模拟 半导体二极管及其应用.pptx

1化学元素周期表第1页/共50页2钻石结构从本征Si结构上分析其导电性硅晶体的立体结构共价键（Covalence Bond）第2页/共50页3在本征半导体中，由于晶体中共价键的结合力很强，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经过研究发现在热力学温度零度（即（即T T=0 K =0 K）时，时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，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，晶体中不存在能够导电的载流子，半导体不能导电，如同半导体不能导电，如同绝缘体绝缘体一样。一样。第3页/共50页4图本征半导体平面结构示意图第4页/共50页5本征激发和复合的过程第5页/共50页6本征半导体的激发与复合激发：激发：半导体受外界因素半导体受外界因素(例如温度、光照、电场等例如温度、光照、电场等)的影响，的影响，产生产生“电子电子空穴对空穴对”的过程。的过程。复合：复合：电子空穴对消失的过程。电子空穴对消失的过程。特点：特点：a.激发形成两种载流子：激发形成两种载流子：自由电子自由电子与与空穴空穴。b.自由电子数自由电子数=空穴数。空穴数。c.两种载流子参加导电。两种载流子参加导电。d.导电性能与激发因素导电性能与激发因素(温度、光照）有很大关系。温度、光照）有很大关系。第6页/共50页7图型半导体二、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型半导体型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入5价价P元素元素，形成，形成N型半导体。型半导体。特点：特点：自由电子自由电子的数目远远的数目远远大于空穴的数目，称为大于空穴的数目，称为多子；多子；空穴空穴称为称为少子少子。第7页/共50页8在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入3价价B元素元素，形成，形成P型半型半导体。导体。特点：特点：空穴空穴的数目远远大的数目远远大于自由电子的数目，称为于自由电子的数目，称为多子；多子；自由电子自由电子称为称为少子少子。P型半导体型半导体图型半导体第8页/共50页9在杂质半导体中：在杂质半导体中：杂质浓度不应破坏半导体的晶体结构，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；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。而少数载流子的浓度主要取决于温度。杂质半导体的优点：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。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。总结总结第9页/共50页10 硅多用于制造敏感元件，例如光敏电阻、热敏电阻等，可以把非电物理量（例如光照强度、温度）转换为电量（例如电阻、电压、电流）。光敏电阻的应用举例傻瓜相机第10页/共50页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型半导体第11页/共50页12PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性一、PN结的形成二、PN结的单向导电性第12页/共50页13一、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 多子的扩散运动由由杂质离子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14 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面，离子薄层形成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于缺少 多子，所以也称 耗尽层。图01.06 PN结的形成过程（动画1-1）PN 结形成的过程可参阅右图第14页/共50页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。第15页/共50页16、PN结加正向电压时的导电情况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第16页/共50页17、PN结加反向电压时的导电情况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。第17页/共50页18 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电特性。（动画1-3）PN结加反向电压时的导电情况第18页/共50页19PN结单向导电性的特点1.正向导通、反向截止；2.正向电阻小、反向电阻大；3.正向电流大、反向电流小；导通电压导通电压Von硅材料为硅材料为0.60.8V左右；左右；锗材料为锗材料为0.20.3V左右。左右。第19页/共50页201.2 半导体二极管二极管的结构类型二极管的伏安特性二极管的参数二极管的应用第20页/共50页21二极管实物照片二极管的结构类型二极管形成二极管形成 在在PN结上加上引线和封装，结上加上引线和封装，就成为一个二极管就成为一个二极管第21页/共50页22(1)点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，只允许流过几十毫安电流，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管按材料分：硅二极管和锗二极管。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如下所示。