第3章半导体二极管及其基本应用电路.优秀PPT.ppt

3.1 半导体基础学问3.2 PN结3.3 半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管3.1 半导体基础学问一、半导体定义导电性能介于导体和绝缘体之间的物质.特点:导电实力可控（受控于光、热、杂质等）典型半导体材料:硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等3.1.1 本征半导体3.1.2 杂质半导体一、本征(intrinsic)半导体 纯净无掺杂的具有晶体结构的半导体。纯净无掺杂的具有晶体结构的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。(1)共价键结构(2)电子空穴对(3)空穴的移动(1）本征半导体晶体结构共价键结构空间排列有序的晶体 以 硅原子硅原子(Si)为例：(a)硅晶体的空间排列 (b)共价键结构平面示意图 电子空穴对：载流子（Carrier)本征激发和复合在确定温度下会达到动态平衡!图01.02 本征激发和复合的过程（2）电子空穴对 本征激发（热激发）T=0 K时电子(-)空穴(+)复合:电子与空穴相遇,两者同时消逝(3)空穴的移动(导电）空穴的运动=相邻共价键中的价电子反向依次填补空穴来实现的常温下，载流子的浓度很低，故导电性差。常温下，载流子的浓度很低，故导电性差。环境温度上升，载流子浓度上升导电性增加。环境温度上升，载流子浓度上升导电性增加。二、杂质半导体本征半导体缺点？1、电子浓度=空穴浓度；2、载流子少，导电性差，温度稳定性差！(1)N型半导体(2)P型半导体(3)杂质对半导体导电性的影响(1）N型半导体（电子型半导体）掺掺 杂杂：特特 点：点：多数载流子：自由电子（主要由杂质原子供应）多数载流子：自由电子（主要由杂质原子供应）少数载流子：空穴（少数载流子：空穴（由热激发形成）由热激发形成）杂质原子因在晶格上，且缺少电子，故变为不动的正离子。因供应自由电子故称施主杂质正离子少量掺入五价杂质元素（如：磷）(2）P型半导体（空穴型半导体）掺掺 杂杂：少量掺入三价杂质（如硼、镓和铟等）特特 点：点：多子：空穴（主要由杂质原子供应）多子：空穴（主要由杂质原子供应）少子：电子（少子：电子（由热激发形成）由热激发形成）杂质原子成为不行移动的负离子称受主杂质负离子(3)杂质对半导体 导电性的影响其次节N型半导体主要是自由电子导电，掺型半导体主要是自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度越高，导电性越强。浓度越高，导电性越强。P型半导体主要是空穴导电，掺入型半导体主要是空穴导电，掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度的杂质越多，多子（空穴）的浓度越高，导电性越强。越高，导电性越强。图01.06 PN结的形成过程1.形成两种载流子的两种运动动态平衡时形成PN结两种运动：扩散（浓度差）漂移（电场力）三、三、PN结结漂移和扩散w(1)、电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移电子或空穴在电场的作用下定向移动称为漂移 如图（如图（A）所示。）所示。w(2)、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（、载流子由浓度高流向浓度低的的运动为扩散。图（B）所示）所示。电流电流I。.空穴空穴 。电子电子（A）电场作用下的漂移运动）电场作用下的漂移运动（B）空穴扩散示意）空穴扩散示意PN结形成结形成 P N+-+由于接触面载由于接触面载流子运动形成流子运动形成PN结结示意图示意图内电场-+扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动PN结结变窄变窄P N+-R 外加正向电压示意外加正向电压示意(导电）导电）PN结结变宽变宽P N-+R 外加反向电压示意（截止）外加反向电压示意（截止）正向电流If反向电流IsPN结加正向电压时结加正向电压时电阻很小，电流大电阻很小，电流大。加反向电压时加反向电压时电阻很大，电流小。电阻很大，电流小。PN结的形成小结：浓度差 多子扩散空间电荷区(杂质离子杂质离子)内电场 促使少子漂移 阻挡多子扩散3.单向导电性单向导电性单向导电性单向导电性：PN结正偏时导通（大电流），PN结反偏时截止（小电流）。偏置偏置(bias)(bias)PN结结变宽变宽P N-+R 外加反向电压示意（截止）外加反向电压示意（截止）反向电流IsPN结结变窄变窄P N+-R 正向电流If外加正向电压示意外加正向电压示意(导电）导电）PN结加正向电压时结加正向电压时电阻很，电阻很，电流大电流大。加反向电压时加反向电压时电阻很大，电电阻很大，电流小。流小。5、PN结的伏安特性结的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性4、PN结的电流方程结的电流方程(1)势垒电容Cb（Barrier)势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成4.电容效应 表现为：势垒电容Cb（barrier)扩散电容Cd(diffusion)图 01.10 扩散电容示意图第三节(2)扩散电容Cd(Diffusion)当外加正向电压不同时，当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以的大小也就不同。