电子技术基础二极管及其基本电路.ppt

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1、2 半导体二极管半导体二极管及其基本电路及其基本电路2.1 半导体的基本知识半导体的基本知识2.3 半导体二极管半导体二极管2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法2.5 特殊二极管特殊二极管2.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1 教学内容：教学内容：本章首先简单介绍半导体的基本知识，着本章首先简单介绍半导体的基本知识，着 重讨论半导体器件的核心环节重讨论半导体器件的核心环节-PN-PN结，并重点结，并重点 讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特 性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分

2、析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变 容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了 简要的介绍。简要的介绍。2 教学要求：教学要求：本章需要重点掌握二极管模型及其电本章需要重点掌握二极管模型及其电 路分析，特别要注意器件模型的使用范围路分析，特别要注意器件模型的使用范围 和条件。对于半导体器件，主要着眼于在和条件。对于半导体器件，主要着眼于在 电路中的使用，关于器件内部的物理过程电路中的使用，关于器件内部的物理过程 只要求有一定的了解。只要求有一定的了解。32.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 2.1.1 半导

3、体材料半导体材料 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2.1.3 本征半导体本征半导体 2.1.4 杂质半导体杂质半导体半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。导电的导电的重要特点重要特点1、其能力容易受环境因素影响、其能力容易受环境因素影响 （温度温度、光照等）、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力、掺杂可以显著提高导电能力4 2.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构原子结构原子结构简化模型简化模型 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体

4、晶体。2.1.3 本征半导体本征半导体在在T=0K和无外界激发时，没有和无外界激发时，没有载流子载流子，不导电，不导电两个价电子的两个价电子的共价键共价键正离子核正离子核5 2.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用温度温度 光照光照自由电子自由电子空穴空穴本征激发本征激发空穴空穴 共价键中的空位共价键中的空位空穴的移动空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相邻共价键中的价电动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而产生由热激发或光照而产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对。温度温度 载流子载流子浓度浓度 6*半导体导电特点半导体

5、导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度温度载流子载流子浓度浓度导电能力导电能力72.1.4 杂质半导体杂质半导体N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）自由电子自由电子 多子多子 空穴空穴 少子少子 空穴空穴 多子多子自由电子自由电子 少子少子由热激发形成由热激发形成它主要由杂质原子提供它主要由杂质原子提供空间电荷空间电荷8 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下:T

6、=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响9 本征半导体、本征激发本征半导体、本征激发本节中的有关概念本节中的有关概念自由电子自由电子空穴空穴N型半导体、施主杂质型半导体、施主杂质(5价价)P型半导体、受主杂质型半导体、受主杂质(3价价)多数载流子、少数载流子多数载

7、流子、少数载流子杂质半导体杂质半导体复合复合*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度温度载流子浓度载流子浓度导电能力导电能力*半导体导电特点半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力：掺杂可以显著提高导电能力102.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 2.2.1 PN结的形成结的形成 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性*2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应11 2.2.1 PN结的形成结的形成1.浓度差浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动2.扩散扩散空间电荷区空间电荷区

8、内电场内电场3.内电场内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散4、扩散与漂移达到、扩散与漂移达到动态平衡动态平衡载流子的载流子的运动：运动：扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动P区区N区区扩散：空穴扩散：空穴电子电子漂移：电子漂移：电子空穴空穴形成过程可分成形成过程可分成4步步(动画动画)内电场内电场12PN结形成的物理过程：结形成的物理过程：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

9、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杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形型半导体结合面，离子薄层形成的成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽132.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压

10、，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止14 2.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 PNPN结特性描述结特性描述结特性描述结特性描述2、PN结方程结方程PN结的伏安特性结的伏安特性陡峭陡峭电阻小电阻小正向导通正向导通1、PN结的伏安特性结的伏安特性特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一定一定的温度条件下，由本征激发决的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的定的少子浓度是一定的非线性非线性其中其中 IS

11、 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）近似近似估算估算正向：正向：反向：反向：15 2.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电结的反向电压增加到一定数值时，压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PN结的结的反反向击穿。向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆16 2.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图扩散电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容扩散电容CD172.3 半

12、导体二极管半导体二极管 2.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 2.3.3 二极管的参数二极管的参数PN结结加上引线和封装加上引线和封装 二极管二极管按结构按结构分类分类点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型18半导体二极管图片半导体二极管图片点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型19半导体二极管图片202122 2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）结方程（近似）硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性锗二极管锗二极管2AP15的的V-I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿

13、特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）硅）Vth=0.1V（锗）锗）注注意意1.死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流反向饱和电流硅：硅：0.1 A；锗：锗：10 A23 2.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3)反向电流反向电流IR(4)正向压降正向压降VF(5)极间电容极间电容CB硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性242.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 2.4.2 模型分

14、析法应用举例模型分析法应用举例 4、应用电路分析举例、应用电路分析举例 2、二极管状态判断、二极管状态判断 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 3、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法讲课思路：讲课思路：25 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述应用电路举例应用电路举例例例2.4.2（习题（习题2.4.12）整流整流限幅限幅初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性D导通：导通：vO=vI-vDD截止：截止：vO=0D导通：导通：vO=vDD截止：截止：vO=vI左图左图中图中图显然，显然，vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定决

