《半导体二极管》课件.ppt

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1、1 1第二节第二节 半导体二极管半导体二极管第二节第二节 半导体二极管半导体二极管PNPN结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数二极管的主要参数稳压管稳压管稳压管稳压管总目录总目录下页下页2 2第二节第二节 半导体二极管半导体二极管-+-1.PN1.PN结中载流子的运动结中载流子的运动结中载流子的运动结中载流子的运动 -+-空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区内电场内电场内电场内电场U Uhoho又称耗尽层又称耗尽层又称耗尽层又称耗尽层，即即即即PNPN

2、结结结结。最终扩散最终扩散最终扩散最终扩散(diffusion)diffusion)运动运动运动运动与漂移与漂移与漂移与漂移(driftdrift)运动达到动运动达到动运动达到动运动达到动态平衡，态平衡，态平衡，态平衡，PNPN结中总电流为结中总电流为结中总电流为结中总电流为零。零。零。零。内电场内电场内电场内电场又称又称又称又称阻挡层阻挡层阻挡层阻挡层，阻止扩散，阻止扩散，阻止扩散，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。运动，却有利于漂移运动。运动，却有利于漂移运动。运动，却有利于漂移运动。硅约为（）硅约为（）硅约为（）硅约为（）V V锗约为锗约为锗约为锗约为（）（）（）（）V V一、一、PNPN

3、结及其单向导电性结及其单向导电性扩散扩散扩散扩散漂移漂移漂移漂移下页下页上页上页首页首页3 3第二节第二节 半导体二极管半导体二极管1 1、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2 2、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（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散扩散运动运动）。）。3 3、P 区中的电子和区中的电子和 N区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。，数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意注意:4 4第二节第二节 半导体二极管半导体二极管正向电流正向电流正向电

4、流正向电流外电场削弱了内电场有利于扩外电场削弱了内电场有利于扩外电场削弱了内电场有利于扩外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。散运动，不利于漂移运动。散运动，不利于漂移运动。散运动，不利于漂移运动。空间电空间电空间电空间电荷区变荷区变荷区变荷区变窄窄窄窄2.PN2.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加正向电压加正向电压加正向电压加正向电压+-U U-+-R RE E耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层内电场内电场内电场内电场U Uho ho-U U外电场外电场外电场外电场I I称为正向接法或正向偏置称为正向接法或正向偏置称为正向接法或正向偏置称为正向接法或正向偏置（简

5、称正偏）（简称正偏）（简称正偏）（简称正偏）forward biasforward biasPNPN结处于正向导通结处于正向导通结处于正向导通结处于正向导通(onon)状态，正向等效电阻较小。状态，正向等效电阻较小。状态，正向等效电阻较小。状态，正向等效电阻较小。下页下页上页上页首页首页5 5第二节第二节 半导体二极管半导体二极管+-U U-+-R RE E称为反向接法或反向偏置称为反向接法或反向偏置（简称反偏）（简称反偏）一定温度下，一定温度下，一定温度下，一定温度下，E E 超过某超过某超过某超过某一值后一值后一值后一值后 I I 饱和，称为反饱和，称为反饱和，称为反饱和，称为反向饱和电流

6、向饱和电流向饱和电流向饱和电流 I IS S 。结论：结论：结论：结论：PNPN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。结具有单向导电性：正向导通，反向截止。结具有单向导电性：正向导通，反向截止。结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场内电场内电场内电场 外电场外电场外电场外电场U Uho ho+U U 空间电荷区空间电荷区空间电荷区空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂外电场增强了内电场有利于漂外电场增强了内电场有利于漂外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。移运动，不利于扩散运动。移运动，不利于扩散运动。移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，反向电流非常小，PN结处于截止结处于

7、截止(cut-off)状态。状态。加反向电压加反向电压I I反向反向反向反向电流电流电流电流IS 对温度十分敏感。对温度十分敏感。下页下页上页上页首页首页动画动画6 6第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 PN结加正向电压时，呈现低电阻，结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单结具有单向导电性。向导电性。7 7第二节第二节 半导体二极管半导体二极管二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性阳极从阳极从P区