二极管分类第22页/共50页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第23页/共50页243 30 02 20 01 10 0I I/mA/mAU UD D/V/V0.5 1.0 0.5 1.0 1.5 1.5 20 20 10102 24 4-I I/OO正向特性正向特性反向特性反向特性+-U UD DI I二极管的伏安特性及等效电路一、二极管的伏安特性图二极管的伏安特性图二极管的伏安特性第24页/共50页25当正向电压超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管导通二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为硅二极管为0.7 V0.7 V左右左右锗二极管为锗二极管为0.2 V0.2 V左右左右死区死区电压电压正向特性正向特性0.5 1.0 0.5 1.0 1.51.5101020203030U U/V/VI I/mA/mA0 0 二极管正向特性曲线硅二极管为硅二极管为0.5 V0.5 V左右左右锗二极管为锗二极管为0.1 V0.1 V左右左右死区电压：死区电压：导通压降：导通压降：正向特性正向特性第25页/共50页26I IS S反向特性反向特性U UBRBR结论：结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：二极管方程：反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压若若|U U|U UT T则则 I I -I IS S 式中：式中：IS为反向饱和电流为反向饱和电流 UT 是温度电压当量，是温度电压当量，常温下常温下UT近似为近似为26mV。反向特性反向特性-2-2-4-4-I I/A AI I/mA/mAU U/V/V-20 -20 -10100 0若若U U U UT T 则则反偏时，反向电流值很小，反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电阻很大，反向电压超过反向电压超过UBR则被击穿。则被击穿。第26页/共50页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 IS1.141025（A）这时，即使IS很小，例如 nA 数量级（10-9 A），有：ID 10-9 1.141025 =1.141016（A）根据计算，干电池输出功率将达到：P=UI=1.5V 1.141016（A）=1.711016（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。第27页/共50页28（1）理想模型）理想模型图（图（a）二极管的理想等效模型二极管的理想等效模型二、二极管的等效电路二、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；u D 0.7 V，二极管导通；uD 0.7 V，二极管截止。第29页/共50页30二极管的参数(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0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。第30页/共50页31(5)*最高工作频率最高工作频率fM ：如何用万用表的：如何用万用表的“”档来辨别一只档来辨别一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？思考题第31页/共50页32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：第32页/共50页33 例已知例已知u uI I=U Ummsin sin t t，画出画出u uOO和和u uDD的波形的波形VDVDR R+-+-u uI Iu uOO+-u uDDi iOOU Ummt tu uo oOOt tu uDDOOu uI I0 0 时二极管导通，时二极管导通，u uOO=u uI I u uDD =0 0u uI I 0 0 时二极管截止，时二极管截止，u uDD =u uI I u uOO=0 0-U-Ummi io oU Ummt tu uI IOO二极管的应用（整流、限幅、开关）（1）二极管整流电路第33页/共50页34V VVDVDV VS SV VVDVDV VS S正向偏置，相当于开关闭合。正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。（2）二极管开关电路第34页/共50页35（3）二极管限幅电路二极管限幅电路ID+vo-R 10K+vi 例例1.2.2 电路图电路图VREF 例例1.2.2 如图如图1.2.10 所示电路。所示电路。试画出试画出VREF分别为分别为0、5V时时的波的波形。其中形。其中vi=10sin tV。第35页/共50页36（1）稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性 稳定电压稳定电压VZ 稳定电流稳定电流IZ（IZmin、IZmax）额定功耗额定功耗PZM 动态电阻动态电阻rZ 温度系数温度系数 图图1.3.1 稳压管的稳压管的 伏安特性伏安特性（2）稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数 利用二极管反向击穿特利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在压时工作在反向电击穿反向电击穿状态。状态。其伏安特性如图所示。其伏安特性如图所示。1.3.1稳压二极管1.3 特殊用途二极管第36页/共50页371.稳定电压稳定电压UZ：稳压管工作在反向击穿区：稳压管工作在反向击穿区 时的工作电压。时的工作电压。2.稳定电流稳定电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流。：稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻动态内阻rZ：稳压管两端电压和电流的变化量之比。