所以PN结两侧积累的多子的结两侧积累的多子的浓度梯度分布也不同，浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电这就相当电容的充放电过程。这种电容效应称过程。这种电容效应称为扩散电容为扩散电容势垒电容和扩散电容均势垒电容和扩散电容均是非线性电容。是非线性电容。（3）结电容）结电容Cj=Cb+Cd3.2 半导体二极管一结构类型和符号二伏安特性三 主要参数四型号命名规则五五二二极极管管等等效效电电路路一、结构类型和符号二极管=PN结+引线+管壳。类型：点接触型、面接触型和平面型(1)点接触型(a)点接触型 1、结构类型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路(c)平面型(3)平面型(2)面接触型(b)面接触型2、符号旧符号新符号阳极(Anode)阴极(Cathode)标记D1D2DiodePN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路往往用于集成电路制造工艺中。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，用于高频整流和开关电路中。用于高频整流和开关电路中。二、伏安特性IS:反向饱和电流VT=kT/q:温度的电压当量室温（T=300 K）下，VT=26 mV1、二极管方程（定量）志向二极管(PN结）方程：图 理想二极管的伏安特性曲线定性 单向导电性单向导电性三、主要参数(1)IF最大整流电流(2)VBR反向击穿电压指二极管反向加电压时，使反向电流突然增大时的电压。不同的二极管有不同的反向击穿电压。一般手册中给出的反向电压是实际的一半。指正常功率下的正向平均电流；依据二极管功率不同，由几mA到几百安培不等(3)IR（IS）反向饱和电流指二极管反向加电压时，在没有击穿前的电流。愈小愈好。一般几纳安到几微安。硅(nA)级；锗(A)级(5)rd 动态电阻 rd=VF/IF 二极管正向特性曲线斜率的倒数(4)极间电容C：正向扩散电容CD：由于PN结正向导电是通过电子和空穴扩散的结果。而扩散必需有载流子的浓度积累，这就产生了扩散电容。反向势垒电容CB：二极管反向PN结形成电荷势垒。相当于二块平行板电容。反向电压愈高电容愈小近似计算公式如下：四、型号命名规则国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：部分国产半导体高频二极管参数表部分国产半导体高频二极管参数表最高反向工作电压（峰值）V反向击穿电压 V正向电流 mA反向电流A最高工作频率MHZ极间电容 Pf最大整流电流mA2AP120402.52501501162ck71001505.02503000.120部分国产半导体整流二极管参数表部分国产半导体整流二极管参数表最大整流 电流 A最高反向工作电压（峰值）V最高工作电压下的反向电流（125度）A正向压降（平均值）V最高工作频率 MHZ2CZ52A 0.12510000.832CZ54D0.5140010000.832CZ57F5300010000.83五、二极管等效电路及其分析方法二极管经常应用于以下场合：（1）整流。（2）限幅。（3）逻辑（二极管逻辑）。二极管是一种非线性器件，需应用线性化模型分析法对其应用电路进行分析。1 1、二极管正向伏安特性的折线化及等效电路、二极管正向伏安特性的折线化及等效电路（1）.志向模型志向模型（2）.恒压降模型恒压降模型这个模型如图：其基本思这个模型如图：其基本思想是当二极管导通后，其想是当二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且管压降认为是恒定的，且不随电流而变，不随电流而变，sisi典型值典型值为为0.7V0.7V。不过这只有当二极管的电不过这只有当二极管的电流流iDiD近似等于或大于近似等于或大于1mA1mA时才是正确的。该模型供时才是正确的。该模型供应了合理的近似，因此应应了合理的近似，因此应用也较广。用也较广。（3）.折线模型折线模型为了较真实地描述二极管为了较真实地描述二极管V-I特性，特性，在恒压降模型的基础上，作确定的在恒压降模型的基础上，作确定的修正，即认为二极管的管压降不是修正，即认为二极管的管压降不是恒定的，而是随着通过二极管电流恒定的，而是随着通过二极管电流的增加而增加，所以在模型中用一的增加而增加，所以在模型中用一个电池和一个电阻个电池和一个电阻rD来作进一步的来作进一步的近似。这个电池的电压选定为二极近似。这个电池的电压选定为二极管的门坎电压管的门坎电压Von，约为，约为0.5V。至于。至于rD的值，可以这样来确定，即当二的值，可以这样来确定，即当二极管的导通电流为极管的导通电流为1mA时，管压降时，管压降为为0.7V，于是，于是rD的值可计算如下的值可计算如下（4）.小信号模型小信号模型 二极管在确定的直流电压和电流下,加入低频小信号时,可等效为一个动态电阻。二极管小信号模型如图所示。假如二极管在它的V-I特性的某一小范围工作，例如在静态工作点Q（即V-I特性上的一个点，此时vD=VD，iD=ID）旁边工作，则可把V-I特性看成为一条直线，其斜率的倒数就是所要求的小信号模型的微变电阻rd。微变电阻rd可干脆从V-I特性上求得。