模电二极管及其基本电路.ppt

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1、模电二极管及其基本电路1现在学习的是第1页，共55页第一章第一章 半导体二极管及其应用电路半导体二极管及其应用电路学习重点：学习重点：1.理解理解PN结的单向导电性。结的单向导电性。2.了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；特性曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路。会分析含有二极管的电路。现在学习的是第2页，共55页1.1 PN结 图1.1表示的是由二极管、灯泡、限流电阻、开关及电源等组成的简单电路。1.1.1 半导体的基础知识3现在学习的是第3页，共55页 按图(a)所示,闭合开关S,灯泡发光,说明电路导

2、通 若二极管管脚调换位置,如图(b)所示,闭合开关S,灯泡不发光。由以上演示结果可知:二极管具有单向导电性。4现在学习的是第4页，共55页1.半导体的特性半导体的特性自然界中的各种物质自然界中的各种物质,按导电能力划分为按导电能力划分为:导体、绝缘体、半导导体、绝缘体、半导体。体。(1)半导体导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、半导体导电特性处于导体和绝缘体之间，如锗、硅、砷砷化镓和一些硫化物、氧化物等。化镓和一些硫化物、氧化物等。(2)当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。称热敏特性和光敏特性。称热敏特性和光敏特性。(3)往纯净的半导

3、体中掺入某些杂质往纯净的半导体中掺入某些杂质(其它化学元素其它化学元素)，会使，会使它的导电能力明显改变。它的导电能力明显改变。半导体为什么有此性质呢？半导体为什么有此性质呢？5现在学习的是第5页，共55页硅原子硅原子(14)(14)锗原子锗原子(32)(32)2.半导体的共价键结构半导体的共价键结构 典型的半导体是典型的半导体是硅硅Si和和锗锗Ge，它们都是它们都是4价元素。最外层价元素。最外层原子轨道上具有原子轨道上具有4个电子个电子,称为价电子。每个原子的称为价电子。每个原子的4个价电个价电子不仅受自身原子核的束缚子不仅受自身原子核的束缚,而且还与周围相邻的而且还与周围相邻的4个原子发个

4、原子发生联系生联系,这些价电子一方面围绕自身的原子核运动这些价电子一方面围绕自身的原子核运动,另一方另一方面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。面也时常出现在相邻原子所属的轨道上。6现在学习的是第6页，共55页1.形成共价键结构，导电能力形成共价键结构，导电能力较弱较弱,接近绝缘体。接近绝缘体。2.光照或受热时，光照或受热时，可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 这样这样,相邻的原子就被共有的价电子联系在一起相邻的原子就被共有的价电子联系在一起,称为称为共价键结构。如图共价键结构。如图1.2所示。所示。激发价电子成为自由电子

5、，激发价电子成为自由电子，这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发或或热激发热激发。7现在学习的是第7页，共55页 光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为光照或受热激发使半导体导电能力增强的现象称为本征激本征激发发或或热激发热激发。可见：可见：本征激发同时产生电子空穴对。本征激发同时产生电子空穴对。自由电子自由电子带负电的粒子带负电的粒子空穴空穴带正电的粒子带正电的粒子自由电子、空穴统称为载流子。自由电子、空穴统称为载流子。3.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。体的导电性能发生显著变化。

6、为何呢？为何呢？1、N 型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑或锑)。8现在学习的是第8页，共55页+4+4+5+4多余电子多余电子自由电子自由电子施主原子施主原子硅原子硅原子+整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图。可见：可见：a)N 型半导体中自由电子很多型半导体中自由电子很多(多数载流子多数载流子)，空穴很少，空穴很少(少数少数载流子载流子)；b)导电性能显著增加。导电性能显著增加。不能移动的正离子不能移动的正离子9现在学习的是第9页，共55页2、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼在硅或锗晶体中掺入少量的三价

7、元素，如硼(或铟或铟)。+4+4+3+4空穴空穴受主原子受主原子整块整块P 型半导体示意图型半导体示意图。硅原子硅原子可见：可见：a)P 型半导体中自由电子很少型半导体中自由电子很少(少少子子)，空穴很多，空穴很多(多子多子)；b)导电性能显著增加。导电性能显著增加。不能移动的负离子不能移动的负离子10现在学习的是第10页，共55页综述与问题综述与问题N 型半导体特点型半导体特点:自由电子很多自由电子很多,空穴很少；空穴很少；整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图:+P 型半导体特点型半导体特点:自由电子很少自由电子很少,空穴很多；空穴很多；整块整块N 型半导体示意图型半导体示意图:若将上述

