二极管及其应用2.ppt

一、一、本征半导体本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质导电性介于导体与绝缘体之间的物质(wzh)称为半导体。称为半导体。本征半导体是纯净本征半导体是纯净(chnjng)的晶体结构的半导体。的晶体结构的半导体。1 1、什么、什么(shn me)(shn me)是半导体？什么是半导体？什么(shn me)(shn me)是是本征半导体？本征半导体？导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构第1页/共31页第一页，共32页。2 2、本征半导体的结构、本征半导体的结构(jigu)(jigu)由于热运动由于热运动(yndng)，具有，具有足够能量的价电子挣脱共价键足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子的束缚而成为自由电子自由电子的产生自由电子的产生(chnshng)使共价键中留有一个空位置，使共价键中留有一个空位置，称为空穴称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡第2页/共31页第二页，共32页。两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电子和带正电的空穴均参与导电电(dodin)，且运动方向相反。，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电由于载流子数目很少，故导电(dodin)性很差。性很差。3 3、本征半导体中的两种载流子、本征半导体中的两种载流子运载电荷运载电荷(dinh)的粒子称为载的粒子称为载流子。流子。温度升高，热运动加剧温度升高，热运动加剧(jij)，载流子浓度增大，导电性增，载流子浓度增大，导电性增强。强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。第3页/共31页第三页，共32页。二、杂质二、杂质(zzh)(zzh)半导体半导体 1.N 1.N型半导体型半导体磷（磷（P）杂质半导体主要杂质半导体主要(zhyo)靠靠多数载流子导电。掺入杂质越多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。强，实现导电性可控。多数多数(dush)载载流子流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？第4页/共31页第四页，共32页。2.2.P型半导体型半导体硼（硼（B）多数多数(dush)载流子载流子 P型半导体主要靠空穴型半导体主要靠空穴(kn xu)导电，掺入杂质越多，空穴导电，掺入杂质越多，空穴(kn xu)浓度越高，导电性越浓度越高，导电性越强，强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目(shm)变化吗？少子与多子变化的数目(shm)相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？第5页/共31页第五页，共32页。三、三、PNPN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其单向及其单向导电性导电性 物质因浓度差而产生的运动(yndng)称为扩散运动(yndng)。气体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴(kn xu)浓度远高于浓度远高于N区。区。N区自由电子区自由电子浓度远高于浓度远高于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区区的自由电子浓度降低的自由电子浓度降低(相遇而复合相遇而复合)，产生内电场。，产生内电场。第6页/共31页第六页，共32页。PN 结的形成结的形成(xngchng)因电场(din chng)作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到(d do)动态平衡，就形成了PN结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。第7页/共31页第七页，共32页。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用剧，由于外电源的作用(zuyng)，形成扩散电流，形成扩散电流，PN结处于导通状态。结处于导通状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于流。由于(yuy)电流很小，故电流很小，故可近似认为其截止。可近似认为其截止。PN 结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性必要吗？必要吗？第8页/共31页第八页，共32页。四、四、PN PN 结的电容结的电容(dinrng)(dinrng)效效应应1.势垒电容(dinrng)PN结外加电压(diny)变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容电容称为扩散电容Cd。结电容：结电容：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！则失去单向导电性！第9页/共31页第九页，共32页。问题问题(wnt)(wnt)为什么将自然界导电性能中等(zhngdng)的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有最高工作频率？第10页/共31页第十页，共32页。3.2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成(z chn)二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性(txng)及电流及电流方程方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数五、稳压五、稳压(wn y)二极管二极管第11页/共31页第十一页，共32页。一、二极管的组成(z chn)将将PN结封装，引出两个电极结封装，引出两个电极(dinj)，就构成了二，就构成了二极管。极管。小功率小功率(gngl)二极管二极管大功率二大功率二极管极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管第12页/共31页第十二页，共32页。一、二极管的组成(z chn)点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许(ynx)的电流小，最高的电流小，最高工作频率高。工作频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许(ynx)的电流大，最的电流大，最高工作频率低。高工作频率低。平面型：结面积可小、可平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。的结允许的电流大。第13页/共31页第十三页，共32页。二、二极管的伏安(f n)特性及电流方程材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A开启开启(kiq)电电压压反向反向(fn xin)饱和电饱和电流流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第14页/共31页第十四页，共32页。