第三章二极管及其基本电路精选文档.ppt

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1、第三章 二极管及其基本电路本讲稿第一页，共五十九页本章知识结构图本章知识结构图本章教学要求本章教学要求 掌握半导体中的载流子、本征半导体、杂质半导体等概念；熟练掌握半导体中的载流子、本征半导体、杂质半导体等概念；熟练掌握半导体二极管的伏安特性、主要参数及二极管针对不同电路的各掌握半导体二极管的伏安特性、主要参数及二极管针对不同电路的各类模型；熟练掌握稳压二极管的工作原理、伏安特性及主要参数。正类模型；熟练掌握稳压二极管的工作原理、伏安特性及主要参数。正确理解本征半导体的导电特性以及确理解本征半导体的导电特性以及P型和型和N型半导体的特点；正确理解型半导体的特点；正确理解PN结的形成和单向导电性

2、。结的形成和单向导电性。本讲稿第二页，共五十九页第三章第三章 二极管及其基本电路二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.3 二极管二极管3.4 二极管二极管的基本电路及其分析方法的基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管本讲稿第三页，共五十九页一一.预备知识预备知识二二.半导体的结构和分类半导体的结构和分类三三.本征半导体本征半导体四四.杂质半导体杂质半导体3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识本讲稿第四页，共五十九页物质根据导电能力可分为物质根据导电能力可分为:导体导体绝缘体绝缘体一一.预备知识预备知识电阻率大于电阻率大

3、于电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率介于导体和绝缘体之间电阻率小于电阻率小于半导体半导体本讲稿第五页，共五十九页半导体的导电性能由半导体的导电性能由原子结构原子结构决定决定1.两个重要概念两个重要概念 2.半导体的两种类型半导体的两种类型本征本征半导体半导体杂质杂质半导体半导体价电子价电子:原子外层轨道上的电原子外层轨道上的电子，受自身原子核的束缚。子，受自身原子核的束缚。共价键共价键:两个相邻原子通过共价两个相邻原子通过共价键结合。键结合。二二.半导体的结构和分类半导体的结构和分类本讲稿第六页，共五十九页1.本征半导体本征半导体 完全纯净的、结构完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完整的半导体晶

4、体。自由电子：自由电子：温度升高，由少数价电子挣脱共价键形成。温度升高，由少数价电子挣脱共价键形成。空穴：空穴：价电子脱离共价键束缚成为自由电子后，共价键中价电子脱离共价键束缚成为自由电子后，共价键中 留下空位。留下空位。2.两种载流子两种载流子三三.本征半导体本征半导体该浓度与半导体本身的该浓度与半导体本身的材料材料有关，有关，且受且受温度温度影响影响半导体区别于导体的半导体区别于导体的重要特点重要特点本征激发本征激发本讲稿第七页，共五十九页本讲稿第八页，共五十九页四四.杂质半导体杂质半导体由本征半导体中掺入某种杂质形成由本征半导体中掺入某种杂质形成杂质半导体杂质半导体N型 半导体半导体P型

5、型半导体半导体本讲稿第九页，共五十九页1.N型半导体型半导体自由电子自由电子:来源于杂质（来源于杂质（施主施主）原子的原子的键外电子键外电子和本质原子的和本质原子的键内电子。键内电子。不产生新空穴不产生新空穴产生新空穴产生新空穴空穴空穴:由由键内电子形成自由电键内电子形成自由电子伴随产生。子伴随产生。多子多子少子少子注意注意:自由电子浓度自由电子浓度=正离子浓度正离子浓度NP+空穴浓度空穴浓度 n p本讲稿第十页，共五十九页2.P型半导体型半导体空穴空穴:来源于杂质（来源于杂质（受主受主）原）原子和本质原子子和本质原子自由电子自由电子:来源于来源于本质原子本质原子多子多子少子少子空穴浓度空穴浓

6、度 p=负离子浓度负离子浓度NA+自由电子浓度自由电子浓度 n p n注意：注意：杂质半导体中多子的浓度主要取决于掺入杂质半导体中多子的浓度主要取决于掺入杂质的浓度杂质的浓度，少子的，少子的浓度主要取决于浓度主要取决于温度温度。掺杂后导电性能大大掺杂后导电性能大大改善改善。杂质半导体仍然保持杂质半导体仍然保持电中性电中性。本讲稿第十一页，共五十九页3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.2.1 PN结的形成结的形成结的形成结的形成3.2.2 PN3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性3.2.3 PN3.2.3 PN结的伏安特性表达式结的伏安特性表达式3.2

7、.4 PN3.2.4 PN结的电容效应结的电容效应本讲稿第十三页，共五十九页3.2.1 PN结的形成结的形成PN结结 将一块半导体的一侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P型型半导体，另一侧掺杂成半导体，另一侧掺杂成N型型半导半导体，体，P型型半导体和半导体和N型型半导体因交界面处半导体因交界面处空穴空穴和和自由电子自由电子的浓度不同，的浓度不同，使两类载流子通过扩散发生使两类载流子通过扩散发生复合复合而在交界面处形成的一个由不能移而在交界面处形成的一个由不能移动的正负杂质离子组成的动的正负杂质离子组成的空间电荷区空间电荷区，即，即PN结结，电阻率很高，也，电阻率很高，也称为称为耗尽层耗尽层或或势