8、二者结合在一起，会如何？若将上述二者结合在一起，会如何？12现在学习的是第12页，共55页 由于在型半导体和型半导体交界面两侧存在着空穴和自由电子两种载流子浓度差，即P区的空穴浓度远大于N区的空穴浓度，N区的电子浓度远大于P区的电子浓度，因此会产生载流子从高浓度区向低浓度区的运动，这种运动称为扩散。1.1.2 PN结的形成及单向导电特性结的形成及单向导电特性一一.PN 结的形成结的形成13现在学习的是第13页，共55页P型半导体型半导体N型半导体型半导体+内电场内电场空间电荷区空间电荷区耗尽层、势垒区耗尽层、势垒区空间电荷区稳定空间电荷区稳定后形成后形成PN 结结P区中的多子空穴扩散到区中的多

9、子空穴扩散到N区，与区，与N区的自由电子复合而消失区的自由电子复合而消失N区中的多子自由电子扩散到区中的多子自由电子扩散到P区，与区，与P区的空穴复合而消失区的空穴复合而消失14现在学习的是第14页，共55页PN结结变薄变薄二二.PN 结的单向导电性结的单向导电性1.PN 结正向偏置结正向偏置(加正向电压加正向电压)P 区加正区加正,N 区加负电压区加负电压内电场内电场外电场外电场+_RE+I当内外电场相互抵消时当内外电场相互抵消时,PN相当于短接相当于短接:正向电流正向电流IE/R内电场被削弱，扩散运内电场被削弱，扩散运动加强形成较大的电流。动加强形成较大的电流。15现在学习的是第15页，共

10、55页2、PN 结反向偏置结反向偏置(加反向电压加反向电压)P区加负、区加负、N 区加正电压。区加正电压。内电场内电场外电场外电场PN结变厚结变厚I0内外电场相互加强内外电场相互加强,PN相当于断开相当于断开:反向电流反向电流I0-+RE+内电场被加强，扩散受抑内电场被加强，扩散受抑制。漂移加强，形成较小制。漂移加强，形成较小的反向漂移电流的反向漂移电流0。呈现高呈现高电阻，电阻，PN结截止。结截止。16现在学习的是第16页，共55页 综上所述，PN结具有单向导电特性 即PN结正偏时导通，呈现很小的电阻，可形成较大的正向电流；PN结反偏时截止，呈现很大的电阻，反向电流近似为零。需要指出的是，反

11、向电压超过一定数值后，反向电流将急剧增加，发生反向击穿现象，单向导电性被破坏。17现在学习的是第17页，共55页1.2 半导体二极管半导体二极管一、基本结构一、基本结构PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。二极管结构二极管结构两层半导体，一个两层半导体，一个PN结。结。二、图形符号二、图形符号PN阴极阴极阳极阳极D18现在学习的是第18页，共55页 三、伏安特性三、伏安特性死区电压死区电压:硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降:硅管硅管0.7V,锗管锗管0.3V。反向击穿反向击穿电压电压VBR理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=

12、0；导通正向压降；导通正向压降=0；反反向饱和电流向饱和电流=0；反向击穿电压；反向击穿电压=。反向饱和电流反向饱和电流IS一定电压范围内保一定电压范围内保一定电压范围内保一定电压范围内保持持持持IS0 vDiD+vD-EiDVRmA+vD-EiDVRmA击穿使二极管击穿使二极管永久损坏永久损坏19现在学习的是第19页，共55页其中其中iD、vD 的关系为：的关系为：vD PN结两端的电压降结两端的电压降iD流过流过PN结的电流结的电流IS 为反向饱和电流为反向饱和电流VT=kT/q 称为温度的电压当量称为温度的电压当量其中其中k为玻耳兹曼常数：为玻耳兹曼常数：1.381023 J/Kq 为电

13、子电荷量为电子电荷量1.6109 CT 为热力学温度为热力学温度,单位为单位为K 对于常温对于常温(相当相当T=300 K)时：则有时：则有VT=0.026V20现在学习的是第20页，共55页四、四、PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为快速增加，此现象称为PN结的结的反向击穿。反向击穿。1、热击穿、热击穿 热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，反向电热击穿的特征：二极管承受很大反向电压时，反向电流急剧增大，二极管的结电阻为流急剧增大，二极管的结电阻为0，失去单向导电性，失去单向导电性，永

