大扩散运动大于漂移运动于漂移运动PN结在外加正向电压时的情况结在外加正向电压时的情况外加电场与内电场方向相反，外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用削减内电场的作用在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻向电流，为防止电流过大，可接入电阻 R。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路空间电荷区空间电荷区反相偏置的反相偏置的PNPN结结反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对温度十分敏感，随随着温度升高，着温度升高， IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向URIS第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路形成反向形成反向电流电流多子背离多子背离PN结移动结移动空间电荷区变空间电荷区变宽宽,内电场增强内电场增强漂移运动大漂移运动大于扩散运动于扩散运动PN结外加反向电压时的情况结外加反向电压时的情况外加电场与内电场方向一外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用致，增强内电场的作用第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路综上所述：综上所述：当当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，正向电流， PN 结处于结处于 导通状态导通状态；当；当 PN 结反向偏置结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，时，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处结处于于截止状态截止状态。可见，可见， PN PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 PN结具有一定的电容效应，结具有一定的电容效应，一是势垒电容一是势垒电容CT ,二是扩二是扩散电容散电容CD 1. 势垒电容势垒电容CT 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容示意图第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 扩散电容是由多子扩散后，在扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积结的另一侧面积累而形成的。因累而形成的。因PN结正偏时，由结正偏时，由N区扩散到区扩散到P区的电子区的电子与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在来的电子就堆积在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，形成一定结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。的多子浓度梯度分布曲线。 2.扩散电容扩散电容CD 反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。成类似的浓度梯度分布曲线。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路扩散电容示意图扩散电容示意图 若外加正向电压不若外加正向电压不同，扩散电流即外电路同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。电流的大小也就不同。所以所以PN结两侧堆积的多结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不子的浓度梯度分布也不同，这就相当于电容的同，这就相当于电容的充放电过程。势垒电容充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性和扩散电容均是非线性电容。电容。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 势垒、扩散电容都与结面积势垒、扩散电容都与结面积S成正比。成正比。 点接触二极管的结面积很小，点接触二极管的结面积很小，CT、CD都很小，只都很小，只有有0.5至几皮法至几皮法。 面结合型二极管中的整流管，因结面积大，面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几约在几皮法至皮法至200皮法皮法。 在等效电路中，在等效电路中，CT和和CD是并联的，总的结电容为是并联的，总的结电容为两者之和，即两者之和，即 C=CT+CD。当当PN结正偏时，扩散电容起结正偏时，扩散电容起主要主要作用，作用，CCD，当当PN结反偏时，势垒电容起主要结反偏时，势垒电容起主要作用，作用，CCT。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路某手机充电器的电路板某手机充电器的电路板二极管二极管第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路二极管的符号二极管的符号阳极阳极阴极阴极阳极阳极阴极阴极阳极阳极阳极阳极阳极阳极阳极阳极阴极阴极阴极阴极阴极阴极阴极阴极在在PN结上加上引线和封结上加上引线和封装，就成为一个二极管。装，就成为一个二极管。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路平平面型面型点接触型点接触型面接触型面接触型第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结面积小，结电容小，用于检结电容小，用于检波和变频等高频电波和变频等高频电路。路。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管 PNPN结面积大，结面积大，用于工频大电流整用于工频大电流整流电路流电路。