8、垒区势垒区。内电场内电场 由正负离子组成的空间电荷区失去由正负离子组成的空间电荷区失去电中性电中性，在，在P区和区和N区间产生区间产生电位差，形成电位差，形成内电场内电场，方向由带正电的，方向由带正电的N区指向带负电的区指向带负电的P区。区。阻止多子的扩散运动（使空间电荷区阻止多子的扩散运动（使空间电荷区变宽），利于少子的漂移运动（使空变宽），利于少子的漂移运动（使空间电荷区变窄）间电荷区变窄）本讲稿第十四页，共五十九页3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结上加正向电压结上加正向电压（P区接正极，区接正极，N区接负极区接负极）外加电场外加电场与内电场与内电场反方向反方向在外电场作

9、用下在外电场作用下多子移向耗尽层多子移向耗尽层空间电荷区变窄空间电荷区变窄（中和作用）（中和作用）削弱内电场削弱内电场多子扩散运动加剧多子扩散运动加剧少子漂移运动减弱少子漂移运动减弱扩散电流扩散电流漂移电流漂移电流正向电流正向电流IF较大较大正向偏置正向偏置注意：注意：正向电流随外加电压的变化而显著变化正向电流随外加电压的变化而显著变化。正向的正向的PN结表现为阻值很小的电阻，导通。结表现为阻值很小的电阻，导通。本讲稿第十五页，共五十九页外加电场外加电场与内电场与内电场同方向同方向在外电场作用下在外电场作用下多子远离耗尽层多子远离耗尽层空间电荷区变宽空间电荷区变宽增强内电场增强内电场多子扩散运

10、动减弱多子扩散运动减弱少子漂移运动增强少子漂移运动增强扩散电流扩散电流0(正压正压)，且，且vD VT时，时，iD与与vD近似呈近似呈指数关系指数关系;vD VT时，时，iD Is;vD IZ，能正常工作，稳压性能好，能正常工作，稳压性能好I IZ，稳压性能差，稳压性能差3.动态内阻动态内阻rZ 该值愈小愈好该值愈小愈好5.额定功率额定功率PZ稳压管的最大稳定电流稳压管的最大稳定电流4.温度系数温度系数 用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。本讲稿第四十五页，共五十九页五五.稳压电路稳压电路1.稳压管的稳压管的N区接正极，区接正极，P区接负极，以保

11、证管子能工作在区接负极，以保证管子能工作在 反向击穿区；反向击穿区；2.应与负载并联，通过稳压作用使输出电压稳定；应与负载并联，通过稳压作用使输出电压稳定；3.电路中需串联一限流电阻，以确保稳压管的稳定电流电路中需串联一限流电阻，以确保稳压管的稳定电流IZ 应在规定的范围内。应在规定的范围内。本讲稿第四十六页，共五十九页例题：例题：在稳压管稳压电路中，设在稳压管稳压电路中，设R=180，VI 10V，RL 1k，稳压管，稳压管DZ的稳的稳定电压定电压VZ 6.8V，IZT10mA，rZ=20，IZmin5mA，试分析当，试分析当VI出现出现1V的变化时，的变化时，VO的变化为多少？的变化为多少

12、？本讲稿第四十七页，共五十九页例题：例题：一稳压电路如图所示，其中的直流输入电压一稳压电路如图所示，其中的直流输入电压VI是由汽车上铅酸电池供电，是由汽车上铅酸电池供电，电压在电压在1213.6V之间波动，负载为一移动式之间波动，负载为一移动式9V半导体收音机，当它的音量半导体收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为最大时，需供给的功率为0.5 W。稳压管的主要参数为：稳定电压。稳压管的主要参数为：稳定电压VZ=9V，稳，稳定电流的范围为定电流的范围为IZ=10mA至至IZM=100mA，耗散功率为，耗散功率为1W。限流电阻。限流电阻R的值的值为为47。试分析该稳压电路能否正常工作。试分析该稳

13、压电路能否正常工作。本讲稿第四十八页，共五十九页限流电阻的选择限流电阻的选择电网电压最大，负载电流最小时电网电压最大，负载电流最小时电网电压最小，负载电流最大时电网电压最小，负载电流最大时本讲稿第四十九页，共五十九页35 2 变容二极管变容二极管 结电容随外加反向电压的增加而显著减小的二极管。主要用结电容随外加反向电压的增加而显著减小的二极管。主要用在高频技术中，如：彩电普遍采用的电子调谐器，就是通过控制在高频技术中，如：彩电普遍采用的电子调谐器，就是通过控制直流电压来改变二极管的结电容，从而改变调谐频率，实现频道直流电压来改变二极管的结电容，从而改变调谐频率，实现频道选择。选择。本讲稿第五十

