课题一 半导体二极管及其基本电路精选文档.ppt

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1、课题一 半导体二极管及其基本电路本讲稿第一页，共四十页本讲稿第二页，共四十页半导体二极管半导体二极管1.1半导体二极管的特性：半导体二极管具有半导体二极管的特性：半导体二极管具有单向导电性。单向导电性。本讲稿第三页，共四十页半导体二极管半导体二极管1.2 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号本讲稿第四页，共四十页14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性：半导体的导电特性：半导体的导电特性：半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如可做成温度敏感元件，如可做成温度敏感元件，如可做成温度敏感元件，如热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻)。掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性：往纯净的

2、半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变能力明显改变能力明显改变(可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：光敏性：光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 (可做可做可做可

3、做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等)。热敏性：热敏性：热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强本讲稿第五页，共四十页14.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半完全纯净的、具有晶体结构

4、的半导体，称为本征半导体。导体。导体。导体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子本讲稿第六页，共四十页 Si Si Si Si价电子价电子本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理空穴空穴自由电子自由电子 当半导体两端加上外电压时，当半导体两端加上外电压时，当半导体两端

5、加上外电压时，当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：在半导体中将出现两部分电流：在半导体中将出现两部分电流：在半导体中将出现两部分电流：1 1）自由电子作定向运动）自由电子作定向运动）自由电子作定向运动）自由电子作定向运动 电子电子电子电子电流电流电流电流 2 2）价电子递补空穴）价电子递补空穴）价电子递补空穴）价电子递补空穴 空穴空穴空穴空穴电流电流电流电流自由电子和自由电子和自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。载流子载流子载流子载流子形成形成形成形成动画动画动画动画本讲稿第七页，共四十页(1)N型半导体型半导体 Si

6、Si Si Si p p+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个电子失去一个电子变为正离子变为正离子N N 型半导体型半导体型半导体型半导体：多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴14.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体本讲稿第八页，共四十页 Si Si Si Si硼原子硼原子接受一个电子变接受一个电子变接受一个电子变接受一个电子变为负离子为负离子为负离子为负离子空穴空穴P P 型半导体型半导体型半导体型半导体：多子多子空穴空穴少子少子自由电子自由电子 BB(2)P型半导体型半导体无论无论无论无论N N型或型或型或型或P P型半

7、导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。本讲稿第九页，共四十页 1.1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。温度）有关。温度）有关。2.2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。温度）有关。温度）有关。3.

8、3.当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 （a.a.减少、减少、减少、减少、b.b.不变、不变、不变、不变、c.c.增多）。增多）。增多）。增多）。a ab bc c 4.4.在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是主要是主要是 ，N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。（a.a.电子电流、电子电流、电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流）空穴电

9、流）空穴电流）b ba a本讲稿第十页，共四十页P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体(1)PN(1)PN结的形成结的形成 +形成空间电荷区形成空间电荷区内电场E扩散运动漂移运动PNPN结形成动画结形成动画结形成动画结形成动画14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性本讲稿第十一页，共四十页扩散的结果是使空间电荷扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区区逐渐加宽，空间电荷区越宽。越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使

10、空间电荷区变薄。本讲稿第十二页，共四十页漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和所以扩散和漂移这一对漂移这一对相反的运动相反的运动最终达到平最终达到平衡，相当于衡，相当于两个区之间两个区之间没有电荷运没有电荷运动，空间电动，空间电荷区的厚度荷区的厚度固定不变。固定不变。本讲稿第十三页，共四十页 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电

11、荷区杂质离子形成空间电荷区 在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N型型半导体和半导体和P型半导体。型半导体。PNPN结的形成结的形成 本讲稿第十四页，共四十页(2)PN结的单向导电性结的单向导电性 PN PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）P P接正、接正、接正、接正、N N接负接负接负接负 IF PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻正向电流较大，正向电阻正向电流较大，正向电阻正向电流较大，正向电阻较小，较