8、引出，阴极从区引出，阴极从N区引出。区引出。1.二极管的类型二极管的类型从材料分：从材料分：硅二极管和锗二极管。硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：从管子的结构分：对应对应对应对应N N区区区区对应对应对应对应P P区区区区点接触型二极管，点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。工作，可用于整流。开关型二极管，开关型二极管，在数字电路中作为开关管。在数字电路中作为开关管。二极管的符号阳极阳极阳极阳极

9、anodeanode阴极阴极阴极阴极cathodecathode下页下页上页上页首页首页8 8第二节第二节 半导体二极管半导体二极管303020201010I I/mA/mAU UD D/V/V0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 20 1020 102 24 4-I I/O O正向特性正向特性正向特性正向特性死区死区死区死区电压电压电压电压I Is sU UBRBR反向特性反向特性反向特性反向特性+-U UD DI I2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性下页下页上页上页首页首页动画动画动画动画9 9第二节第二节 半导体二极管半导体二极管当正向电压

10、超过死区电压后，当正向电压超过死区电压后，二极管导通二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为左右硅二极管为左右硅二极管为左右硅二极管为左右锗二极管为左右锗二极管为左右锗二极管为左右锗二极管为左右死区死区死区死区电压电压电压电压正向特性正向特性正向特性正向特性0.5 1.0 1.50.5 1.0 1.5101020203030U U/V/VI I/mA/mAO O 二极管正向特性曲线硅二极管为左右硅二极管为左右硅二极管为左右硅二极管为左右锗二极管为左右锗二极管为左右锗二极管为左右锗二极管为左右死区电压：死区电压：导通压降：导通压降：正向特性正向特性正向特性正

11、向特性下页下页上页上页首页首页1010第二节第二节 半导体二极管半导体二极管反偏时，反向电流值很小，反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电阻很大，反向电压超过反向电压超过UBR则被击穿。则被击穿。I IS S反向特性反向特性反向特性反向特性U UBRBR结论：结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：二极管方程：反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压若若若若|U U|U UT T则则则则 I I -I IS S 式中：式中：IS为反向饱和电流为反向饱和电流 UT 是温度电

12、压当量，是温度电压当量，常温下常温下UT近似为近似为26mV。反向特性反向特性反向特性反向特性2 24 4-I I/A AI I/mA/mAU U/V/V20 1020 10O O若若若若U U U UT T 则则则则下页下页上页上页首页首页1111第二节第二节 半导体二极管半导体二极管三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流 IF指二极管长期运行时，指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。的数值是由二极管允许的温升所限定。最高反向工作电压最高反向工作电压 UR工作时加在二极管两端的反向

13、电压不得超过此值，工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为的一半定为UR。下页下页上页上页首页首页1212第二节第二节 半导体二极管半导体二极管室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。流过管子的反向电流。通常希望通常希望IR值愈小愈好。值愈小愈好。IR受温度的影响很大。受温度的影响很大。最高工作频率最高工作频率 fM值主要决定于结结电容的大小。值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作

14、频率愈低。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。下页下页上页上页 反向电流反向电流 IR首页首页1313第二节第二节 半导体二极管半导体二极管二极管除了具有单向导电性以外，二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。还具有一定的电容效应。势垒电容势垒电容 Cb由由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。反向偏置时起主要作用。扩散电容扩散电容 Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。正向偏置时起主要作用。下页下页上页上页首页首页1414第二节第二节 半导体二极管半导体二极管

15、例例例例1.2.11.2.1已知已知已知已知U Ui i=U Ummsin sin t t，画出画出画出画出u uo o和和和和u uD D的波形的波形的波形的波形VDVDR R+-+-u ui iu uo o+-u uD Di io oU Umm t tu uo oo o t tu uD Do ou ui i 0 0 时二极管导通，时二极管导通，时二极管导通，时二极管导通，u uo o=u ui i u uD D =0 0u ui i 0 0 时二极管截止，时二极管截止，时二极管截止，时二极管截止，u uD D =u ui i u uo o=0 0-U Ummi io oU Umm t tu

