第6章半导体二极管及其应用电路.pptx

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1、本征半导体本征半导体锗：锗：锗在地壳中含量为锗在地壳中含量为0.0007%，较金、，较金、银、铂的含量均高，由于资源分散，银、铂的含量均高，由于资源分散，增加了冶炼困难，属于稀有元素一类。增加了冶炼困难，属于稀有元素一类。锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管锗单晶可作晶体管，是第一代晶体管材料。材料。第1页/共54页本征半导体本征半导体硅：硅：硅在地壳中的含量是除氧外最多的元硅在地壳中的含量是除氧外最多的元素。地壳的主要部分都是由含硅的岩素。地壳的主要部分都是由含硅的岩石层构成的，这些岩石几乎全部是由石层构成的，这些岩石几乎全部是由硅石和各种硅酸盐组成硅石和各种硅酸盐组成。硅是一种半导体材料，可用

2、于制作半硅是一种半导体材料，可用于制作半导体器件和集成电路。导体器件和集成电路。第2页/共54页本征半导体价电子 最外层最外层简化模型 因此，在绝对温度零度(即0 K，相当于-273)，且无外界激发时，本征半导体无自由电子，和绝缘体一样不导电。本本征征半半导导体体化化学学成成分分纯纯净净的的半半导导体体。它它在在物物理理结结构构上上呈单晶体形态。呈单晶体形态。第3页/共54页本征硅晶体的结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征硅晶体的电子空穴对 在室温下，仅有少数价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子（称为热激发），并在相应的共价键中留下空穴，自由电子和空穴总是

3、相伴而生，成对出现，称之为电子-空穴对。第4页/共54页空穴等效为一个带正电荷的粒子，其电荷量与电子相同。在电场作用下可以形成电流的带电粒子称为载流子，故电子和空穴都是载流子。硅原子形成晶格结构，即使电离也不能作定向运动形成电流，不是载流子。除了热激发产生电子空穴对外，光照也能激发电子空穴对，进而影响本征半导体的导电能力。第5页/共54页按掺入杂质的性质不同，分N型半导体和P型半导体，统称为杂质半导体。型半导体 在硅(或锗)晶体中掺入少量的5价元素，如磷（P）,则硅晶体中某些位置的硅原子被磷原子代替。杂质元素电离成带正电的离子。正离子被共价键束缚在晶格上，不能做定向运动而形成电流。在掺入施主杂

4、质元素的半导体中，自由电子是多数载流子，简称“多子”，空穴是少数载流子，简称“少子”。称为电子型半导体或N型半导体。第6页/共54页型半导体在硅(或锗)晶体中掺入少量的3价元素，如硼（B）或铝（Al），则硅晶体中某些位置的硅原子被硼原子代替。空穴是多数载流子，电子是少数载流子。称为空穴型半导体或P型半导体 6.2 PN结的形成及特性单独的N型半导体或P型半导体的导电特性没有方向性，即对电流的流向没有选择性。采用一定的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在2种半导体的交界面就形成PN结。PN结对电流的流向有选择性，称为PN结的单向导电性。第7页/共54页结的形成扩散运动:由于浓

5、度差异不同引起的粒子转移。耗尽区,势垒区，空间电荷区:在交界面附近，空穴与电子相遇而复合，载流子消失，出现了由不能移动的带电离子组成的空间电荷区。漂移运动：少数载流子在电场作用下的定向运动形成漂移电流。第8页/共54页结的单向导电性1.外加正向电压 图 6.2.2 PN 结作用正向电压 内电场 E 漂移电流 扩散电流 V0 x o 电位 V VF R IF 电源的正极接P区，电源的负极接N区，称为PN结正向偏置。内电场因与外电场相反而受到削弱，使空间电荷区变窄，有利于多子的扩散而不利于少子的漂移。加上不大的正向电压，就可产生相当大的正向电流，为避免烧坏PN结，回路中应串入电阻R限流。第9页/共

6、54页2.外加反向电压 电源的正极接N区，电源负极接P区，称为PN结反向偏置。PN结反向偏置时，内电场因与外电场方向相同而增强，使空间电荷区变宽，阻碍多子的扩散而有利于少子的漂移。由于少子数量很小，反向电流也很小。并且，在温度一定的情况下，少子的浓度也是一定的，导致反向电流在一定范围内基本上不随外加电压变化，这种特性称为反向电流的饱和特性。反向饱和电流，记为IS第10页/共54页3PN结的伏安特性PN结的伏安特性是指数函数：电流和电压的参考方向都是由P区指向N区，反向饱和电流IS小于10nA(1nA=10-9A)。VT是温度当量电压。VT与温度的关系是：T是热力学温度（0K=-273oC），q