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(3)(3)平面型二极管平面型二极管 PN PN 结面积可大结面积可大可小，用于高频整可小，用于高频整流和开关电路中流和开关电路中。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，i = f ( (u ) ) 关系曲线关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i / mAu / V正向特性正向特性击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性 导通压降导通压降: : 硅管硅管锗管锗管0.20.2-0.3V-0.3V死区电压死区电压: :硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0 0.1V.1V电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线硅管特性曲线硅管特性曲线锗管特性曲锗管特性曲线线电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路1. 正向特性正向特性当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。相应的电压叫相应的电压叫死区电压死区电压。范。范围称围称死区。死区电压死区。死区电压与材料和温与材料和温度有关，硅管在度有关，硅管在 0.5 V 左右，锗左右，锗管管在在 0.1 V 左右。左右。正向特性正向特性死区死区电压电压60402000.4 0.8I / mAU / V当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，随着电压的升高，正向电流迅速随着电压的升高，正向电流迅速增大。增大。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 0.02 0.0402550I / mAU / V反向特性反向特性当电压超过零点几伏后，反当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即向电流不随电压增加而增大，即饱和饱和,称为反向饱和电流称为反向饱和电流。 二极管加反向电压，反二极管加反向电压，反向电流很小；向电流很小；如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电如果反向电压继续升高，大到一定数值时，反向电流会突然增大；流会突然增大；反向饱反向饱和电流和电流 这种现象称为这种现象称为击穿击穿，对应电压，对应电压称为称为反向击穿电反向击穿电压压。击穿击穿电压电压U(BR)电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 雪崩击穿：雪崩击穿：雪崩击穿和齐纳击穿雪崩击穿和齐纳击穿形成电子空穴对（碰撞电离）形成电子空穴对（碰撞电离）通过通过PN结的少子获得能量大结的少子获得能量大与晶体中原子碰撞使共价键的束缚与晶体中原子碰撞使共价键的束缚电荷挣脱共价键电荷挣脱共价键PN结反向高场强结反向高场强载流子倍增效应载流子倍增效应电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路齐纳击穿齐纳击穿：形成电子空穴对形成电子空穴对直接将直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来结中的束缚电荷从共价键中拉出来PN结电场很大结电场很大很大反向电流很大反向电流齐纳击穿需要很高的场强齐纳击穿需要很高的场强：2105 V/cm只有杂质浓度高，只有杂质浓度高，PN结窄时才结窄时才能达到此条件能达到此条件齐纳二极管齐纳二极管（稳压管）（稳压管）电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 电击穿电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。称为电击穿，是可逆的。即反压降低时即反压降低时,管子可恢复原来的状态。管子可恢复原来的状态。 热击穿热击穿:若反向电流与电压的乘积超出若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散结的耗散功率功率,则管子会因为过热而烧毁则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿形成热击穿不可逆。不可逆。 热击穿和电击穿热击穿和电击穿 雪崩击穿、齐纳击穿雪崩击穿、齐纳击穿可逆。可逆。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路) 1e (TSUuIi从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于属于非线性器件非线性器件。 式中式中IS 为为反向饱和电流反向饱和电流，U为二极管两端的电压降，为二极管两端的电压降，UT =kT/q 称为温度的称为温度的电压当量电压当量，k为玻耳兹曼常数，为玻耳兹曼常数，q 为电子电荷量，为电子电荷量，T 为热力学温度。对于室温（相当于为热力学温度。对于室温（相当于T=300 K），则有），则有UT=26 mV。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(1) 最大整流电流最大整流电流 IF 二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。(2) 最高反向工作电压最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压穿电压 UBR 的一半定义为的一半定义为 UR 。(3) 反向电流反向电流 IR 反向电流反向电流IR是指在室温条件下，二极管两端加上规是指在室温条件下，二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流值定的反向电压时，流过管子的反向电流值,通常希望通常希望 IR 值值愈小愈好。