16、 ui io o下页下页上页上页首页首页1515第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 补充充 二极管的等效二极管的等效电路路 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1616第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 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围内时，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成一个微变电阻。其正向特性可以等效成一个微变电阻。即即根据根据得得Q点处的微变电导点处的微变电导则则常温下（常温下（T=300K）Q?1717第二节第二节 半导体二极管半导体二极管叠加！1818第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 例例

17、例例1.2.2 1.2.2 二极管可用作开关二极管可用作开关二极管可用作开关二极管可用作开关E EVDVDE ES SE EVDVDE ES S正向偏置，相当于开关闭合。正向偏置，相当于开关闭合。正向偏置，相当于开关闭合。正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。下页下页上页上页首页首页1919第二节第二节 半导体二极管半导体二极管四、稳压管四、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；采用特殊工艺，击穿状态不致损坏

18、；2.击穿是可逆的。击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：符号及特性曲线如下图所示：U U I I+-I IU UO 稳压管的伏安特性和符号 U U I I值很小值很小值很小值很小有稳压特性有稳压特性有稳压特性有稳压特性阴极阴极阴极阴极阳极阳极阳极阳极下页下页上页上页首页首页2020第二节第二节 半导体二极管半导体二极管1.稳定电压稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流稳定电流Iz，稳压管正常工作时的参考电流。，稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻动态内阻rz，稳压管两端电压和电流的变化量之比。，稳压管两端电压和电流的变化量之

19、比。rz=U/I4.电压的温度系数电压的温度系数U，稳压管电流不变时，稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗额定功耗Pz，电流流过稳压管时消耗的功率。，电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：主要参数：主要参数：主要参数：下页下页上页上页首页首页2121第二节第二节 半导体二极管半导体二极管使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：U Uo oR RL LVDVDZ ZR RU Ui iI IR RI Io oI IZ Z+-稳压管电路1.稳压管必须工作在稳压管必须工作在反向击穿区，反向击穿区，2.稳压管应与负载稳压管应与

20、负载RL并联，并联，3.必须限制流过稳压必须限制流过稳压管的电流管的电流IZ，下页下页上页上页首页首页2222第二节第二节 半导体二极管半导体二极管例例1.2.3 电路如图所示，已知电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1k，RLmin=600UZ=6V,对应对应UZ。求求rZ，选择限流电阻选择限流电阻R。下页下页上页上页首页首页U Uo oR RL LVDVDZ ZR RU Ui iI IR RI Io oI IZ Z+-+-U UZ Z2323第二节第二节 半导体二极管半导体二极管解：解：解：解：I IZ Z=I IR

21、 R -I Io o=U UI I -U UZ ZR R-U UZ ZR RL LI IZmax Zmax U UImax Imax -U UZ ZR R-U UZ ZR RLmaxLmaxI IZminZmin U UImin Imin -U UZ ZR R-U UZ ZR RLminLminr rZ Z =I IZ Z U UZ Z=1515 -6 65050 +6 61 1=160160 R R R R1010 -6 65 5 +6 60.60.6=267267 I IZ Z=I IZmaxZmax-I IZminZmin=45mA45mA下页下页上页上页首页首页U Uo oR RL L

22、VDVDZ ZR RU Ui iI IR RI Io oI IZ Z+-+-U UZ Z2424第二节第二节 半导体二极管半导体二极管+-VDVD1 1VDVD2 2U U+-U U+-U U+-U UVDVD1 1VDVD2 2VDVD1 1VDVD2 2VDVD1 1VDVD2 2例例1.2.4 有两个稳压管有两个稳压管 VD1 和和 VD2，它们的稳压值，它们的稳压值为为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为正向导通压降均为 UD=V，将它们串联可得到几种稳压值。，将它们串联可得到几种稳压值。U U=U UD D+U UD DU U=U UZ1Z1+U UD DU U=U UZ1Z1+U UZ2Z2 =14V =14VU U=U UD D+U UZ2Z2下页下页上页上页首页首页2525第二节第二节 半导体二极管半导体二极管上页上页首页首页课堂练习课堂练习课堂练习课堂练习