7、（=1.610-9C）是电子电荷,k（=1.3810-23 J/K）是波尔兹曼常数。在室温下（T=27 oC=300K），VT=26mV。PN结的伏安特性曲线：死区死区正向导通区正向导通区反向截反向截止区止区第11页/共54页结的电容效应电荷的空间积累和消散就是电容效应。1.势垒电容PN结正向偏置时，使空间电荷区变窄，电荷量减少；PN结反向偏置时，使空间电荷区变宽，电荷量增加。PN结空间电荷区的电荷积累和消散所等效的电容称为势垒电容，记为Cb。第12页/共54页2.扩散电容当外加正向电压时，P区的空穴扩散穿过耗尽区到达N区的边界，成为N区的少子；N区的电子扩散穿过耗尽区到达P区的边界，成为P区

8、的少子。于是，P区积累(存入)大量的电子（少子），N区存入大量的空穴（少子），它们统称为存储电荷（或非平衡少子）。正向电流变化，存储电荷也变化，等效为电容元件的充放电，其等效电容称为扩散电容，记为Cd。PNPN结总的等效结电容是势垒电容和扩散电容之和，即第13页/共54页结的反向击穿反向截反向截止区止区反向击反向击穿区穿区当反向电压达到一定数值时，反向电流激增，这种现象称为反向击穿。发生反向击穿对应的反向电压称为反向击穿电压，记为VBR。PNPN结反向击穿的机理分为齐纳击穿和雪崩击穿：当掺杂浓度很高，耗尽层宽度很窄时，在不大的反向电压作用下，形成很强的内电场(2107V/m)，直接将价电子从原

9、子的共价键中“拉”出来，产生大量的电子-空穴对，于是反向电流急剧增大，这种击穿称为“齐纳击穿”。当掺杂浓度较低时，耗尽层宽度较宽，内电场较小，不能发生齐纳击穿。但是，当反向电压达到足够大时，内电场使来自P区的电子的漂移速度不断增加，获得足够的动能，撞击共价键中的价电子，使其获得足够的能量，摆脱共价键的束缚，产生电子-空穴对,称为雪崩击穿。第14页/共54页反向截反向截止区止区反向击反向击穿区穿区雪崩击穿和齐纳击穿统称为电击穿。电击穿是可逆的，只要反向电压降低后，仍可恢复原状。但是，在发生电击穿后，如果没有适当的限流措施，就会因电流大和电压高，PN结消耗很大的功率，产生热量，使PN结过热造成永性

10、的损坏，这种现象称为热击穿。电击穿往往为人们利用(如稳压管二极管)，而热击穿必须避免。第15页/共54页6.3 半导体二极管（Diode）二极管的结构按所用材料分，有硅二极管和锗二极管。按结构分，主要有点接触型、面接触型和平面型等。点接触型允许通过的电流也小。但它们的结电容小，可以在高频下工作，适用于高频电路。面接触型可通过较大的电流，但结电容也大，宜作低频整流。第16页/共54页二极管的伏安特性硅二极管2CP10的伏安特性：锗二极管2AP15的伏安特性：1.正向特性:二极管作用正向电压的伏安特性曲线 死区死区正向导通区正向导通区Vth Vth：门坎电压或死区电压 硅管的Vth约为0.5V，锗

11、管的Vth约为0.1V。Von：导通电压，硅管的Von0.60.8V，通常取固定值0.7V；锗管的Von0.20.3V，通常取固定值0.2V。第17页/共54页二极管的伏安特性硅二极管2CP10的伏安特性：锗二极管2AP15的伏安特性：.反向特性:二极管作用反向电压且PN结未反向击穿的伏安特性曲线二极管作用反向电压且PN结未反向击穿的伏安特性曲线。死区死区正向导通区正向导通区Vth 硅二极管的IS0.1A（微安），锗二极管的IS大略是几十个微安。反向截止区反向截止区反向反向击穿击穿区区第18页/共54页二极管的伏安特性硅二极管2CP10的伏安特性：锗二极管2AP15的伏安特性：.反向击穿特性:

12、死区死区正向导通区正向导通区Vth 反向截止区反向截止区反向反向击穿击穿区区对应于二极管的PN结反向击穿（电击穿）。第19页/共54页4.4.二极管的温度特性在环境温度升高时，热量激发半导体的少数载流子，使二级管的正向特性左移，反向特性下移。在室温附近，温度每升高1，正向压降减少22.5mV；温度每升高10，反向电流约增大一倍。第20页/共54页二极管的主要参数 1 1最大平均整流电流I IF FIF是指二极管长期使用时，允许通过的最大正向平均电流。2 2最高反向工作电压V VR RVR是二极管所允许的最大反向工作电压，通常是反向击穿电压的一半。为了安全运行，实际工作电压应小于VR。3 3反向