14、页，共五十九页35 3 肖特基二极管肖特基二极管 利用金属与利用金属与N型半导体接触在交接面形成势垒的二极管，型半导体接触在交接面形成势垒的二极管，又称为金属半导体结二极管或表面势垒二极管。又称为金属半导体结二极管或表面势垒二极管。阳极接金属，阴极接阳极接金属，阴极接N型半导体。型半导体。本讲稿第五十一页，共五十九页35 4 光电子器件光电子器件l光电二极管光电二极管l发光二极管发光二极管l激光二极管激光二极管本讲稿第五十二页，共五十九页本章重点难点本章重点难点1半导体和导体的区别半导体和导体的区别 空穴的出现是半导体区别于导体的重要特点。空穴的出现是半导体区别于导体的重要特点。2两大类半导体

15、导电性能的差异两大类半导体导电性能的差异 半导体主要分为本征半导体和杂质半导体两类。半导体主要分为本征半导体和杂质半导体两类。本征半导体中自由电子和空穴成对出现，其数量或浓度相等。常本征半导体中自由电子和空穴成对出现，其数量或浓度相等。常温下，本征半导体中的载流子数量很少，导电力较差。温下，本征半导体中的载流子数量很少，导电力较差。杂质半导体中自由电子和空穴的数量或浓度存在差异。杂质半导体中自由电子和空穴的数量或浓度存在差异。N型半导体型半导体中自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子；中自由电子为多数载流子，空穴为少数载流子；P型半导体则相反。杂型半导体则相反。杂质半导体的导电性能相比本征半导

16、体大大提高。质半导体的导电性能相比本征半导体大大提高。3结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性 当当P型半导体和型半导体和N型半导体制作在同一硅（锗）片上时，由于交界型半导体制作在同一硅（锗）片上时，由于交界面上载流子的浓度存在差异，导致载流子发生散，在交界面处区、面上载流子的浓度存在差异，导致载流子发生散，在交界面处区、N区分别剩下不能移动的负离子、正离子，通常称为空间电荷，形成区分别剩下不能移动的负离子、正离子，通常称为空间电荷，形成PN结或空间电荷区。结或空间电荷区。注意：注意：PN结中的总电流为零，空间电荷区宽度一定。结中的总电流为零，空间电荷区宽度一定。本讲稿第五十三页，共五十

17、九页本章重点难点本章重点难点 在外加电压的情况下，在外加电压的情况下，PN结表现出单向导电性：正向偏置（结表现出单向导电性：正向偏置（P区区接电源正极，接电源正极，N区接电源负极）时，回路中产生较大的正向电流，区接电源负极）时，回路中产生较大的正向电流，PN结阻值较小；反向偏置（结阻值较小；反向偏置（P区接电源负极，区接电源负极，N区接电源正极）时，反向区接电源正极）时，反向电流极小，电流极小，PN结阻值很大。结阻值很大。4半导体二极管和稳压管半导体二极管和稳压管 半导体二极管的主要特点是单向导电性。半导体二极管的主要特点是单向导电性。二极管主要有指数模型、理想模型、恒压降模型、折线模型和小二

18、极管主要有指数模型、理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。信号模型。稳压管是特殊二极管。稳压管是特殊二极管。稳压二极管与二极管的区别在于稳压管通常工作在反向击穿区以稳压二极管与二极管的区别在于稳压管通常工作在反向击穿区以实现稳压电路，应注意稳压管必须加反向电压，且电路中必须加入限实现稳压电路，应注意稳压管必须加反向电压，且电路中必须加入限流电阻，以向稳压管提供合适的工作电流；二极管常常工作在正向特流电阻，以向稳压管提供合适的工作电流；二极管常常工作在正向特性，但也工作在反向特性，在实际应用中，二极管主要构成限幅电路、性，但也工作在反向特性，在实际应用中，二极管主要构成限幅电路、开关电路、

19、低电压稳压电路等。开关电路、低电压稳压电路等。本讲稿第五十四页，共五十九页第三章第三章 自我测试自我测试一、判断题一、判断题（1）在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）（3）PN结在无外加电压时，结电流为零。（）（4）在外电场作用下，半导体中同时出现电子电流和空穴电流。（）（5）二极管两端的反向电压一旦超过最高反向工作电压，PN结就会被击穿。（）（6）用万用表测某二极管的正向电阻时，插在万用表标有“”号插孔中的测 试棒（通常是红色棒）所连接的二极管的管脚是正极，另一电极是负极。（）二、选择题二、选择题1PN结加正向电压时，空间电荷区将 。A变窄 B基本不变 C变宽本讲稿第五十五页，共五十九页本讲稿第五十六页，共五十九页本讲稿第五十七页，共五十九页本讲稿第五十八页，共五十九页第三章第三章 自我测试答案自我测试答案一、一、1；2；3；4；5；6 二、二、1A；2C；3C；4A；5B；6B；7D；8A；9B；10C本讲稿第五十九页，共五十九页