二极管及其应用讲稿.ppt

《二极管及其应用讲稿.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《二极管及其应用讲稿.ppt（50页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、二极管及其应用第一页，讲稿共五十页哦第二页，讲稿共五十页哦第一章 晶体二极管及应用电路1-1 半导体基础知识半导体一 、半导体：其导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质。其电阻率在10-3109欧.米。半导体具有某些特殊性质外界条件改变，导电能力改变。：如压敏、热敏、光照及掺杂特性等。二、半导体材料：用于制造半导体器件的材料。半导体管又称晶体管。常见材料硅（Si）和锗（Ge）。微波中有砷化镓（GaAs）。第三页，讲稿共五十页哦三、本征半导体：纯净的且具有完整晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯（99.999%以上）即为本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每在硅和锗晶体中，

2、原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用，共用一对价电子。一对价电子。图1-1 硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构1.本征激发：价电子因热运动获得能量，争脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键上留下空位，这一现象成为本征激发。图1-1 温度越高，本征激发越强，产生的自由电子和空穴越多。第四页，讲稿共五十页哦第五页，讲稿共五十页哦2.半导体中载流子：半导体中载流子：能够导电的电荷称载流子。半导体中的两种载流

3、子：自由电子，空穴 两种载流子导电的差异：图1-4自由电子在晶格中自由运动；空穴运动即价电子的填补空穴的运动，始终在原子的共价键间运动。3.3.载流子的复合和平衡载流子的复合和平衡 载流子的复合：载流子的复合：自由电子与空穴在热运动中相遇，使自由电子与空穴在热运动中相遇，使 一对自由电子空穴对消失。一对自由电子空穴对消失。动态平衡：动态平衡：当温度当温度T T一定时，单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等，称为载流子的动态平衡。一定时，单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等，称为载流子的动态平衡。本征浓

4、度本征浓度nini：平衡状态下本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。平衡状态下本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。第六页，讲稿共五十页哦本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图1-5本征半导体中电子与空穴本征半导体中电子与空穴1-6第七页，讲稿共五十页哦四、杂质半导体 引言：杂质半导体：在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导体和P 型半导体。1.N型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主（能供给自由电子）。图1-7第八页，讲稿共五十页哦 2.P型半导体：在本征Si和Ge中掺入微量族

5、元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入族元素称为受主杂质，简称受主（能供给自由电子）。P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。图1-8第九页，讲稿共五十页哦3.杂质半导体的载流子浓度：杂质半导体的载流子浓度：少量掺杂，平衡状态下：少量掺杂，平衡状态下：ni2=n0p0 其中，其中，ni 为本征浓度，为本征浓度，n0 为自由电子浓度，为自由电子浓度，p0 为为空穴浓度图空穴浓度图1-9 杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。温度温度T增加，本征激发加剧，增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。杂质电

6、离产生的多子。半导体工作机理：杂质是电特性。半导体工作机理：杂质是电特性。Si半导体比半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时，半导体有更高的温度。因为同温度时，Si半导体比半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度时半导体本征激发弱，更高的温度时Si半导半导体才会失去杂质导电特性。体才会失去杂质导电特性。图图1-9第十页，讲稿共五十页哦五、漂移电流和扩散电流1.漂移电流：漂移电流：载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂移电流。移电流。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。2.扩散电流：扩散电流：因扩散运动形成的

7、电流，称为扩散电流。因扩散运动形成的电流，称为扩散电流。扩散运动：扩散运动：因载流子因载流子 浓度差而产生的载流子宏观定向运动。浓度差而产生的载流子宏观定向运动。物理现象：物理现象：半导体（半导体（N型型P型）内的载流子浓度分布不规则，型）内的载流子浓度分布不规则，无规则热无规则热 运动，载流子从高浓度向低浓度方向净迁移。运动，载流子从高浓度向低浓度方向净迁移。第十一页，讲稿共五十页哦1-2 PN结工作原理PN结：将结：将P型和型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的

8、特殊区域，称为称为PN结。结。一、一、PN结的形成：结的形成：内电场：由内电场：由N区指向区指向P区的电场区的电场E。阻止两区多子的扩散。阻止两区多子的扩散。电场电场E产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓差产生产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓差产生的使两区多子越结的扩散电流。的使两区多子越结的扩散电流。扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到漂移电流时，达到平衡状态，形成平衡状态，形成PN结。无净电流流过结。无净电流流过PN结。结。其强弱与材料

9、有关，一般其强弱与材料有关，一般Si：约为：约为0.7v；Ge约为约为0.2V。第十二页，讲稿共五十页哦+P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。图图1-10第十三页，讲稿共五十页哦二 、PN结的特点：1.空间电荷区是非线性中性区，内建电场和内建电位差 0（内建电压）。2.PN结又称耗尽层。3 .P