14、久损永久损坏二极管，并很容易烧坏坏二极管，并很容易烧坏PN结。结。一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此在实一般的整流、检波二极管击穿时均为热击穿，因此在实际使用中应避免热击穿。际使用中应避免热击穿。2、电击穿、电击穿 电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电流电击穿的特征：可逆。在反向电压作用下反向电流急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率急剧增大，但只要结功率不超过耗散功率，电流不超过最大，电流不超过最大值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后，二极管仍可恢值，就不会损坏二极管，当反向电压降低后，二极管仍可恢复原来的工作状态。复原来的工作状态。稳压二极管稳压二极管(齐纳齐纳二极管二极管

15、)击穿时一般为电击穿。击穿时一般为电击穿。21现在学习的是第21页，共55页RD 0UD=0.7V(硅管硅管)0.3V(锗管锗管)0(E较大时较大时)相当于短接相当于短接称为导通称为导通E 0.5V(硅管硅管)、0.2V(锗管锗管)时：时：I 0，处在死区，处在死区,尚未导通。实际中这种情况要避免。尚未导通。实际中这种情况要避免。E 0.7V(硅管硅管)、0.3V(锗管锗管)时：时：ERDIRDUD五、五、二极管特点总结二极管特点总结1、当二极管上加正向电压时：、当二极管上加正向电压时：(即即PN结正向偏置结正向偏置)22现在学习的是第22页，共55页2、当二极管上加反向电压时、当二极管上加反

16、向电压时(即即PN结反向偏置结反向偏置)PN结或二极管具有结或二极管具有 单向导电性单向导电性E 击穿电压时：击穿电压时：RD ,I 0UD E二极管相当于断开，称为截止。二极管相当于断开，称为截止。E 击穿电压时：击穿电压时：RD 0，UD 0二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。二极管相当于短接，坏了。这种情况要避免。ERDRDUDI23现在学习的是第23页，共55页RLuiuouiuott二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压二极管半波整流电路如图所示。画出输出电压uo 的波形。的波形。例例124现在学习的是第24页，共55页七、二极管的主要参数七、二极管的主要参数1.1.最大整流电

17、流最大整流电流 I IF 二极管长期使用时二极管长期使用时二极管长期使用时二极管长期使用时,允许流过二极管的最大正向平均电流。允许流过二极管的最大正向平均电流。允许流过二极管的最大正向平均电流。允许流过二极管的最大正向平均电流。2.2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压UBRBR 是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反是保证二极管不被击穿而给出的反向电压，一般是二极管反向击穿电压向击穿电压向击穿电压向击穿电压U UBRBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被的一半或三分之二

18、。二极管击穿后单向导电性被的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。破坏，甚至过热而烧坏。破坏，甚至过热而烧坏。破坏，甚至过热而烧坏。3.3.反向峰值电流反向峰值电流I IRMRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，说明管子的单向导电性差，说明管子的单向导电性差，说明管子的单向导电性差，I IRMRM受温度的影响，温度越高受温度的影响，

19、温度越高I IRMRM越大。硅管的反向电流较小越大。硅管的反向电流较小越大。硅管的反向电流较小越大。硅管的反向电流较小(nA级级)，锗管的反向电流较大锗管的反向电流较大锗管的反向电流较大锗管的反向电流较大(A级级)，为硅管的几十到几百倍。，为硅管的几十到几百倍。，为硅管的几十到几百倍。，为硅管的几十到几百倍。4.4.极间电容极间电容C Cd dCdCB+CD5.5.反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间反向恢复时间T TRRRR 27现在学习的是第27页，共55页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一、模型法一、模型法1、理想模型、理想模型(理想二极管理想二极管)理想

20、模型将二极管看成：理想模型将二极管看成：死区电压死区电压=0；导通正向压降；导通正向压降=0；反向饱和电流反向饱和电流=0；反向击穿电压；反向击穿电压=。理想二极管模型理想二极管模型US0US0+u-+US -iR+u-iR+US -+u-iR+US -i=US/Ri=0伏安特性伏安特性30现在学习的是第30页，共55页U D为二极管的导通压降。硅管为二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。2、恒压降模型、恒压降模型(实际二极管实际二极管)恒压降模型将二极管看成：恒压降模型将二极管看成：导通正向压降硅管导通正向压降硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V；反向饱和电流反向饱和电流0

21、；反向击穿电压；反向击穿电压=。恒压降模型恒压降模型USUDUSUD+u-+US -iR+u-iR+US -uDiR+US -i=(US-U D)/Ri=0伏安特性伏安特性31现在学习的是第31页，共55页电路如图，求：电路如图，求：电路如图，求：电路如图，求：U UABV V阳阳阳阳 =6 V V V阴阴阴阴 =12 VV V阳阳阳阳V阴阴阴阴 二极管导通二极管导通理想二极管模型：二极管可看作短路，理想二极管模型：二极管可看作短路，理想二极管模型：二极管可看作短路，理想二极管模型：二极管可看作短路，U UAB=6V6V恒压源模型：恒压源模型：恒压源模型：恒压源模型：U UABAB=6.36.