：稳压管两端电压和电流的变化量之比。rZ=U/I4.电压的温度系数电压的温度系数U：稳压管电流不变时，：稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗额定功耗PZ：电流流过稳压管时消耗的功率。：电流流过稳压管时消耗的功率。第37页/共50页38使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：U UOOR RL LVDVDZ ZR RU UI II IR RI IOOI IZ Z+-稳压管电路1.稳压管必须工作在稳压管必须工作在反向击穿区。反向击穿区。2.稳压管应与负载稳压管应与负载RL并联。并联。3.必须串联一电阻进必须串联一电阻进行限流，以保护稳行限流，以保护稳压管。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。第38页/共50页39图稳压管稳压电路 例例131*在图在图1211所示稳压管稳压电路中，已知所示稳压管稳压电路中，已知稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压Uz=6V，最小稳定电流，最小稳定电流Izm=5mA，最大，最大稳定电流稳定电流IZmax=25mA；负载电阻；负载电阻RL=600。求解限流电阻。求解限流电阻R的取值范围。的取值范围。（3）稳压二极管构成的稳压电路稳压二极管构成的稳压电路第39页/共50页40解：从图所示电路可知，R上电流IR等于稳压管中电流IDZ 和负载电流IL之和，即:IDZ=525mA限流电阻限流电阻R的取值范围为的取值范围为114227。第40页/共50页41例例 电路如图所示，已知电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1k，RLmin=600UZ=6V,对应对应UZ=0.3V。求求rZ，选择限流电阻选择限流电阻RU UOOR RL LVDVDZ ZR RU UI II IR RI IOOI IZ Z+-+-U UZ Z第41页/共50页42解：解：I IZ Z=I IRR -I IOO=U UI I -U UZ ZR R-U UZ ZR RL LI IZmax Zmax U UImax Imax -U UZ ZR R-U UZ ZR RLmaxLmaxI IZminZmin U UImin Imin -U UZ ZR R-U UZ ZR RLminLminr rZ Z =I IZ Z U UZ Z=6.76.71515 -6 65050 +6 61 1kk=161161R R R R1010 -6 65 5 +6 60.60.6kk=267267 I IZ Z=I IZmaxZmax-I IZminZmin=45 mA45 mAU UOOR RL LVDVDZ ZR RU UI II IR RI IOOI IZ Z+-+-U UZ Z第42页/共50页43 例例:设计如图所示稳压管稳压设计如图所示稳压管稳压电路，已知电路，已知VO=6V，输入电压输入电压VI 波动波动 10%，RLmin=1k。稳压管稳压电路稳压管稳压电路解：解：（1）选择）选择DZ：查手册，查手册，选择选择DZ 为为2CW13，VZ=(56.5V)，IZmax=38mA,IZmin=5mA第43页/共50页44（2）选择限流电阻）选择限流电阻R：第44页/共50页45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。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，目前有发光二极管的发光颜色决定于所用材料，目前有红红、绿绿、黄黄、橙橙等可等可以制成各种形状，如长方形，圆形。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，开启电压比普通二极管的大，工作电压一般在工作电压一般在1.52.5V之间，工作电流之间，工作电流在在530mA之间，电流越大，发光越强。之间，电流越大，发光越强。发光二极管的开启电压图发光二极管红光：红光：1.61.8V绿光：绿光：1.82.0V黄光：黄光：1.61.8V蓝光：蓝光：2.22.5V白光：白光：2.22.5V 发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、可靠性高等优点广泛用于显示电路之中。第45页/共50页46 外加反向电压，无光照时外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。流，光照越强，光电流越大。光电二极管光电二极管（利用利用PN结的光敏特性，将光能转换成电能）结的光敏特性，将光能转换成电能）图光电二极管的外形和符号广泛用于遥控、报警及光电传感器之中第46页/共50页47例例电路如图电路如图1215所示，已知发光二极管的所示，已知发光二极管的导通电压导通电压UD=1.6 V，正向电流为，正向电流为520mA时才能发光。时才能发光。试问：试问：(1)开关处于何种位置时发光二极管可能发光开关处于何种位置时发光二极管可能发光?(2)为使发光二极管发光，电路中为使发光二极管发光，电路中R的取值范围为多少的取值范围为多少?第47页/共50页48解：解：(1)当开关断开时发光二极管有可能发光。当开关闭合时发当开关断开时发光二极管有可能发光。当开关闭合时发光二极管的端电压为零，因而不可能发光。光二极管的端电压为零，因而不可能发光。(2)因为因为IDmin=5mA，IDmax=20mA第48页/共50页49小 结 本讲主要介绍了以下基本内容：PN结形成：PN结的单向导电性：正偏导通、反偏截止半导体二极管的构成和类型：点、面、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、检波管、发光管、光敏管、稳压管等。半导体二极管的特性 正向特性：反向特性：半导体二极管的参数 半导体二极管的等效模型：理想模型、恒压降模型、折线模型 并利用模型分析和计算半导体二极管电路 简要介绍了其它类型的二极管。第49页/共50页50感谢您的观看。第50页/共50页