愈小愈好。1.第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(4) 最高工作频率最高工作频率 fM是二极管工作的上限截止频率。是二极管工作的上限截止频率。fM 值主要决定于值主要决定于 PN 结结电容的大小。结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。频率愈低。2.半导体二极管的型号半导体二极管的型号 用数字代表同类型器件的序号用数字代表同类型器件的序号 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P代表普通管代表普通管 A代表代表N型型Ge，B代表代表P型型Ge，C代表代表N型型Si，D代表代表P型型Si 2代表二极管，代表二极管，3代表三极管代表三极管 2AP7代表代表N型型Ge材料普通二极管材料普通二极管电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 3. 选择二极管的一般原则选择二极管的一般原则 (1)要求导通后正向压降小者选锗管；要求反向电流要求导通后正向压降小者选锗管；要求反向电流小者选硅管。小者选硅管。 (2)要求工作电流大者选面接触型；要求工作频率高要求工作电流大者选面接触型；要求工作频率高者选点接触型。者选点接触型。 (3)要求反向击穿电压高者选硅管。要求反向击穿电压高者选硅管。 (4)要求温度特性好或耐高温者选硅管。要求温度特性好或耐高温者选硅管。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路理想二极管 二极管承受二极管承受正向电压正向电压时，其管压降为零，相时，其管压降为零，相当于当于开关闭合。开关闭合。 第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 二极管承受二极管承受反向电压反向电压时，其电流为零，阻抗为无穷，时，其电流为零，阻抗为无穷，相当于相当于开关的断开。开关的断开。 理想二极管第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 例例1用理想模型分析电路用理想模型分析电路(a) ，二极管采用硅管，电二极管采用硅管，电阻阻R1k，E10V。 (1) 求求UR的值。的值。 (2)当二极管当二极管VD反接，电路如反接，电路如图图 (b)所示所示，求，求UR的值。的值。( (a)a)( (b)b)第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 二极管承受正二极管承受正向电压导通时，其向电压导通时，其管压降为恒定管压降为恒定值值UD D，且不随电流而且不随电流而变化。变化。0.2V0.7V UD 恒压降模型UD第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路恒压降模型UD 二极管承受二极管承受反反向电压向电压时，其电流时，其电流为零，阻抗为无穷，为零，阻抗为无穷，相当于相当于开关的断开开关的断开 第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 例例2用用恒压降恒压降模型分析电路如图模型分析电路如图 (a)(a)所示，所示，二极管采二极管采用硅管，电阻用硅管，电阻R1k，E5V。 (1) 求求UR的值。的值。 (2)当二极管当二极管VD反接，电路如反接，电路如图图 (b)所示所示，求，求UR的值。的值。( (a)a)( (b)b)第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路当当u2为正半周时，为正半周时，VD导通，导通，uO=u2 。 当当u2为负半周时，为负半周时， VD截止，截止，uO=0 。u tOuoOt U2U221 1整流电路整流电路tuisin10第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路2 2二极管限幅电路二极管限幅电路 当当u25V, VD导通，导通，uO=5V 。 当当u25V， VD截止，截止，uO=ui 。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 3. 3. 在数字电路中的应用在数字电路中的应用 (1) uA=3V，uB=0V uY=uA0.7=2.3V (2) uA=3V，uB=3VVD1、VD2都导通，都导通，uY=uA0.7=2.3VVD1先导通先导通 VD2截止截止 (3) uA=0V，uB=0VVD1、VD2都导通，都导通，uY=0.7V第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1.4.4 1.4.4 变容二极管变容二极管 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路一种特殊的面接触型半一种特殊的面接触型半导体硅二极管，简称稳压管。导体硅二极管，简称稳压管。稳压管稳压管工作于反向击穿区工作于反向击穿区。 I/mAU/VO+ 正向正向 +反向反向 U( (b) )稳压管符号稳压管符号( (a) )稳压管伏安特性稳压管伏安特性+ I电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(1) 稳定电压稳定电压 UZ(3) 动态电阻动态电阻 rZ(2) 稳定电流稳定电流 IZZZZIUr 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。 正常工作的参考电流。正常工作的参考电流。I IZ ，只要不超过额定功耗即可。，只要不超过额定功耗即可。rZ 愈小愈好。愈小愈好。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路(4) 电压温度系数电压温度系数 U稳压管电流不变时，环境温度每变化稳压管电流不变时，环境温度每变化 1 引起稳定引起稳定电压变化的百分比。电压变化的百分比。 UZ 7 V, U 0；UZ 4 V， U 0。 UZ 在在 4 7 V 之间，之间， U 值比较小，性能比较稳定。