12、小，较小，较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。PN+外电场外电场PNPN正偏动画正偏动画正偏动画正偏动画本讲稿第十五页，共四十页 PN PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）IR P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 P PN N+温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。+PN PN 结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，

13、结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，反向电流较小，反向电阻较大，反向电流较小，反向电阻较大，反向电流较小，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。外电场外电场PNPN反偏动画反偏动画反偏动画反偏动画本讲稿第十六页，共四十页PN结单向导电性小结结单向导电性小结PNPN结单向导电性动画结单向导电性动画结单向导电性动画结单向导电性动画 PNPN结正向导通：结正向导通：加正向偏置电压时，呈现低电阻，具加正向偏置电压时，呈现低电阻，具有较大的正向导通电流；有较大的正向导通电流；PNPN结反向截止：结反向截止：加反向偏置电压时，呈现高电阻，具加反向偏置

14、电压时，呈现高电阻，具有较小的反向饱和电流；有较小的反向饱和电流；本讲稿第十七页，共四十页14.3 二极管二极管14.3.1 基本结构基本结构(a)(a)点接触型点接触型点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型面接触型面接触型 结面积小、结结面积小、结结面积小、结结面积小、结电容小、正向电电容小、正向电电容小、正向电电容小、正向电流小。用于检波流小。用于检波流小。用于检波流小。用于检波和变频等高频电和变频等高频电和变频等高频电和变频等高频电路。路。路。路。结面积大、正向结面积大、正向结面积大、正向结面积大、正向电流大、结电容大，电流大、结电容大，电流大、结电容大，电流大、结电容大，用于工频

15、大电流整用于工频大电流整用于工频大电流整用于工频大电流整流电路。流电路。流电路。流电路。(c)(c)平面型平面型平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。PNPN结结面积可大可小，用于高频整结结面积可大可小，用于高频整结结面积可大可小，用于高频整结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。流和开关电路中。流和开关电路中。流和开关电路中。本讲稿第十八页，共四十页阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(

16、a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图二极管的结构示意图阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D本讲稿第十九页，共四十页(1)测试电路测试电路mAVEIR伏安特性实验电路伏安特性实验电路14.3.2 伏安特性伏安特性本讲稿第二十页，共四十页(2)(2)伏安特性伏安特性:硅管硅管硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管锗管锗管0.1V0.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导

17、通压降导通压降导通压降 外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压二极管才能导通。二极管才能导通。二极管才能导通。二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电外加电压大于反向击穿电外加电压大于反向击穿电外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向压二极管被击穿，失去单向压二极管被击穿，失去单向压二极管被击穿，失去单向导电性。导电性。导电性。导电性。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性特点：非线性特点：非线性特点：非线性特点：非线性硅硅硅硅0 0 0 0.60.8V,.60.8V,锗锗锗锗0 0.20.3V.20.3VuDiD/mA死区电压死区电压死

18、区电压死区电压阳阳阴阴+阳阳阴阴+反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电压在一定电压在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持范围内保持范围内保持常数。常数。常数。常数。iD/uA本讲稿第二十一页，共四十页(1)(1)(1)(1)最大整流电流最大整流电流最大整流电流最大整流电流 I IF F二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。流。流。流。(2)(2)(2)(2)反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压 U UB BR R(3)(

19、3)(3)(3)反向电流反向电流反向电流反向电流 I IR R二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。最大反向工作电压最大反向工作电压U URMRM实际工作时，为安全：实际工作时，为安全：U URMRM U UBRBR/2/2 ，在室温及规定的反向电压下的反向电流值。在室温及规定的反向电压下的反向电流值。硅管：硅管：(nA)级；级；锗管：锗管：(A)级。级。14.3.3半导体二极管的主要参数半导体二极管的主要参数本讲稿第二十二页，共四十页 思考思考思考思考:如何判断二极管的好坏以及它的极如何判断二极管的好坏以及它的极性性?使用万用表的使用万用表的使用