从二极管的伏安特性(txng)可以反映出：1.单向导电性2.伏安伏安(f n)特性受温度影响特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向正向(zhn xin)特性左移，反向特特性左移，反向特性下移性下移正向特性为指正向特性为指数曲线数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10第15页/共31页第十五页，共32页。三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数最大整流电流IF：二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。最大反向工作电压(diny)UR：允许外加的最大反向电压(diny)，手册上给出的最高反向工作电压(diny)一般是UBR的一半。反向电流 IR：在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压(diny)时，流过管子的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。最高工作频率fM：二极管工作的上限频率。因PN结有电容效应第16页/共31页第十六页，共32页。四、二极管的等效电路四、二极管的等效电路理想理想(lxing)二极管二极管近似分析近似分析(fnx)中中最常用最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应根据应根据(gnj)不同情况选择不同的等效电路！不同情况选择不同的等效电路！1.将伏安特性折线化？100V？5V？1V？第17页/共31页第十七页，共32页。2.2.微变等效电路微变等效电路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(dinz)，称为动态电阻(dinz)，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用(zuyng)小信号小信号(xnho)作作用用静态电流静态电流第18页/共31页第十八页，共32页。五、基本五、基本(jbn)应用电路应用电路 1.整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电(dodin)作用，将交流电变成直流电的电路。第19页/共31页第十九页，共32页。全波整流全波整流(zhngli)220VuLioRLe2e2+-+220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUdc2第20页/共31页第二十页，共32页。限幅电路(dinl)是限制输出信号幅度的电路(dinl)。2.2.限幅电路(dinl)(dinl)第21页/共31页第二十一页，共32页。钳位电路(dinl)：使输出电位钳制在某一数值上保持不变。设二极管为理想元件，当输入UAUB3V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF3V；当UA0V，UB3V，则V1导通，输出被钳制在UFUA0V，V2反偏截止。3.钳位电路(dinl)第22页/共31页第二十二页，共32页。讨论：解决讨论：解决(jiju)两个问题两个问题如何判断二极管的工作状态如何判断二极管的工作状态(zhungti)？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？uD=ViRQIDUDV与与uD可比，则需图解可比，则需图解(tji)：实测特性实测特性 对对V和和Ui二极管二极管的模型的模型有什么不同？有什么不同？第23页/共31页第二十三页，共32页。3.3 稳压稳压(wn y)二极管二极管 稳压二极管又称齐纳二极管，是一种(y zhn)用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管。1.伏安(f n)特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后在成，反向击穿后在一定的电流范围内一定的电流范围内端电压基本不变，端电压基本不变，为稳定电压。为稳定电压。限流电阻限流电阻斜率？斜率？第24页/共31页第二十四页，共32页。2.主要参数 若稳压管的电流若稳压管的电流(dinli)太小则不稳压，若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流(dinli)太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流需有限制稳压管电流(dinli)的限流电阻！的限流电阻！（4）稳定(wndng)电流IZ(常记为Izmin)、最大稳定(wndng)电流Izmax。（5）额定(dng)功耗（1）稳定电压 UZ（2）电压温度系数U（%/）（3）动态电阻第25页/共31页第二十五页，共32页。3、稳压二极管的应用(yngyng)电路UoIZDZRIOIRUiRLRLIoIRUoIZIRVo1）稳压(wn y)电路例：某稳压管要求：当输入电压由正常值发生(fshng)20%波动时，负载电压基本不变。求：限流电阻R和输入电压 ui 的正常值。第26页/共31页第二十六页，共32页。令输入电压降到下限(xixin)时，流过稳压管的电流为Izmin。uoiZDZRiLiuiRL联立方程(lin l fn chn)，可解得：解：令输入电压达到上限(shngxin)时，流过稳压管电流为Izmax 第27页/共31页第二十七页，共32页。2）限幅电路(dinl)第28页/共31页第二十八页，共32页。发光二极管也叫LED，它是由砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、磷砷化镓（GaAsP）等半导体制成的。不仅具有一般PN结的单向导电性，而且在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合(fh)而发光。故发光二极管工作时要加正向电压。电路中常用做指示或显示及光信息传送。V，反向击穿电压比普通二极管低，约5V左右。当正向电流达到1mA 左右时开始发光，发光强度近似与工作电流成正比；但工作电流达到一定数值时，发光强度逐渐趋于饱和，与工作电流成非线性关系。一般小型发光二极管正向工作电流为1020mA，最大正向工作电流为3050mA。四、发光四、发光(f un)二极管二极管第29页/共31页第二十九页，共32页。二极管正向电压一般为2V，改变R 的大小可以(ky)改变LED 正向电流大小，从而改变发光亮度。应 用(yngyng)电路电路(dinl)符号LED数码管第30页/共31页第三十页，共32页。感谢您的观看(gunkn)！第31页/共31页第三十一页，共32页。内容(nirng)总结一、本征半导体。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定。物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。因电场作用所产生的运动称为漂移运动。是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素。T（）正向特性左移，反向特性下移。导通时 UD0截止时IS0。应根据不同情况选择不同的等效电路(dinl)。限幅电路(dinl)是限制输出信号幅度的电路(dinl)。什么情况下应选用二极管的什么等效电路(dinl)。第30页/共31页。感谢您的观看第三十二页，共32页。