13、电流I IR RIR是二极管未反向击穿时的反向电流，近似等于PN结的反向饱和电流。I IR R受温度影响大。即温度增加，I IR R也增加。4 4极间电容C Cj j或最高工作频率f fm m极间电容Cj包括二极管的PN结电容和电极引线电容。第21页/共54页6.4 二极管电路分析方法 二极管的伏安特性近似为PNPN结的伏安特性：图解法例6.1 6.1 已知二极管的伏安特性曲线如图 (a)(a)的粗实线所示，试求图(b)(b)电路中二极管的电流和电压。Di/mA Dv/V o 0.5 1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5（a）Q 第22页/共54页 Di/mA Dv/V o 0.5

14、1.0 1.5 2.0 0.5 1.0 1.5（a）Q 例6.1 6.1 已知二极管的伏安特性曲线如图 (a)(a)的粗实线所示，试求图(b)(b)电路中二极管的电流和电压。解：由电路得：（mA）上式中的单位是mA，的单位是V。直流负载线与二极管特性曲线的交点Q（VDQ，IDQ）既是解，即:由于电路仅有直流电压源，所以电路中的电流和电压都是直流量，不随时间变化，称为静态。Q点称为二极管的静态工作点。直流负载线 第23页/共54页(b)解：当 时，是直流负载线 直流负载线与二极管伏安特性曲线的交点是静态工作点，解为 例6.2 6.2 电路如图(b)(b)所示。已知 V V，二极管的伏安特性如图（

15、a a）所示。试求二极管的电流和电压。第24页/共54页当 时，)(2.0)2.01(mAviDD-+=直线与纵轴的截距是1.2mA1.2mA，斜率与直流负载线相同，如图中的直线。与二极管伏安特性曲线的交点是A A点，解为:当 时，直线与纵轴的截距是0.8mA0.8mA，斜率与直流负载线相同，如图中的直线。与二极管伏安特性曲线的交点是B B点，解为综上所述，二极管的电流和电压分别是:第25页/共54页小信号模型法小信号模型法用于求解非线性元件在静态工作附近的电流和电压的交流分量。设二极管的静态工作点Q Q的坐标为（VDQ，IDQ）。二极管电流在静态工作点处的微分是:在电路中，微分量就是交流量。

16、故用交流电流替换，用交流电压替换，得:第26页/共54页 在静态工作点附近，二极管的交流电流与交流电压成正比，可用一个电阻模拟其特性:rd称为二极管的交流等效电阻或动态电阻，它与二极管的静态电流IDQ和环境温度有关。小信号模型则是模拟非线性元件在静态工作点附近电流和电压微变量关系的等效模型。第27页/共54页例6.36.3试求图中二极管的交流电流和交流电压,已知 V V。解：交流通路（电路）：交流电流流通的路径。由于直流电源的端电压固定不变，所以交流电流通过直流电源引起的端电压变化量为零，在交流通路中相当于对交流电流短路。已在例6.2中求出二极管的静态电流IDQ=0.85mA，则由图（b）电路

17、，得 与例6.2比较，交流电流误差很小，但交流电压误差却较大。主要原因是图解法的作图精度不高造成的。交流通路 等效电路 第28页/共54页当信号频率小于二极管的最高工作频率时，PN结的电容效应不明显，二极管等效为一个动态电阻。当信号频率大于二极管的最高工作频率时，PN结具有明显的电容效应。二极管的小信号模型修正为PN结电容与动态电阻并联。二极管的低频小信号模型 二极管的高频小信号模型 第29页/共54页分段线性模型法二极管的分段线性模型有理想模型、恒压降模型和折线模型。1.理想模型（d）反向偏置模型（a）伏安特性逼近（b）代表符号（c）正向偏置模型当实际二极管所在回路的电压远大于正向导通电压（

18、通常是两者之比大于1010）时，可采用理想二极管模型。第30页/共54页2恒压降模型恒压降模型：伏安特性等效为一个理想二极管与一个直流电压源Von的串联。小功率硅管的Von0.60.8V，通常取固定值0.7V；小功率锗管的Von0.20.3V，通常取固定值0.2V。当实际二极管所在回路的总电阻（不含二极管）远大于二极管的导通电阻（通常是两者之比大于10）时，可采用恒压降模型。第31页/共54页.折线模型折线模型:伏安特性等效为一个理想二极管、一个直流电压源Vth和一个电阻串联rD。硅管的Vth约为0.5V，锗管的Vth约为0.1V；rD称为导通电阻，设二极管导通电压对应的电流为Ion，则导通电

