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晶体二极管及其电路1第1页，此课件共48页哦1.1 半导体的基本知识半导体的基本知识一一 导体、半导体和绝缘体的特点导体、半导体和绝缘体的特点导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为缘体之间，称为半导体半导体，如锗（，如锗（e)e)、硅、硅(Si)(Si)、砷化镓、砷化镓(GaAs)(GaAs)和一些硫化物、氧化和一些硫化物、氧化物等。物等。2第2页，此课件共48页哦半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：有不同于其它物质的特点。例如：热敏性、光敏性：热敏性、光敏性：当受外界热和光的作当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。用时，它的导电能力明显变化。微量杂质影响半导体导电性微量杂质影响半导体导电性：往纯净的：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。能力明显改变。3第3页，此课件共48页哦二、二、本征半导体：本征半导体：1、本征半导体的结构特点、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，现代电子学中，用的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。它们的最外层电子（价电子）都是四个。4第4页，此课件共48页哦本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：5第5页，此课件共48页哦硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子6第6页，此课件共48页哦共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电束缚电子子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子自由电子，因，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。排列，形成晶体。+4+4+4+47第7页，此课件共48页哦2 2、本征半导体的导电机理、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度度（T=0K）和没有外界激发时和没有外界激发时,价电子价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为），它的导电能力为 0，相当，相当于绝缘体。于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时，同时共价键上留下一个空位，称为共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。（1 1）.载流子、自由电子和空穴的概念载流子、自由电子和空穴的概念8第8页，此课件共48页哦+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子9第9页，此课件共48页哦（2）.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流可以认为空穴是载流子。子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电自由电子子和和空穴空穴。10第10页，此课件共48页哦温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。11第11页，此课件共48页哦三三 杂质半导体杂质半导体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。其原因是掺杂半导导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。体的某种载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。称为（电子半导体）。12第12页，此课件共48页哦1、N 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，的半导体原子形成共价键，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由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子施主原子。13第13页，此课件共48页哦+4+4+5+4多余电子磷原子N 型半导体中的型半导体中的载流子是什么？载流子是什么？1 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子多数载流子(多子）多子），空穴称为，空穴称为少数载流子（少子）少数载流子（少子）。14第14页，此课件共48页哦2 2、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P 型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。15第15页，此课件共48页哦3、杂质半导体的示意表示法、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体杂质杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近。近似认为多子与杂质浓度相等。似认为多子与杂质浓度相等。16第16页，此课件共48页哦一一、PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P 型型半导体和半导体和N N 型半导体，经过载流子的扩散，在型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了它们的交界面处就形成了PN PN 结。