20、万用表的使用万用表的R1K R1K R1K R1K 档先测一下它的电阻，档先测一下它的电阻，档先测一下它的电阻，档先测一下它的电阻，黑红表笔分别搭在二极管的两端，黑红表笔分别搭在二极管的两端，黑红表笔分别搭在二极管的两端，黑红表笔分别搭在二极管的两端，若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。(指针式表指针式表指针式表指针式表)如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷，如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷，如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷，如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷，说明二极管已损坏。说明二

21、极管已损坏。说明二极管已损坏。说明二极管已损坏。本讲稿第二十三页，共四十页14.3.414.3.4二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法(1)(1)二极管的简化模型二极管的简化模型二极管的简化模型二极管的简化模型 理想模型：理想模型：(UD 0)二极管导通二极管导通U D=0 r=0 开关闭合开关闭合(UD 0)二极管截止二极管截止iD=0 r=开关断开开关断开本讲稿第二十四页，共四十页 恒压降模型：恒压降模型：(UD UF)二极管导通二极管导通UD=UF r=0 开关闭合开关闭合(UD V V阴阴阴阴，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V阳阳阳阳

22、V V V阴阴阴阴+V+VF F，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V阳阳阳阳 V VV阴阴阴阴+V+VF F 二极管导通二极管导通二极管导通二极管导通例例1：取取取取 B B 点作参考点，点作参考点，点作参考点，点作参考点，断开二极管，分析二极断开二极管，分析二极断开二极管，分析二极断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。管阳极和阴极的电位。管阳极和阴极的电位。管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3k BAUAB+（1 1）理想模型：）理想模型：）理想模型：）理想模型

23、：U UABAB=6V 6V（2 2）恒压降模型：）恒压降模型：）恒压降模型：）恒压降模型：U UABAB=6.7V6.7V+-本讲稿第二十七页，共四十页V V1 1阳阳阳阳=6 V6 V，V V2 2阳阳阳阳=0 V=0 V，V V1 1阴阴阴阴=V V2 2阴阴阴阴=12 V12 VU UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V=12V U UD2D2 U UD1D1 D D2 2 优先导通优先导通优先导通优先导通例例2:D1D1、D2D2为理想二极管，求：为理想二极管，求：为理想二极管，求：为理想二极管，求：U UABAB 在这里，在这里，在这里，在这里，D D2 2 起钳起钳起钳起

24、钳位作用，位作用，位作用，位作用，D D1 1起隔离起隔离起隔离起隔离作用。作用。作用。作用。BD16V12V3k AD2UAB+ID2ID1V V1 1阴阴阴阴=0 V=0 VD1D1截止截止截止截止UAB=0V本讲稿第二十八页，共四十页练习：练习：电路如图，电路如图，电路如图，电路如图，(设设设设D D为理想二极管）为理想二极管）为理想二极管）为理想二极管）判断二极管工作状态，并求输出电压。判断二极管工作状态，并求输出电压。判断二极管工作状态，并求输出电压。判断二极管工作状态，并求输出电压。a1a2b1b2本讲稿第二十九页，共四十页u ui i 8V 8V，二极管导通，二极管导通，二极管导

25、通，二极管导通已知：已知：二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 uo 波形。波形。8V8V例例例例3 3：限幅电路限幅电路限幅电路限幅电路ui18V参考点参考点参考点参考点V VD D阴阴阴阴=8 V;8 V;V VD D阳阳阳阳=uiD D8V8VR Ru uo ou ui i+u uo o=8V=8Vu uo o=u ui iu ui i 8V 8V，二极管截止，二极管截止，二极管截止，二极管截止本讲稿第三十页，共四十页14.4 稳压二极管稳压二极管1.1.符号符号符号符号 UZIZIZM UZ IZ2.2.伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性 稳压管正常工作时稳压管正常工作时稳压管正