值比较小，性能比较稳定。 2CW17：UZ = 9 10.5 V， U = 0.09 %/ 2CW11：UZ = 3.2 4.5 V， U = ( (0.05 0.03) )%/ 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 (5) 额定功耗额定功耗 PZ 额定功率决定于稳压管允许的温升。额定功率决定于稳压管允许的温升。PZ = UZIZ 注意注意:稳压二极管通常工作在稳压二极管通常工作在反向反向击穿区击穿区，使用时应串入一个电阻，使用时应串入一个电阻，电电阻起限流作用，以保证稳压管正常工阻起限流作用，以保证稳压管正常工作，此电阻被称作，此电阻被称为限流电阻为限流电阻。 例例 求通过稳压管的电流求通过稳压管的电流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流电是限流电阻，其值是否合适？阻，其值是否合适？IZVDZ+20 VR = 1.6 k + UZ = 12 V IZM = 18 mAIZ IZM ，电阻值合适。，电阻值合适。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路VDZR使用稳压管需要注意的几个问题：使用稳压管需要注意的几个问题：稳压管电路稳压管电路UOIO+IZIRUI+ 1. 外加外加电源的正极接管子电源的正极接管子的的 N 区区，电源的，电源的负极接负极接 P 区区，保证管子工作在反向击穿区；保证管子工作在反向击穿区；RL2. 必须限制流过稳压管的电必须限制流过稳压管的电流流 IZ，不能超过规定值，不能超过规定值，以免因，以免因过热而烧毁管子。过热而烧毁管子。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 光电二极管又称光敏二极管，特点是光电二极管又称光敏二极管，特点是PNPN结的面积结的面积大，管壳上有透光的窗口便于接收光的照射，光电二大，管壳上有透光的窗口便于接收光的照射，光电二极管的外型如下图所示。极管的外型如下图所示。 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 光电二极管工作时，在电路中处于反向偏置光电二极管工作时，在电路中处于反向偏置, ,在一在一定的反向电压范围内，反向电流与光照度定的反向电压范围内，反向电流与光照度E成正比关系。成正比关系。 当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其当无光照射时，伏安特性和普通二极管一样，其反向电流很小，称为暗电流。反向电流很小，称为暗电流。 第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 2. 光电二极管的主要参数光电二极管的主要参数 (1)最高反向工作电压最高反向工作电压URM 在无光照的条件下，反向漏电流不大于在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承时所能承受的最高反向电压。受的最高反向电压。 (2)暗电流暗电流ID 是指光电二极管在是指光电二极管在无光照无光照及最高反向工作电压条件下的及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光电二极管的性能越稳定，检测弱漏电流。暗电流越小，光电二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。光的能力越强。 (3)光电流光电流IL 是指光电二极管在是指光电二极管在受到一定光照受到一定光照时，在最高反向工作电时，在最高反向工作电压下产生的电流。压下产生的电流。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 (4)正向压降正向压降UF 是指光电二极管中通过一定的正向电流时，它两是指光电二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。端产生的压降。第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 发光二极管简称为发光二极管简称为LED，是一种将电能转换为光，是一种将电能转换为光能的半导体器件。能的半导体器件。 发光二极管可分为普通发光二极管、高亮度发光发光二极管可分为普通发光二极管、高亮度发光二极管、闪烁发光二极管、变色发光二极管等。二极管、闪烁发光二极管、变色发光二极管等。 第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路4.54.5万多个发光二极管万多个发光二极管 像窗帘一样挂在墙上，随像窗帘一样挂在墙上，随意卷起放下。意卷起放下。MP3、照相机、手机、照相机、手机等数码产品也可以任等数码产品也可以任意弯曲折叠。意弯曲折叠。电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路1.4.4 1.4.4 变容二极管变容二极管 利用利用PN结的结电容随外加反向电压的结的结电容随外加反向电压的变化而变化的特性可制成变容二极管，一般变化而变化的特性可制成变容二极管，一般使用的材料为硅或砷化镓等。使用的材料为硅或砷化镓等。 变容二极管的容量很小，为皮法变容二极管的容量很小，为皮法(pF)(pF)数量级。数量级。 主要在高频调谐、通信等电路中做可变电容器使用。主要在高频调谐、通信等电路中做可变电容器使用。 电气与电子工程学院第第1 1章章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路 1. 1.半导体存在两种导电的载流子：半导体存在两种导电的载流子：自由电子和空穴自由电子和空穴。纯净的半导体也称为本征半导体，在本征半导体中掺入不纯净的半导体也称为本征半导体，在本征半导体中掺入不同的有用杂质，可分别形成同的有用杂质，可分别形成P P型和型和N N型两种杂质半导体，型两种杂质半导体，P P型型半导体半导体的的多数载流子是空穴多数载流子是空穴，N N型半导体型半导体的的多数载流子是自多数载流子是自由电子由电子。 2. 2. PNPN结的重要特性是单向导电性结的重要特性是单向导电性，即加正向电压，即加正向电压PNPN结结导通