结。1.2 PN结与晶体二极管结与晶体二极管17第17页，此课件共48页哦P P型半导型半导体体N N型半导型半导体体+扩散运动扩散运动内电场内电场漂移运动漂移运动1、扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。2、内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。18第18页，此课件共48页哦漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场3、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。19第19页，此课件共48页哦+空间电空间电荷区荷区或或耗尽层耗尽层或或PNPN结结N N型区型区P P型区型区电位电位U UU U0 020第20页，此课件共48页哦二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性PN结的单向导电性只有在外加电压时才显示出来结的单向导电性只有在外加电压时才显示出来 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是的意思都是：P 区加正、区加正、N 区加负电压。区加负电压。PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。21第21页，此课件共48页哦+RE、外加正向电压、外加正向电压内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_耗尽层消失，形成较大的电流，相当于导通。PNPN结导通结导通22第22页，此课件共48页哦、外加反向电压、外加反向电压+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP_内电场被加强，耗尽区变厚。只是少子移动，形成较小的反向电流（A),可忽略，相当于截止。RE多子多子少子少子PNPN结截止结截止23第23页，此课件共48页哦 三、三、PNPN结结u-Iu-I特性曲线及表达式特性曲线及表达式u ui i死区电压死区电压U Ur r:硅管约为硅管约为0.6V,0.6V,锗管约为锗管约为0.2V0.2V导通压降导通压降U UD D:硅管约为硅管约为0.7V,0.7V,锗管约锗管约为为0.3V0.3V。反向击穿反向击穿电压电压U UZ ZU UZ ZU Ur rU UD D式中：式中：U UT T当量电压当量电压,约约26mV26mVu uPNPN结电压结电压I IS S反向饱和电流反向饱和电流24第24页，此课件共48页哦四、四、PN结的击穿结的击穿i iu uU UZ Z电击穿电击穿(反向击穿反向击穿)热击穿热击穿雪崩击穿雪崩击穿齐纳击穿齐纳击穿击穿击穿正向热击穿正向热击穿反向热击穿反向热击穿25第25页，此课件共48页哦五、五、PN结的电容效应（形成结电容结的电容效应（形成结电容C）1 1、由势垒电容、由势垒电容CT和和扩散电容扩散电容CD两部分组成两部分组成。势垒电容：由耗尽区厚度势垒电容：由耗尽区厚度和面积和面积S决定且与决定且与成反比，与成反比，与S S成成正比。正偏时，正比。正偏时，C CT T较大，反偏时，较大，反偏时，C CB B较小较小扩散电容：由载流子数目扩散电容：由载流子数目决定且决定且成正成正比。正偏时，比。正偏时，C CD D较大，反偏时，较大，反偏时，C CD D很很小，可忽略小，可忽略P+-N结论：正偏时，结电容结论：正偏时，结电容C C较大；反偏较大；反偏时，结电容时，结电容C C较小且主要取决于较小且主要取决于C CT T26第26页，此课件共48页哦2、PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合效应rd27第27页，此课件共48页哦六、晶体二极管六、晶体二极管（一）、二极管的实质和符号（一）、二极管的实质和符号二极管实质就是一个二极管实质就是一个PN结，结，其符号为其符号为NPAK阳极阳极阴极阴极（二）、二极管的结构分类（二）、二极管的结构分类1、点接触型：适用于高频小电流电路，作为检波、点接触型：适用于高频小电流电路，作为检波、脉冲电路的开关元件。脉冲电路的开关元件。引线外壳线触丝线基片点接触型点接触型28第28页，此课件共48页哦PN结2、面接触型：适用于低频大电流电路，作为整流元件、面接触型：适用于低频大电流电路，作为整流元件3、平面型：集成电路，作为整流元件和开关元件。、平面型：集成电路，作为整流元件和开关元件。面接触型面接触型29第29页，此课件共48页哦(三三)、二极管的二极管的u-Iu-I特性曲线特性曲线正向特性正向特性反向击穿特性反向击穿特性u ui i死区电压死区电压U Ur r:硅管约为硅管约为0.6V,0.6V,锗管约为锗管约为0.2V0.2V导通压降导通压降U UD D:硅管约为硅管约为0.7V,0.7V,锗管锗管约为约为0.3V0.3V。反向击穿反向击穿电压电压U UZ ZU UZ ZU Ur rU UD D30第30页，此课件共48页哦(四四)、参数、参数1.最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压VRM二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是一般是UZ的一半。的一半。31第31页，此课件共48页哦3.反向饱和电流反向饱和电流 IS指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值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，因此反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。4.极间（结）电容极间（结）电容C5.