26、常工作时稳压管正常工作时加反向电压加反向电压加反向电压加反向电压使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其电流变化很大，但其电流变化很大，但其电流变化很大，但其两端电压变化很小，两端电压变化很小，两端电压变化很小，两端电压变化很小，利用此特性，稳压管利用此特性，稳压管利用此特性，稳压管利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作在电路中可起稳压作在电路中可起稳压作在电路中可起稳压作用。用。用。用。_+UIO本讲稿第三十一页，共四十页3.3.主要参数主要参数主要参数主要参数(1)(1

27、)(1)(1)稳定电压稳定电压稳定电压稳定电压U UZ Z 稳压管正常工作稳压管正常工作稳压管正常工作稳压管正常工作(反向击穿反向击穿反向击穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。时管子两端的电压。时管子两端的电压。(2)(2)(2)(2)电压温度系数电压温度系数电压温度系数电压温度系数 环境温度每变化环境温度每变化环境温度每变化环境温度每变化1 1 1 1 C C引起引起引起引起稳压值变化的稳压值变化的稳压值变化的稳压值变化的百分数百分数百分数百分数。(3)(3)(3)(3)动态电阻动态电阻动态电阻动态电阻(4)(4)(4)(4)稳定电流稳定电流稳定电流稳定电流 I IZ Z、最大稳

28、定电流、最大稳定电流、最大稳定电流、最大稳定电流 I IZMZM(5)(5)(5)(5)最大允许耗散功率最大允许耗散功率最大允许耗散功率最大允许耗散功率 P PZM ZM=U UZ Z I IZMZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。本讲稿第三十二页，共四十页4.4.基本稳压电路基本稳压电路基本稳压电路基本稳压电路稳压管工作必要条件：稳压管工作必要条件：工作在反向击穿状态工作在反向击穿状态 串入电阻串入电阻R R I IZminZmin I IZ Z I IZmaxZmax 思考：思考：1.1.若稳压管极

29、性接反若稳压管极性接反若稳压管极性接反若稳压管极性接反,会会会会出现什么问题出现什么问题出现什么问题出现什么问题?2.2.电阻电阻电阻电阻R R的作用是什么的作用是什么的作用是什么的作用是什么？不加可不可以？不加可不可以？不加可不可以？不加可不可以？本讲稿第三十三页，共四十页5.5.选管的原则选管的原则选管的原则选管的原则I IZmaxZmax (1.55 5)I IomaxomaxU UZ Z U Uo o U UI I（)U Uo o本讲稿第三十四页，共四十页例例1：稳压电路如图。已知稳定：稳压电路如图。已知稳定电压电压UZ=6V，R=200 ，RL=1k，当，当UI=9V时，求时，求R上

30、的电流上的电流I、负载电流负载电流IL，稳定电流，稳定电流IZ以及输出以及输出电压电压UO。本讲稿第三十五页，共四十页例例2：已知稳压管：已知稳压管2CW17的参数为：的参数为：UZ=10V，稳定电流，稳定电流为为5mA，额定功耗，额定功耗PZ=250mW，求电源电压，求电源电压E分别为分别为8V，18V，-6V时的时的UO和和I。为使电路正常稳压。为使电路正常稳压,E的最大允的最大允许值为多大许值为多大?本讲稿第三十六页，共四十页(1)E=8VUz=10V,稳压管正常稳压，稳压管正常稳压，UO=Uz=10V,UR=E-UO=8V本讲稿第三十八页，共四十页(3)E=-6V时时,稳压管正向导通，稳压管正向导通，UO=-0.7V,UR=-6+0.7=-5.3V I=-5.3mA本讲稿第三十九页，共四十页(4)稳压管最大稳定电流稳压管最大稳定电流Izm=Pz/Uz=25mA为保证稳压管正常工作，需为保证稳压管正常工作，需IIzm=25mA Em=IzmR+Uz=35V本讲稿第四十页，共四十页