22、3或或UABAB=6.7V6.7V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。解：解：解：解：取取取取 B B 点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电管，分析二极管阳极和阴极的电管，分析二极管阳极和阴极的电管，分析二极管阳极和阴极的电位。位。位。位。D6V12V3k BAUAB+例例642现在学习的是第42页，共55页解：解：解：解：两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起取取取取 B B 点作参考点，断开二极

23、管，分析点作参考点，断开二极管，分析点作参考点，断开二极管，分析点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。二极管阳极和阴极的电位。二极管阳极和阴极的电位。二极管阳极和阴极的电位。V V1阳阳=6 V6 V，V V2 2阳阳阳阳=0 V=0 VV V1阴阴=V V2 2阴阴阴阴=12 V12 VU UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V U UD2D2 U UD1D1 D2 2 优先导通，优先导通，优先导通，优先导通，D D1 1截止。截止。截止。截止。由于二极管是理想由于二极管是理想由于二极管是理想由于二极管是理想:U UABAB =0 VD D1 1承受反向电压为承受反向电

24、压为承受反向电压为承受反向电压为6 V6 V在这里，在这里，在这里，在这里，D D2 2 起钳位作用，起钳位作用，D1 1起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。起隔离作用。已知二极管是理想的已知二极管是理想的已知二极管是理想的已知二极管是理想的,求求求求:U UABABBD16V12V3k AD2UAB+例例743现在学习的是第43页，共55页u ui i 8V 8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 u uo=8V=8V u ui 8V，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路

25、u uo o=ui i已知：已知：ui18sin t V，二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 uo o 波形。波形。8V二极管的用途：二极管的用途：二极管的用途：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点参考点参考点参考点解：二极管阴极电位为解：二极管阴极电位为 8 V8 VD D8V8VR Ru uo ou ui i+例例844现在学习的是第44页，共55页DZ2、伏安特性、伏安特性3.5

26、 特殊二极管特殊二极管一、齐纳二极管一、齐纳二极管(稳压二极管稳压二极管)稳压管结构：稳压管结构：两层硅半导体，一个两层硅半导体，一个PN结结uiIZmax UZ IZUZIZ稳压管反向击穿时稳压管反向击穿时,只要只要IZIZmax,就不会永久击穿。就不会永久击穿。稳定电稳定电压压斜率很大：斜率很大：1/rZ=I/U1、图形符号、图形符号稳压管正向使用稳压管正向使用时与普通硅二极时与普通硅二极管相同。管相同。死区电压死区电压:0.5V导通压降导通压降:0.7V 45现在学习的是第45页，共55页 3、工作原理、工作原理(1)当稳压管正向偏置时当稳压管正向偏置时ERDZIUDRDE 0.5V时：

27、时：I 0，处在死区。稳压管尚未导通。，处在死区。稳压管尚未导通。E 0.7V时：时：稳压管电阻：稳压管电阻：RD 0稳压管电压稳定在稳压管电压稳定在:UD=0.7V稳压管相当于短接稳压管相当于短接,称为导通称为导通图中电流：图中电流：46现在学习的是第46页，共55页(2)当稳压管反向偏置时当稳压管反向偏置时ERDZUZIZRD稳压作用稳压作用当当EUZ时：时：稳压管电阻：稳压管电阻：RD 图中电流：图中电流：IZ0稳压管电压：稳压管电压：UZ E稳压管相当于断开，称为截止。稳压管相当于断开，称为截止。当当E UZ时时,稳压管击穿，上述电路等效为：稳压管击穿，上述电路等效为：一般一般rZ0,

28、即稳压管两端电压很稳即稳压管两端电压很稳定定,为稳定电压为稳定电压UZ。ER+UZ-IZrZ47现在学习的是第47页，共55页4、主要、主要 参数参数(1)稳定电压稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电下，所对应的反向工作电压。压。(2)动态电阻动态电阻rZrZ U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)最小稳定工作最小稳定工作 电流电流Izmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流Izmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。48现在学习的是第48页，共55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结结 束束53现在学习的是第53页，共55页第1章 半导体二极管及其应用电路1.1 PN结1.2 半导体二极管1.3 整流滤波电路1.4 特殊二极管54现在学习的是第54页，共55页55现在学习的是第55页，共55页