通过Q点作一条V-I特性的切线，并形成始终角三角形，从而得到 vD和 iD，则rd=vD/iD，rd的数值还可从二极管的V-I特性表达式导出。取iD对vD的微分，可得微变电导(当T=300K时)由此可得 2 2、几种模型分析法应用举例、几种模型分析法应用举例 例1 设简洁二极管基本电路如a所示，R=10kW，图b是它的习惯画法。对于下列两种状况，求电路的ID和VD的值：（1）VDD=10V；（2）VDD=1V。在每种状况下，应用志向模型、恒压降模型和折线模型求解。解：图a的电路中，虚线左边为线性部分，右边为非线性部分。符号“”为电位参考点，或叫“地”，即电路的共同端点。电路中任一点的电位，都是对此共同端而言。为了简洁起见，图a所示的电路常接受图b所示的习惯画法，今后常常用到。现按题意，分别求解如下：（1）VDD=10V 运用志向模型得VD=0V，ID=VDD/R=10V/10kW=1mA 运用恒压降模型得：VD=0.7V，运用折线模型得：(2)VDD=1V 运用志向模型得：VD=0V，ID=VDD/R=0.1mA 运用恒压降模型得：VD=0.7V，ID=（VDD0.7）/R=0.03mA 运用折线模型得 ID=0.049mA，VD=0.51V 例2：已知电路，二极管导通电压UD=0.7V，UT=26mV,ui为有效值20mV，频率f=1kHZ有正弦波，则输入沟通电流的有效值约为多少？解：求动态电阻。先求静点解：求动态电阻。先求静点Q的直流电流的直流电流求沟通电流。（直流为零）求沟通电流。（直流为零）基本应用电路基本应用电路1.1.整流电路整流电路整流电路是最基本的将沟通转换为直流的电路，整流电路是最基本的将沟通转换为直流的电路，半波整流半波整流e2E2miD整流电路中的二极管是作为整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。开关运用，具有单向导电性。220Ve2iDuLUdc0.45U2uL全波整流全波整流220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUdc0.9U22.二极管电路的限幅电路3.二极管开关电路一二极管开关电路如图所示。当vI1和vI2为0V或5V时，求vI1和vI2的值不同组合状况下，输出电压vO的值。设二极管是志向的。4.集成运放输入端爱护电路集成运放输入端爱护电路3.3 特殊二极管一、稳压二极管 应用在反向击穿区（雪崩击穿和齐纳击穿）（一）符号、伏安特性 和典型应用电路(a)(a)符号1、利用利用PN结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。结反向击穿的特性，可以制成稳压二极管。I（mA)正向电流IfU（V）正向正向0.6反向击穿电压反向击穿电压UZ正向导通电压正向导通电压UD0击穿击穿电流IRPN结结V-A特性特性 曲线曲线IU电路符号电路符号(b)(b)伏安特性(c)应用电路RL稳压原理：（1）UI变更，负载不变UI上升UO上升Uz上升Iz上升IR=Iz+IL上升UR=IRR上升UO下降（2）输入不变，负载波动RL下降IL（IR）上升UO下降（Uz）Iz下降IR=Iz+IL下降UR=IRR下降UO上升3、限幅电路、限幅电路2、限流电阻取值、限流电阻取值n1）、稳定电压UZ：稳压管击穿后电流变更很大。而电压基本不变的电压。不同的稳压管有不同的稳定电压。n2）、动态电阻rzn3）、最大稳定电流 IZM，由最大耗散功率和稳定电压确定。n4）、最大耗散功率 PZM，工作时的功率PZ=IZUZn5）、温度系数；衡量由于温度变更而使稳定电压UZ变更的参数。一般UZ大于6伏的为正温度系数。小于6伏为负温度系数（二）主要参数w半导体半导体PN结共价键中的电子在光子的轰击下。很简洁结共价键中的电子在光子的轰击下。很简洁脱离共价键而成为自由电子。因此可以用脱离共价键而成为自由电子。因此可以用PN结构成光结构成光敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。敏二极管。光敏二极管的反向电流与光照度成正比。用感光灵敏度来衡量。典型值为：用感光灵敏度来衡量。典型值为：0.1A/LxUOR+-10 -8 -6 -4 -2 0Ip/A-50200Lx400LX光照伏安特性二、光电二极管1、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体、材料和结构：发光二极管由砷化镓、磷化镓等半导体材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一材料组成。由于电子空穴的复合产生发光能量。是一种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显种电变成光的能量转换器件。电路中常用做指示或显示及光信息传送。示及光信息传送。单个发光二极管七段显示发光二极管三、发光二极管（LED）2、发光二极管的主要特性颜色波长（nm）基本材料正向电压（10mA时）V光强（10mA时，时，张角张角4545）（mcd）光功率（WW）红外900砷化镓1.31.5100500红655磷砷化镓1.61.80.4112鲜红635磷砷化镓2.02.224510黄583磷砷化镓2.02.21338绿565磷化镓2.22.40.511.58发射相干单色光的特殊发光二极管。主要用于小功率光电设备，如光驱、激光打印头等。符号见图B四、激光二极管图B触敏屏