第3章半导体二极管及其基本应用电路.pptx
3.1 半导体的基础知识半导体的基础知识3.1.1 本征半导体本征半导体 1.导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：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，金属，金属一般都是导体。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，如橡胶，如橡胶、陶瓷、塑料和石英。、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缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。第1页/共54页半导体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：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。热敏性和光敏性掺杂性第2页/共54页+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。价电子共价键图图 3.1.1本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图2.本征半导体的晶体结构第3页/共54页+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图 3.1.2本征半导体中的本征半导体中的 自由电子和空穴自由电子和空穴自由电子空穴 T 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，成为自由电自由电子子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。3.本征半导体中的两种载流子（动画1-1）（动画1-2）在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,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带电粒子（即载流子载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。第4页/共54页本征半导体的导电原理+4+4+4+4在电场的作用下，一方面，自由电子将产生定向移动，形成电子电流，另一方面，价电子将按一定的方向依次填补空穴，其效果相当于空穴向相反的方向产生定向移动，形成空穴电流，因此，空穴可看作是一种载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和空穴空穴。空穴可看成带正电的载流子。第5页/共54页温度越高，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：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。第6页/共54页4、本征半导体中载流子的浓度本征激发：本征半导体因受激发而产生自由电子和空穴对的现象。复合：自由电子在运动过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失的现象。动态平衡：在一定的温度下，单位时间内本征激发产生的电子空穴对与因复合而消失的电子空穴对相等，本征半导体中载流子的浓度一定。第7页/共54页1.半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴 2.本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子-空穴对。3.本征半导体中自由电子和空穴的浓度用 ni 和 pi 表示，显然 ni=pi。4.由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又 不断的复合。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。5.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。小结：第8页/共54页3.1.23.1.2杂质半导体杂质半导体杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导体1.N(Negative)型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。第9页/共54页+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子图图 3.1.3N 型半导体型半导体第10页/共54页二、P 型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的 3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3 价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴图图 3.1.4P 型半导体型半导体第11页/共54页说明：1.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。4.杂质半导体总体上保持电中性。3.杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体(b)P 型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法第12页/共54页 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。PNPN结图图 PN 结的形成结的形成3.1.3PN结第13页/共54页耗尽层空间电荷区PN1).扩散运动2).扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。耗尽层。PN1.PN 结的形成结的形成第14页/共54页3).空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒；内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。4).漂移运动内电场有利于少子运动漂移。少 子 的 运动与多子运动方向相反 阻挡层第15页/共54页5).扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，总的电流等于零，空间电荷区的宽度达到稳定，形成PN 结。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PNPN结第16页/共54页2、PN 结的单向导电性1.PNPN结结 外加正向电压时处于导通状态PNPN结结 外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有较大的正向电流。图图 3.1.6PN什么是PN结的单向导电性？有什么作用？第17页/共54页在 PN 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 R。2.PN PN 结结外加反向电压时处于截止状态(反偏)反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；耗尽层PN外电场方向内电场方向VRIS第18页/共54页耗尽层PN外电场方向内电场方向VRIS不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩散电流，电路中产生反向电流 IS；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第19页/共54页耗尽层图图 3.1.7PN 结加反向电压时截止结加反向电压时截止 反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随着温度升高，IS 将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS第20页/共54页 当 PN 结正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN 结处于 导通状态；当 PN 结反向偏置时，回路中反向电流非常小，几乎等于零，PN 结处于截止状态。综上所述：可见，PN 结具有单向导电性。第21页/共54页IS：反向饱和电流UT：温度的电压当量在常温(300 K)下，UT 26 mV3.PN 结的电流方程PN结所加端电压u与流过的电流i的关系为第22页/共54页4.PN结的伏安特性i=f(u)之间的关系曲线。