15、定而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！26 分析思路分析思路n分析任务：求分析任务：求vD、iDn目的目的1:确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO，有何变化？有何变化？n目的目的2:判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。n首先，判断首先，判断D的状态？的状态？n若若D反向截止，则相当于开路（反向截止，则相当于开路（iD 0，ROFF ）；）；n若若D正向导通，则？正向导通，则？n正向导通分析方法：正向导通分析方法：n图解法图解法n等效电路（模型）法等效电路（模型）法 将非线性将非线性 线性线性n先静态（直流），后动态（交流）先静态（直流），后动

16、态（交流）n静态：静态：vI=0（正弦波过正弦波过0点）点）n动态：动态：vI 01、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述27 2、二极管状态判断、二极管状态判断例例1:2CP1（硅），硅），IF=16mA，VBR=40V。求求VD、ID。(a)(b)(c)(d)正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏iD IF？D反向截止反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿反向击穿iD=？vD=？二极管状态判断方法二极管状态判断方法假设假设D截止截止(开路开路)，求求D两端开路电压两端开路电压普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏齐纳：电击穿齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VVD 0VD正向导通？正向导通？-

17、VBR VD 0VD反向截止反向截止,ID=0VD -VBRD反向击穿反向击穿,VD=-VBRD正向导通？正向导通？D正向导通！正向导通！28习题习题2.4.4 试判断图题试判断图题2.4.4中中二极管导通还是截止，二极管导通还是截止，为什么为什么?(a)例例2:习题习题2.4.3 电路如下图所示，电路如下图所示，判断判断D的状态的状态2、二极管状态判断、二极管状态判断29 3、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法（2.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模）(1)理想模型理想模型(3)折线模型折线模型(2)恒压降模型恒压降模型VD=0.7V（硅）硅）VD=0.2V（锗）锗

18、）Vth=0.5V（硅）硅）Vth=0.1V（锗）锗）30 3、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法(4)小信号模型小信号模型 二极管工作在正向特性的某一小范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为围内时，其正向特性可以等效为:微变电阻微变电阻根据根据 得得Q点处的微变电导点处的微变电导常温下（常温下（T=300K）31 4、应用电路分析举例、应用电路分析举例例例2.4.1 求求VD、ID。（R=10k）（a）VDD=10V 时时（b）VDD=1V 时时VDD理想模型理想模型恒压模型恒压模型折线模型折线模型理想模型理想模型恒压模型恒压模型折线模型折线模型32 二极管

19、应用举例二极管应用举例 uiuoOOtt(b)22DuiuoRL(a)+（1）二极管整流电路二极管整流电路33（2）二极管限幅电路 t+RDE2 Vuiuo+(a)05ui/V523)(bt02.7uo/V5232.734D1 钳位钳位作用作用 D2隔离隔离作用作用(3)开关电路开关电路D3.4 V0.3 V1D23.9 k12VABY35 例例2.4.3 2.4.3 一二极管开关电路如图所示。当一二极管开关电路如图所示。当V V 1 1和和V V 2 2为为0V0V或或5V5V时，求时，求V V 1 1和和V V 2 2的值不同组合情况的值不同组合情况下，输出电压下，输出电压 0 0的值。设

20、二极管是理想的。的值。设二极管是理想的。D1D2VI1VI24.7KVCC5VD1D24.7K5VVCCVI1+VI2+0 036 解：解：(1)(1)当当V V 1 1=0V,V=0V,V 2 2=5V=5V时时,D,D1 1为正向偏置，为正向偏置，V V0 0=0V,=0V,此时此时 D D2 2的阴极电位为的阴极电位为5V5V，阳极为，阳极为0V0V，处于反向偏置，故处于反向偏置，故D D2 2截止。截止。(2)(2)以此类推，将以此类推，将V V 1 1和和V V 2 2 的其余三种组合及的其余三种组合及 输出电压列于下表：输出电压列于下表：V V 1 1 V V 2 2 D D1 1

21、 D D2 2 V V0 0 0V0V 0V 0V 导通导通 导通导通 0V0V 0V0V 5V5V 导通导通 截止截止 0V0V 5V5V 0V 0V 截止截止 导通导通 0V0V 5V5V 5V5V 截止截止 截止截止 5V5V37 由上表可见，在输入电压由上表可见，在输入电压V V 1 1和和V V 2 2中，只中，只 要有一个为要有一个为0V0V，则输出为，则输出为 0V;0V;只有当两输入只有当两输入 电压均为电压均为5V5V时，输出才为时，输出才为5V5V，这种关系在数，这种关系在数 字电路中称为字电路中称为“与与”逻辑。逻辑。注意：即判断电路中的二极管处于导注意：即判断电路中的二

22、极管处于导 通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。截止。38（4）低电压稳压电路低电压稳压电路 稳压电源是电子电路中常见的组成部分。稳压电源是电子电路中常见的组成部分。利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构 成低电压稳压电路。成低电压稳压电路。39 例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压电源电压 V V 的正常