19、阻rD近似为：当实际二极管所在回路的总电阻（不含二极管）与导通电阻相当（通常是两者之比小于1010）时，可采用折线模型。第32页/共54页例6.4 6.4 已知二极管的伏安特性曲线如图中(a)(a)的粗实线所示，试用分段线性模型求图(b)(b)电路中二极管的电流和电压并比较误差。解：由图可知，二极管是硅管，且承受正向电压。(1)(1)采用理想模型计算例：Q的坐标是（0.75，0.85）与图解法的结果比较，电流的相对误差为 电流误差较大。这是因为回路电压（5V）与二极管的导通电压（0.7V）之比小于10，故本例不宜采用理想模型。第33页/共54页.采用恒压降模型计算例6.4 6.4 已知二极管的

20、伏安特性曲线如图中(a)(a)的粗实线所示，试用分段线性模型求图(b)(b)电路中二极管的电流和电压并比较误差。解：由图可知，二极管是硅管，且承受正向电压。例：Q的坐标是（0.75，0.85）与图解法的结果比较，电流的相对误差为 电流误差可以接受。这是因为回路电阻（5k5k）与二极管的导通电阻（0.25k,0.25k,见下文）之比大于1010，故本例采用恒压降模型可以得到准确的结果。第34页/共54页例6.4 6.4 已知二极管的伏安特性曲线如图中(a)(a)的粗实线所示，试用分段线性模型求图(b)(b)电路中二极管的电流和电压并比较误差。解：由图可知，二极管是硅管，且承受正向电压。例：Q的坐

21、标是（0.75，0.85）3.采用折线模型计算由伏安特性曲线可知，导通电压对应的电流约为0.8mA。与图解法的结果比较，电流的相对误差为电流误差与恒压降模型相近，但计算比采用恒压降模型复杂。在实际计算中通常采用恒压降模型计算二极管的静态工作点。第35页/共54页6.5 特殊二极管稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管和激光二极管 稳压二极管PN结电击穿后其反向电压基本不随反向电流变化，具有电压稳定的作用。Vz0：反向击穿电压rZ是AB段斜率的倒数，称为稳压管的动态电阻。反向击穿区第36页/共54页稳压管的主要参数（1）稳定电压Vz：指工作在反向击穿区时稳压管的稳定工作电压，对应于伏安特

22、性图中的Vz0。齐纳二极管的Vz通常小于4V，雪崩二极管的Vz通常大于7V。（2）稳定电流Iz：（3）额定功耗Pz：额定功耗等于稳定电压与最大稳定电流之积（Pz=VzIz(max)）。如果稳定电流超过最大稳定电流Iz(max)或实际耗散功率大于Pz，则稳压管的PN结就会被热击穿，造成永久损坏。稳压管正常击穿稳压时的反向电流，对应于图中的Iz(min)。反向工作电流大于Iz稳压管才能稳压。（4）动态内阻rZ：（5）温度系数z：rZ是稳压管正常击穿时端电压变化量Vz与相应反向电流变化量 Iz之比，其值愈小，反向击穿特性曲线越陡，稳压性能愈好。表示温度每变化1oC引起的稳定电压变化量。第37页/共5

23、4页例6.5 电路如图(a)所示。已知，稳压管参数为：Vz0=6V=6V，Iz(min)=5mA=5mA，Iz(max)=25mA=25mA，rZ=30=30。试求稳压管的电流、输出电压和动态输出电阻，画出等效电路。解：由图(a)电路知，稳压管反向击穿稳压。稳压管电流的直流电流分量为：输出电压的直流分量为：当直流分量VI=0，VZ0=0时，稳压管电流的交流电流分量为：输出电压的交流分量为：方法：叠加原理（教材，不推荐）方法：叠加原理（教材，不推荐）第38页/共54页稳压管的总电流为：总的输出电压为：Iz(min)=5mA=5mA Iz(max)=25mA=25mA，故稳压管可以稳压在全部独立源

24、不作用时，可求得动态输出电阻：第39页/共54页例6.5 电路如图(a)所示。已知，稳压管参数为：Vz0=6V=6V，Iz(min)=5mA=5mA，Iz(max)=25mA=25mA，rZ=30=30。试求稳压管的电流、输出电压和动态输出电阻，画出等效电路。方法：支路电流法（推荐方法：支路电流法（推荐*）变容二极管利用PN结电容效应的二极管，称为变容二极管（Varicap Diode）或调谐二极管（Tuning Diode）。第40页/共54页光电二极管光电二极管(Photodiode)是一种光探测器，能够将光转换成电流或电压。其结构与普通二极管相似，只是光电二极管的制造和封装允许光照射到P