10、N结又称阻挡层：内建电场E阻止两区多子越结扩散。PN结又称势垒区：4.不对称PN结。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍P P中的空穴、中的空穴、N区区 中的电子（中的电子（都是都是多子多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少），数量有限，因），数量有限，因此由它们形成的电流很小。此由它们形成的电流很小。注意注意:第十四页，讲稿共五十页哦图图1-11第十五页，讲稿共五十页哦三、PN结的单向导电特性：无外接电压的无外接电压的PN结结开路开路PN结，平衡状态结

11、，平衡状态PN结；结；PN结外加电压时结外加电压时 外电路产生电流有两种情况：外电路产生电流有两种情况：1 .正向偏置（简称正偏）正向偏置（简称正偏）PN结：图结：图1-10 PN结外加直流电压结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），区接高电位（正电位），N区接低电位区接低电位（负电位）正偏正向电流+_+RE内电场内电场外电场外电场变薄变薄内电场被削弱，多子的内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大扩散加强能够形成较大的扩散电流。的扩散电流。图图1-12第十六页，讲稿共五十页哦2.反向偏置（简称反偏）PN结：反偏指P区接低电位（负电位），N区接高电位（正电位）。硅PN结的Is 为pA级 温度

12、T增大 IsNP+内电场内电场外电场外电场变厚变厚_内电场被被加强，多子内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反限，只能形成较小的反向电流。向电流。RE图图1-13第十七页，讲稿共五十页哦3 PN结的伏安特性结的伏安特性 伏安特性方程：伏安特性方程：I=Is(eU/VT-1);Is 为少子漂移的反向饱和漏为少子漂移的反向饱和漏电流电流U为外加电压为外加电压,VT=KT/q为温度电压当量为温度电压当量,常温下位常温下位26mV.PN结的伏安特性曲线：图结的伏安特性曲线：图1-12图图1-14第十八页，讲稿共五十页哦第

13、十九页，讲稿共五十页哦1-3 晶体二极管 二极管的结构和符号：图1-15（a）为结构，（b）为符号。一、二极管的伏安特性：1 单向导电特性：2 导通电压VON ：3 锗管的Is比硅管的Is大三个数量级；4 Is随温度升高而增大：图1-165 锗管与硅管伏安特性的差异：图1-16第二十页，讲稿共五十页哦图图1-15第二十一页，讲稿共五十页哦图图1-16图图1-17第二十二页，讲稿共五十页哦二二极管的RD和rd1 直流电阻RD：二极管的伏安特性为曲线二极管为非线性电阻器件。结论：Q点处的电流越大，二极管的直流电阻RD越小；二极管的正反向直流电阻相差很大。2 交流电阻rd 二极管工作点Q处的微变电压

14、增量dvd 和微变电流增量did之比，称为该点处的交流电阻rd。图1-18。第二十三页，讲稿共五十页哦图图1-18第二十四页，讲稿共五十页哦3 二极管的参数：二极管的参数：最大平均整流电流最大平均整流电流;最大反向工作电压最大反向工作电压V VR R;反向电流反向电流I IR;R;最高工作频率最高工作频率f fm m.三三、二极管的模型：、二极管的模型：器件模型：由理想元件构成的能近似反映电子器件特性器件模型：由理想元件构成的能近似反映电子器件特性的等效电路。的等效电路。二极管的二极管的伏安特性的分段线性近似模型伏安特性的分段线性近似模型:理想开关模型理想开关模型：二极管二极管 理想开关理想开

15、关,正偏时正向电压正偏时正向电压=0，反偏时反向电流反偏时反向电流=0。图图1-19第二十五页，讲稿共五十页哦 恒压源模型：图1-20(b)原因：二极管导通时电流较大，rd很小，近似认为二极管的端电压不随电流变化 恒压特性。折线近似模型：图1-20(c)第二十六页，讲稿共五十页哦2二极管的交流小信号模型:工作点Q处的交流电阻rd。其交流与直流通路如下图：注意电容C：（1）C称为隔直电容；（2）C称为耦合电容：第二十七页，讲稿共五十页哦第二十八页，讲稿共五十页哦例1：电路图1-26（a），V(t)=2sin2104t(mV)C=200F，估算二极管电流中的交流成分id(t)。解1）v(t)=0V

16、 时，画出直流通路1-26b图。2）当v(t)加入后，画交流通路时将C短路。图1-26C。IDID=（3-0.7）/R=8（mA）rd=UT/ID=26/8=3.25()id=v(t)/rd=2sin2104t(mV)/3.25=0.6 sin2104t第二十九页，讲稿共五十页哦四四 二极管应用电路二极管应用电路 （1）低频及脉冲电路中，做整流、限幅、钳位、稳压、波形变）低频及脉冲电路中，做整流、限幅、钳位、稳压、波形变换换 （2）集成运放加二极管构成指数、对数、乘法、除法等运算电）集成运放加二极管构成指数、对数、乘法、除法等运算电路路 （3）高频电路中做检波、调幅、混频等）高频电路中做检波、