23、值为的正常值为10V10V，R=10kR=10k,当当 V V 变变化化1V1V时，问相应的硅二极管电压时，问相应的硅二极管电压(输出电压输出电压)的变化如何？的变化如何？40 解：解：(1)(1)当当V V 的正常值为的正常值为10V10V时，利用二极管时，利用二极管恒压降模型有恒压降模型有 V VD D0.7V0.7V，由此可得二极管的电由此可得二极管的电流为流为 此电流值可证实二极管的管压降为此电流值可证实二极管的管压降为0.7V0.7V的的假设。假设。(2)(2)在此在此Q Q点上，点上，41 (3)(3)按题意，按题意，V V 有有1V1V的波动，它可视为峰的波动，它可视为峰-峰值为

24、峰值为2V2V的交流信号，该信号作用于由的交流信号，该信号作用于由R R和和r rd d组组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即压可按分压比来计算，即V Vd d(峰峰-峰值峰值)由此可知，二极管电压由此可知，二极管电压V Vd d的变化为的变化为2.79mV2.79mV。42 4、应用电路分析举例、应用电路分析举例例例2.4.4 求求 vD、iD。VI=10V，vi=1Vsin t解题步骤解题步骤:(1)静态分析静态分析(令令vi=0）由恒压降模型得由恒压降模型得VD 0.7V;ID 0.93mA(2)动态分析动态分析(令令V

25、I=0）由小信号模型得由小信号模型得43 分析方法小结分析方法小结2.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法假设假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路电压两端开路电压VD 0.7VD正向导通正向导通-VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID=0 (开路开路)VD -VBRD反向击穿反向击穿VD=-VBR (恒压恒压)VD=0.7V(恒压降恒压降)状态状态等效电路等效电路条件条件将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型）代入原电路中，分析代入原电路中，分析vI和和vO 的的关系关系画出电压波形和电画出电压波形和电压传输特性压传输特性特殊情况：求特殊情况：

26、求 vD（波动）波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理恒压降模型恒压降模型442.5 特殊二极管特殊二极管 2.5.1 稳压二极管（齐纳）稳压二极管（齐纳）2.5.2 变容二极管变容二极管 2.5.3 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管反向击穿状态反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光特殊材料，正向导通发光必须掌握必须掌握“齐纳二极管齐纳二极管”，其它了解。，其它了解。请自学！请自学！452.5.1 稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳

27、压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳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（齐纳击穿）。压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。46(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二

28、极管主要参数2.5.1 稳压二极管稳压二极管472.5.1 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO=VZ#稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？IZmin IZ IZmax#不加不加不加不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？自动调整过程：自动调整过程：48 例：例：如图所示是一个简单的并联稳压电路。如图所示是一个简单的并联稳压电路。R R为限流电阻，求为限流电阻，求 R R 上的电压值上的电压值V VR R和电流值和电流值。R49 解：假定输入电压在（解：假定输入电压在（7-10V7-10V）内变化。）内变化。R50习题与预习习题预习3

29、.1 半导体BJT51 一、判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判断结果填入空内。（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结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（）自自 测测 题题解解：（1）（2）（3）52 1）PN结加正向电压时，空间电荷区将 。A.变窄 B.基本不变 C.变宽 2）设二极管的端电压为U，则二极管的电流方程是 。A.ISeU B.C.3）稳压管的稳压区是其工作在 状态。A.正向导通 B.反向截止 C.反向击穿解：解：（1）A （2）C （3）C 二、选择正确答案填入空内。二

30、、选择正确答案填入空内。53三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。解：解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。图T1.354四、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。解：解：UO16V，UO25V。图T1.4551.1 选择合适答案填入空内。（1）在本征半导体中加入 元素可形成N型半导体，加入 元素可形成P型半导体。A.五价 B.四价 C.三价（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。A.增大 B.不变 C.减小习习 题题解：解：（1）A，

31、C （2）A 561.2 能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？解：解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。57 1.7 现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为 6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压 值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳 压值？各为多少？解：解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值。（2）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等 两种稳压值。581.8 已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流 的最小值IZmi

32、n5mA，最大功耗PZM 150mW。试求图P1.8所示电路中电阻R的取 值范围。图P1.8 解：解：稳压管的最大稳定电流 IZMPZM/UZ25mA电阻R的电流为IZMIZmin，所以其取值范围为 59 1.9 已知图P1.9所示电路中稳压管的稳定电压UZ6V，最小稳定电流IZmin5mA，最大稳定电流IZmax25mA。（1）分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值；（2）若UI35V时负载开路，则会出现什么现象?为什么？图P1.9 60解：解：（1）当UI10V时，若UOUZ6V，则稳压管的电流为4mA，小于其最小稳定电流，所以稳压管未击穿。故 稳压管将因功耗过大而损坏。当UI15V时，稳压管中的电流大于最小稳 定电流IZmin，所以 UOUZ6V 同理，当UI35V时，UOUZ6V。（2）29mAIZM25mA，61