25、N结上。无光照射时，光电二极管的伏安特性与普通二极管相同，反向饱和电流很小，称为暗电流。有光照射时，光子在PN结的耗尽区激发电子-空穴对，光电流（反向饱和电流）增加，特性曲线下移。照度愈大，光电流越大。当正向电压很小时，光电流大于PN结正向电流，光电二极管的电流为负。当正向电压较大，光电流小于PN结正向电流，光电二极管的电流为为正。第41页/共54页由于光电二极管的伏安特性明显地分布在3 3个象限，所以有3 3种工作模式。光电二极管工作在伏安特性的第3象限，吸收电功率。当光电二极管承受反向压降时，光照度越大，光电流越大，反向导电能力越强.光电导模式可以用于检测光强。.光电导模式（Photoco

26、nductive mode）第42页/共54页2.光电池模式（Photovoltaic mode）光电二极管工作在伏安特性的第4象限，发出电功率（光能转换为电能）。当光电二极管承受零偏压时，光照度越大，光电流越大，输出的功率越大，光电池模式可用作太阳能电池。第43页/共54页3.正向导通模式 光电二极管工作在伏安特性的第1象限，吸收电功率。当光电二极管的正向偏置电压较大时，PN结完全导通，与普通二极管的正向导通相似。第44页/共54页发光二极管光效率与半导体材料有关，硅和锗材料发光效率很低，而砷化镓材料的发光效率高。所以，发光二极管主要由砷化镓等化合物半导体材料制成。在正向电压作用下，P区的空

27、穴、N区的电子被驱赶到耗尽区，电子与空穴相遇复合，电子释放能量，发出光子。第45页/共54页发光二极管的颜色、导通压降和半导体材料 小功率LEDLED主要用于光纤通信和用作指示器，如数码管和LEDLED显示屏等，LEDLED的正向导通电流大约在2mA2mA20mA20mA之间。目前，高功率LEDLED的驱动电流可达数百毫安，功率消耗在1W1W左右。可用于照明，效率是白炽灯的1010倍以上，是一种极有潜力的绿色光源。第46页/共54页补充：补充：二极管电路的典型应用二极管电路的典型应用（1 1）整流电路（理想模型）整流电路（理想模型）第47页/共54页（）限幅电路（）限幅电路 例例 电路如图电路

28、如图(a)，R=1k，VREF=3V，二极管为硅二极管。，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sin t V时，绘出相应时，绘出相应的输出电压的输出电压vO的波形。的波形。（b）理想模型（c）恒压降模型（d）理想模型波形（e）恒压降模型波形第48页/共54页（）开关电路（）开关电路(接通或断开接通或断开)解：先断开解：先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位，即即O点为点为0V。则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴极的电位为极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。

29、导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。例：电路如图所示，求例：电路如图所示，求AO两点之两点之间的电压值间的电压值.第49页/共54页例 图示为二极管开关电路(门电路),利用理想模型分析当 vI1、vI2为 0V或 5V的不同组合时，输出 vo 的值。vI1 vI2 D1 D2 vo 0 0导通导通 导通导通 00 5 导通导通 截止截止05 0 截止截止 导通导通 05 5 截止截止 截止截止 5解：解：vovI1vI2D1D2VCC=5V理想模型分析理想模型分析:第50页/共54页例

30、:下图 为二极管开关电路(门电路),利用理想模型分析当 vI1、vI2为 0V或 5V的不同组合时，输出 vo 的值。vI1 vI2 D1 D2 vo 0 0导通导通 导通导通 00 5 截止截止 导通导通55 0 导通导通 截止截止 55 5 导通导通 导通导通 512VvI1vI2D1D2第51页/共54页VI因此，稳压管可以正常工作因此，稳压管可以正常工作 例 直流输入电压VI 系由汽车 上铅酸电池供电,电压在 12 13.6V之间波动。负载为一移动式 9V半导体收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为 0.5 W。稳压管的主要参数：Vz=9V，Iz=10mA 至 IZ（max）=100mA，耗散功率为 1W。限流电阻R的值为 47 。试分析此稳压电路能否正常工作。解：(1)检验稳压管的最大电流(2)检验稳压管的最大耗散功率第52页/共54页作业：6.26.46.66.86.96.15第53页/共54页感谢您的观看！第54页/共54页