17、调幅、混频等1.整流电路：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即整流电路：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。直流）脉动电压的过程，称为整流。将交流电源整流成为直流电将交流电源整流成为直流电流的二极管叫作整流二极管，它是面结合型的功率器件，因结流的二极管叫作整流二极管，它是面结合型的功率器件，因结电容大，故工作频率低。电容大，故工作频率低。通常，通常，IFIF在在1 1安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；IFIF在在1 1安以下的采用全塑料封装（见图安以下的采用全塑料封装（见图2 2）由于近代工艺技术

18、不）由于近代工艺技术不断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形式。断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形式。第三十页，讲稿共五十页哦图图1-28为典型的单相半波整流电路。分析如下：为典型的单相半波整流电路。分析如下：（1）当）当vi(t)0 二极管正偏二极管正偏（2）当）当vi(t)0 二极管反偏二极管反偏金属封装金属封装朔料封装朔料封装第三十一页，讲稿共五十页哦2.限幅电路：限幅电路：（1）双向限幅电路：图）双向限幅电路：图1-30，设，设vi(t)=3sint（2）单向限幅电路）单向限幅电路（取（取Er=0即为教材上的例题）：即为教材上的例题）：（3）幅度可调的）幅度

19、可调的双向限幅电路：双向限幅电路：例二：图中所示为理想二极管，例二：图中所示为理想二极管，ui波形如图，绘出波形如图，绘出uo波形。波形。解：如图，解：如图，ui3V时时uo=ui（D通）；通）；ui3V uo=3V（D不通）不通）；ui=3V uo=3V（临界导通）。绘图如下（临界导通）。绘图如下第三十二页，讲稿共五十页哦例三：如图电路，已知例三：如图电路，已知ui（t）=10sint（V）VD=0.7V，绘出，绘出uo波形。波形。+-uo10V-10V5.7V-5.7Vui（t）10Vtt第三十三页，讲稿共五十页哦3 钳位电路（主要用于组成门电路钳位电路（主要用于组成门电路）能改变信号的直

20、流电压成分，又叫直流恢复电路。能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图图1-31。设设vi(t)是是2.5V 的方波信号的方波信号1-31（b），），Vo=？例四：如图电路例四：如图电路则则第三十四页，讲稿共五十页哦4 续流作用：元件保护续流作用：元件保护 在在电电子子线线路路中中，常常用用二二极极管管来来保保护护其其他他元元器器件件免免受受过过高高电电压压的的损损害害，如如图图1.1.7所所示示电电路路，L和和R是是线线圈圈的的电电感感和和电电阻阻。在在开开关关S接接通通时时，电电源源E给给线线圈圈供供电电，L中中有有电电流流流流过过，储储存存了了磁磁场场能能量量。在在开开关关S由由接

21、接通通到到断断开开的的瞬瞬时时，电电流流突突然然中中断断，L中中将将产产生生一一个个高高于于电电源源电电压压很很多多倍倍的的自自感感电电动动势势eL，eL与与E叠叠加加作作用用在在开开关关S的的端端子子上上，在在S的的端端子子上上产产生生电电火火花花放放电电，这这将将影影响响设设备备的的正正常常工工作作，使使开开关关S寿寿命命缩缩短短。接接入入二二极极管管VD后后，eL通通过过二二极极管管VD产产生生放放电电电电流流i,使使L中中储储存存的的能能量量不不经经过过开开关关S放放掉掉，从从而而保保护护了了开开关关S。第三十五页，讲稿共五十页哦5 5、检波二极管、检波二极管检波二极管是用于把迭加在高

22、频载波上的低频信号检出检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。它具有较高的检波效率和良好的频率特性。6 6、开关二极管、开关二极管在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管，它的特点是反向恢复时间短，能满足高频和超高二极管，它的特点是反向恢复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。频应用的需要。开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般IFIF500500毫安的硅开关二极管，多采用全密封环氧树脂，陶毫安的硅开关二极管

23、，多采用全密封环氧树脂，陶瓷片状封装，如图三所示，引脚较长的一端为正极。瓷片状封装，如图三所示，引脚较长的一端为正极。图3、硅开关二极管全密封环环氧树脂陶瓷片状封装第三十六页，讲稿共五十页哦1-4 PN结的反向击穿及其应用一一 反向击穿反向击穿 PN结反向击穿：结反向击穿：PN结反向电压增大到一定量值时，反向结反向电压增大到一定量值时，反向 电电流激增，这一现象称为流激增，这一现象称为PN结反向击穿。结反向击穿。反向击穿电压：反向击穿时的电压值。反向击穿电压：反向击穿时的电压值。1 雪崩击穿雪崩击穿-价电子被碰撞电离：价电子被碰撞电离：发生雪崩击穿条件是：发生雪崩击穿条件是：反偏电压反偏电压6