604020 0.002 0.00400.5 1.02550i/mAu/V正向特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性图图 1.1.10PN结的伏安特性结的伏安特性反向击穿齐纳击穿雪崩击穿第23页/共54页5.PN结的电容效应结的电容效应当PN结上的电压发生变化时，储存的电荷量将随之发生变化，使PN结具有电容效应。电容效应包括两部分势垒电容扩散电容(1).势垒电容Cb是由 PN 结的空间电荷区变化形成的。(a)PN 结加正向电压（b)PN 结加反向电压-N空间电荷区PVRI+UN空间电荷区PRI+-UV第25页/共54页空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于 PN 结 宽度 l 随外加电压 u 而变化，因此势垒电容 Cb不是一个常数。其 Cb=f(U)曲线如图示。：半导体材料的介电系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。第26页/共54页2.扩散电容 Cd是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。在某个正向电压下，P 区中的电子浓度 np(或 N 区的空穴浓度 pN)分布曲线如图中曲线 1 所示。x=0 处为 P 与 耗尽层的交界处当电压加大，np(或 pN)会升高，如曲线 2 所示(反之浓度会降低)。OxnPQ12当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。正向电压变化时，载流子的变化是电荷积累变化过程，相当于电容器充电和放电的过程 扩散电容效应。PNPN 结第27页/共54页综上所述：PN 结总的结电容 Cj 包括势垒电容 Cb 和扩散电容 Cd 两部分。Cb 和 Cd 值都很小，通常为几个皮法 几十皮法，有些结面积大的二极管可达几百皮法。当反向偏置时，势垒电容起主要作用，可以认为 Cj Cb。一般来说，当二极管正向偏置时，扩散电容起主要作用，即可以认为 Cj Cd；在信号频率较高时，须考虑结电容的作用。第28页/共54页 3.2 半导体二极管1.二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型图3.2.13.2.1二极管的几种外形2.2.按工作频率区分按工作频率区分：有高频管和低频管。有高频管和低频管。3.3.按功率区分：有大功率管和小功率管。按功率区分：有大功率管和小功率管。4.4.按用途区分：有普通管、整流管、稳压管、按用途区分：有普通管、整流管、稳压管、开关管等等。开关管等等。第29页/共54页1.点接触型二极管(a)a)点接触型 二极管的结构示意图3.2.1半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第30页/共54页3 平面型二极管2 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)b)面接触型4二极管的代表符号D阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型第31页/共54页 3.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管2 2CP10CP10的伏安特性正向特性反向特性开启电压：0.5V导通电压：0.71.1.伏安特性伏安特性锗二极管2 2AP15AP15的伏安特性UonU(BR)开启电压：0.1V导通电压：0.2V第32页/共54页2.温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感。50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.020温度增加第33页/共54页3.2.3 3.2.3 二极管的主要参数1.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。2.最高反向工作电压UR 二极管工作时允许外加的最大反向电压。通常是击穿电压U（BR）的一半。3.反向电流 IR 指二极管未击穿时的反向电流。IR与温度有关，越小越好4.最高工作频率f fM M 二极管正常工作时允许通过的交流信号的最高频率,超过此值,二极管的单向导电性将不能很好地体现。第34页/共54页3.2.4 二极管的等效电路1.伏安特性的折线化及等效电路（实线为折线化）理想模型 恒压降模型折线模型第35页/共54页 例3.2.1电路如图所示，UD=0.7V，试估算开关断开和闭合输出电压UO。V1=6VV2=12VDSRUo第36页/共54页 2.低频交流小信号作用下等效电路 二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效成一个动态电阻。即根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K）图3.2.6二极管的微变等效电路第38页/共54页3.2.5 基本应用电路1.整流电路（D D视为理想）u1u2aTbDRLuou2uouD t 2 3 4 0u2 0 时:二极管导通，二极管导通，uo=u2u2 0 时:二极管截止二极管截止,uo=0半波整流电路第39页/共54页u1u2aTbD1RLuoD2u2io全波整流电路全波整流电路u2uouD1 t 2 3 4 0uD2+0 ：uD2=-2u2忽略二极管正向压降第40页/共54页2.开关电路开关电路利用二极管的单向导电性可作为电子开关vI1 vI2二极管工作状态D1 D2v00V 0V导通 导通导通 截止截止 导通0V 4.3V4.3V 0V4.3V 4.3V0V0V0V4.3V求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。解：导通 导通第41页/共54页3.集成运放输入端保护电路当UI大到一定程度时二极管导通，使集成运放的净输入电压限定在二极管的导通电压。R为限流电阻第42页/共54页3.23.2稳压二极管 稳压二极管是一种用特殊工艺制造的面接触型硅半导体二极管，其结构与普通二极管相似，只是掺杂浓度比普通二极管大得多。起稳压、限幅作用1 1。稳压管的伏安特性。稳压管的伏安特性 正向特性、未击穿时的反向特性曲线与普通二极管的相似，但反向击穿特性曲线很陡。稳压管的伏安特性和等效电路 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳定电压。第43页/共54页(1)稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流下，所对应的反向击穿电压。rZ=VZ/IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定电流最大稳定电流 IZmax 和最小稳定电流和最小稳定电流 IZ(IZmin)(5)温度系数温度系数 VZ2.稳压管的主要参数第44页/共54页 3.3.2 稳压管的基本应用电路稳压管的基本应用电路1.稳压管稳定电压UOUI（1 1）设电源电压波动）设电源电压波动(负载不变负载不变)UI UOUZ IZUOUR IR#不加不加R R可以吗？可以吗？第45页/共54页（2 2）设负载变化）设负载变化(电源不变电源不变)UOUIRLUOUZ IZUO UR IR 第46页/共54页例1：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值U UZ Z=10V=10V，I Izmaxzmax=12mA=12mA，I Iz z=2mA=2mA，负载电阻R RL L=2k=2k，输入电压u ui i=12V=12V，限流电阻R=200 R=200 ，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5 1.5 k k -4 -4 k k ，是否还能稳压？第47页/共54页RLuiuORDZiiziLUZUZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mA Iz=2mARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳压管仍能起所以稳压管仍能起稳压作用稳压作用第48页/共54页2.限幅电路第50页/共54页四四窗窗口口比比较较器器uIURLURH,uO1=-UOM,D1截止 uO2=+UOM,D2导通URLuIURHURL,uO1=+UOM,D1导通 uO2=-UOM,D2截止uO=+UZuO=0uO=+UZ第51页/共54页发光二极管 LED(Light Emitting Diode)将电能转换为光能的半导体器件。正偏时，有正向电流通过而发光，其正向通态管压降为1.62.2V.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(1 2)V符号符号u/Vi /mAO2特性特性3.4发光二极管第52页/共54页发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通 LED，不可见光：红外光点阵 LED七段 LED,第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页