直流电阻直流电阻RD、交流电阻、交流电阻rd32第32页，此课件共48页哦七、常见的二极管实物外形七、常见的二极管实物外形33第33页，此课件共48页哦(五五)、晶体二极管的等效模型、晶体二极管的等效模型u ui iU UZ ZU Ur rU UD Du ui i实际二极管的实际二极管的u-Iu-I特性曲线特性曲线理想二极管的理想二极管的u-Iu-I特性曲线特性曲线1 1、晶体二极管的理想模型、晶体二极管的理想模型、当在二极管、当在二极管加上正向电压加上正向电压,u0时、近似认为时、近似认为u=0,i0,u=0,i0,、当在二极管、当在二极管加上反向电压加上反向电压,u0.6V时、近似认为时、近似认为u=0.6V,i0,u=0.6V,i0,、当在二极管、当在二极管加上反向电压加上反向电压,u0,二极管导通。二极管导通。二极管相当于断开，二极管相当于断开，当当ui为负半周时，为负半周时，uD0 二极管截止。二极管截止。uiRu0则：则：u0=ui则：则：u0=uD36第36页，此课件共48页哦例：例：电路如下图所示，判断图中的二极管是导通还是截止，电路如下图所示，判断图中的二极管是导通还是截止，求电压求电压u uO O。设二极管是理想的。设二极管是理想的。u uD20D201 1、移掉、移掉D D1 1、D D2 2，分别求出开，分别求出开路电压路电压V VD10D10、V VD20D20V VD10D10=4V=4V、V VD20D20=5V=5V2 2、将、将D D1 1、D D2 2放入，放入，则则D2D2优先道通优先道通3 3、u u0 0=0V=0V，V VD1D1=-1V=-1V，u uD10D10则则D1D1截止截止则则D1D1被箝位被箝位解：解：D1D2R+5V+1V0Vu0、门电路、门电路分析思想分析思想：应运用二：应运用二极管的极管的优先道通及箝优先道通及箝位概念。位概念。u uD1D137第37页，此课件共48页哦3、二极管限幅电路、二极管限幅电路u ui iu uo o5V例例:电电路如路如图图下下图图，ui10sint V，试试画出画出u0的波形。的波形。ui010V-10V5Vu0ud解：解：ud=ui-5当当 ud=ui-50,即即ui0,即即ui5V时时,二极管截止二极管截止,u0=5V5V38第38页，此课件共48页哦一、一、稳压管稳压管(或齐纳二极管或齐纳二极管）Uz+-ui IZ1.3 特殊二极管特殊二极管工作于反向击穿区工作于反向击穿区 IZ很大，但很大，但 Vz 很小很小稳压作用稳压作用反向击穿区是可逆的反向击穿区是可逆的DZ1、符号、伏安特性、符号、伏安特性.动态电阻动态电阻39第39页，此课件共48页哦（2）稳定电流稳定电流IZ,且且I IZminZmin IZ Iz zmax。（3）最大允许功耗）最大允许功耗2、稳压二极管的参数、稳压二极管的参数:（1）稳定电压稳定电压 UZ（5）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的系数。稳压值受温度变化影响的系数。（4）动态电阻）动态电阻rz 越小，稳压性能越好。越小，稳压性能越好。40第40页，此课件共48页哦UoIZDZRILIRUiRL二、稳压管的应用二、稳压管的应用稳压电路（并联型稳压电路）稳压电路（并联型稳压电路）、Ui变化变化 负载不变负载不变2、Ui不变不变 负载变化负载变化稳压原理稳压原理Uo稳定是稳定是Dz通过通过Iz 的电流调节和的电压调节而实现的的电流调节和的电压调节而实现的 URIRUO UI(=IL+IZ)IZ UO (=UI -UR )41第41页，此课件共48页哦例题：例题：解解:、当、当u ui i=18V=18V时，时，I IRminRmin=(18-6)/510=23.5mA=(18-6)/510=23.5mAuoIZDZRILIRuiRL试分析输入电压试分析输入电压ui在在1V波动时，试确定波动时，试确定iL的变化范围？的变化范围？当当u ui i=24V=24V时，时，I IRmaxRmax=(24-6)/510=35.3mA=(24-6)/510=35.3mA 2 2、IZ=IR-IL.当当IR=I IRmaxRmax,I,IL L=I=ILminLmin时，流过时，流过I I的电流最大，为了使稳的电流最大，为了使稳压管能安全工作，应满足：压管能安全工作，应满足：I IZmaxZmaxI IRmaxRmax-I-ILmin Lmin,I ILminLminI IRmaxRmax-I-IZmaxZmax=35.3-33=2.3mA.当当IR=I IRminRmin,I,IL L=I=ILmaxLmax时，流过时，流过I I的电流最小，为了使的电流最小，为了使稳压管能正常工作，应满足：稳压管能正常工作，应满足：I IZminZminI IRminRmin-I-ILmax Lmax,I ILmaxLmaxI IRminRmin-I-IZminZmin=23.5-5=18.5mA42第42页，此课件共48页哦二、变容二极管二、变容二极管三、肖特基二极管（三、肖特基二极管（SBDSBD）AK符号符号AK符号符号-U-UC CC-U特性曲线特性曲线43第43页，此课件共48页哦四、光电子器件四、光电子器件反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加1、光电二极管、光电二极管符号符号44第44页，此课件共48页哦 2 2、发光二极管、发光二极管有正向电流流过时，有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极它的电特性与一般二极管类似。管类似。符号符号 3 3、激光二极管、激光二极管有正向电流流过时，发出有正向电流流过时，发出单波长的光，主要为红外线。单波长的光，主要为红外线。符号符号45第45页，此课件共48页哦4 4、光电耦合器光电耦合器光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，光电耦合器是把发光器件和光敏器件组装在一起，使用时将电信号输入到发光器件，发光器件将电信号转换使用时将电信号输入到发光器件，发光器件将电信号转换成光信号，由光敏器件接受并再转换成电信号，由于输入成光信号，由光敏器件接受并再转换成电信号，由于输入与输出之间没有直接电气连接，信号传输是通过光耦合，与输出之间没有直接电气连接，信号传输是通过光耦合，常用来隔离强电和弱电。常用来隔离强电和弱电。46第46页，此课件共48页哦五、特殊二极管实物外形五、特殊二极管实物外形47第47页，此课件共48页哦overver48第48页，此课件共48页哦