24、V。温度增加，击穿电压增大。温度增加，击穿电压增大。2 齐纳击穿齐纳击穿-价电子被场致激发，价电子被场致激发，大反偏电压下结会有很强大反偏电压下结会有很强的电场的电场大电场力将共价键上的价电子拉出共价键大电场力将共价键上的价电子拉出共价键自由电子自由电子空穴对空穴对结内载流子激增结内载流子激增反向电流激增反向电流激增齐纳击穿。齐纳击穿。反偏电压反偏电压4V 齐纳击穿。齐纳击穿。温度增加，击穿电压减小。温度增加，击穿电压减小。第三十七页，讲稿共五十页哦二二稳压稳压 管：管：工作在反向击穿状态的二极管电路符号及特性曲工作在反向击穿状态的二极管电路符号及特性曲线如图。线如图。稳压稳压 管的参数：管的

25、参数：稳定电压稳定电压Vz最小稳定电流最小稳定电流IzMIN最大稳定电流最大稳定电流IzMAX 动态电阻动态电阻rz。+-UIIZIZmax UZ IZ稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳电压越稳定。定。UZ动态电阻：动态电阻：rz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。（5）电压温度系数电压温度系数 U（%/）稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（6）最大允许功耗）最大允许功耗第三十八页，讲稿共五十页哦2 稳压管应用电路：RL：负载电阻；R：限流电阻；要求输入电压VIVZ uoiZDZRiLiuiRL例四例四:如图电路如图电路Dz1与与Dz2为稳压为稳压范围范

26、围5V;10V的稳压管的稳压管,求求Uo.第三十九页，讲稿共五十页哦第四十页，讲稿共五十页哦第四十一页，讲稿共五十页哦1-5 PN结电容效应及应用 现象：半波整流电路中交流电压从50Hz改为500KHz，在输入电压的负半周时，二极管上也有导通电流。原因：二极管PN结存在电容效应。结论：高频时二极管失去电向导电特性。一 势垒电容CT：线性电容的充电过程。二 扩散电容CD:图1-41，两区在PN结正偏时，多子存在净的越结扩散，进入对方区域中成为非平衡少子，在空间电荷区两侧积累，形成非平衡少子浓度分和pn(x)。存在非平衡少子浓度分布的两个区域扩散区。CD PN结正向直流电流。第四十二页，讲稿共五十

27、页哦三 二极管电容特性:CT和CD均为非线性电容，按增量电容定义：考虑CT和CD，不计P区N区体电阻和漏电阻，在Q点处二极管的小信号模型为：图1-43。CT和CD对外电路并连等效，总的电容Cj：Cj=CT+CD Cj称为PN结的结电容。第四十三页，讲稿共五十页哦变容二极管：利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，简称变容管。第四十四页，讲稿共五十页哦第四十五页，讲稿共五十页哦四、四、特种二极管特种二极管:多多,只讲只讲LED.1.发发光光二二极极管管及及其其应应用用 1)发发光光二二极极管管的的符符号号及及特特性性 发发光光二二极极管管的的符符号号如如图图1.1.8(a)所所示示。它它

28、是是一一种种将将电电能能直直接接转转换换成成光光能能的的固固体体器器件件，简简称称LED(Light Emitting Diode)。发发光光二二极极管管和和普普通通二二极极管管相相似似，也也由由一一个个PN结结组组成成。发发光光二二极极管管在在正正向向导导通通时时，由由于于空空穴穴和和电电子子的的复复合合而而发发出出能能量量，发发出出一一定定波波长长的的可可见见光光。光光的的波波长长不不同同，颜颜色色也也不不同同。常常见见的的LED有有红红、绿绿、黄黄等等颜颜色色。发发光光二二极极管管的的驱驱动动电电压压低低、工工作作电电流流小小，具具有有很很强强的的抗抗振振动动和和抗抗冲冲击击能能力力。由由于于发发光光二二极极管管体体积积小小、可可靠靠性性高高、耗耗电电省省、寿寿命命长长，被被广广泛泛用用于于信信号号指指示示等电路中。等电路中。第四十六页，讲稿共五十页哦第四十七页，讲稿共五十页哦2、光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU照度增加照度增加第四十八页，讲稿共五十页哦例五:如图理想二极管组成电路,计算UO.第四十九页，讲稿共五十页哦第五十页，讲稿共五十页哦