第11讲半导体二极管精选文档.ppt

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1、第11讲半导体二极管本讲稿第一页，共二十五页.本章要求本章要求.1 1.理解理解PNPN结的单向导电性结的单向导电性，三极管的电流分配和三极管的电流分配和电流放大作用电流放大作用；2 2.了解二极管、了解二极管、稳压管稳压管和三极管的工作原理和特性曲线，和三极管的工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；理解主要参数的意义；3 3.会分析二极管和三极管的电路。会分析二极管和三极管的电路。本讲稿第二页，共二十五页单晶硅单晶硅(Si)的原子结构平面示意图的原子结构平面示意图 Si Si Si Si Si Si Si Si Si共价键共价键价电子价电子1.常用的半导体材料常用的半导体材料Jons Ja

2、kob Berzelius-瑞典瑞典,1823、C1emens Alexander Winkler-德国，德国，1886硅硅 Si(Silicon)和锗和锗 Ge(Germanium)均为四价元素，原子最外层有均为四价元素，原子最外层有4个价电子。个价电子。2.本征半导体定义：本征半导体定义：高度纯净高度纯净、具有、具有完整晶格完整晶格的半导体称为本征半导体。的半导体称为本征半导体。一、半导体的基本知识一、半导体的基本知识本讲稿第三页，共二十五页3.本征半导体的物理性能本征半导体的物理性能 Si Si Si Si Si Si Si Si Si温度温度(T)(T)一定时，一定时，载流子载流子数量

3、一定。当数量一定。当tt时，时，载流子载流子数量数量。价电子依次填补空穴，形成电价电子依次填补空穴，形成电子电流和空穴电流。子电流和空穴电流。在室温下受热激发时，产生在室温下受热激发时，产生电子空电子空穴对穴对；在绝对零度在绝对零度(T=0K)时不导电，相当于时不导电，相当于绝缘体；绝缘体；半导体中有两种载流子：半导体中有两种载流子：自由电子自由电子和和空穴，空穴，这就是半导体导电的重要物质基础。这就是半导体导电的重要物质基础。自由电子自由电子空穴空穴 半导体的导电性能受温度影响很大。半导体的导电性能受温度影响很大。本讲稿第四页，共二十五页 4.4.半导体的导电特性：半导体的导电特性：(可做成

4、温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。3)3)掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种半导体器件：如二极管、三极管和晶闸管等）。可做成各种半导体器件：如二极管、三极管和晶闸管等）。2)2)光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等可做成各种光敏元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。1)1)热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强本讲稿第五页，共二十五页 Si

5、Si Si Si Si Si Si Si Si共价键共价键5.掺杂掺杂(杂质杂质)半导体半导体掺入微量的掺入微量的掺入微量的掺入微量的五价元素五价元素五价元素五价元素：磷磷磷磷P(P(P(P(或锑或锑或锑或锑)1)N型半导体型半导体:多数载流子为电子多数载流子为电子，少数载流子为空穴。少数载流子为空穴。在在室室温温下下就就可可以以激发成自由电子激发成自由电子本讲稿第六页，共二十五页 Si Si Si Si Si Si Si Si Si共价键共价键掺入微量的三价元素：掺入微量的三价元素：掺入微量的三价元素：掺入微量的三价元素：硼硼硼硼B(B(B(B(或铝或铝或铝或铝)2)P型半导体型半导体:受主

6、原子受主原子空位吸引邻近空位吸引邻近原子的价电子原子的价电子填充。填充。多数载流子为空穴多数载流子为空穴，少数载流子为电子。少数载流子为电子。本讲稿第七页，共二十五页6.6.小小结结：1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。其中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。3)杂质半导体中，杂质浓度决定多子的数量，环境温度决定少子的数量。提示：提示：N N型、型、P P型掺杂半导体，对外均呈电中性。型掺杂半导体，对外均呈电中性。本讲稿第八

7、页，共二十五页7.7.PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动多子浓度差异多子浓度差异P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄。移使空间电荷区变窄。扩散越强，扩散越强，空间电荷区越宽。空间电荷区越宽。最后最后扩散运动和漂移运扩散运动和漂移运动动达到动态平衡时，便达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区，形成稳定的空间电荷区，即即PN PN 结。结。+形成空间电荷区形成空间电荷区本讲稿第九页，共二十五页8.

8、PN8.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 1)PN 1)PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P P接正极、接正极、接正极、接正极、N N接负极接负极接负极接负极 外电场外电场IF内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强，最后形的扩散加强，最后形的扩散加强，最后形的扩散加强，最后形成较大的成较大的成较大的成较大的扩散电流扩散电流扩散电流扩散电流IF 。PN PN 结外加正向电压时，结外加正向电压时，结外加正向电压时，结外加正向电压时，PN结变

9、窄，有较大的正向扩散电流结变窄，有较大的正向扩散电流，PN PN 结呈现结呈现结呈现结呈现低低低低阻性，即阻性，即阻性，即阻性，即 PN PN 结外加正向电压结外加正向电压结外加正向电压结外加正向电压导通导通导通导通。内电场内电场PN+本讲稿第十页，共二十五页 2)PN 2)PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 P P接负极、接负极、接负极、接负极、N N接正接正接正接正 极极极极内电场内电场内电场内电场P PN N+本讲稿第十一页，共二十五页PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽外电场外电场外电场外电场内

10、电场被加强，少子的内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子浓漂移加强，由于少子浓度很低，形成很小的度很低，形成很小的反反向电流向电流IR IR反向电流受温度影响较大，温度反向电流受温度影响较大，温度反向电流受温度影响较大，温度反向电流受温度影响较大，温度，反向电流，反向电流，反向电流，反向电流 。+PN PN 结外加反向电压时，结外加反向电压时，结外加反向电压时，结外加反向电压时，PNPN结变宽，只有微弱的反向漂移电流，结变宽，只有微弱的反向漂移电流，结变宽，只有微弱的反向漂移电流，结变宽，只有微弱的反向漂移电流，PNPN结呈结呈结呈结呈高高高高阻性，即阻性，即阻性，即阻性，即PN PN 结外加

11、反向电压结外加反向电压结外加反向电压结外加反向电压截止截止截止截止。内电场内电场内电场内电场P PN N+综上所述，综上所述，PN 结具有单向导电特性结具有单向导电特性。反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流反向饱和电流I IS S本讲稿第十二页，共二十五页金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型1 1、基本结构、基本结构、基本结构、基本结构阴极阴极阳极阳极 D二、半导体二极管二、半导体二极管按材料分：硅按材料分：硅按材料分：

12、硅按材料分：硅(Si)(Si)管和锗管和锗管和锗管和锗(Ge)(Ge)管；管；管；管；按工艺分：点接触型和面接触型；按工艺分：点接触型和面接触型；按工艺分：点接触型和面接触型；按工艺分：点接触型和面接触型；符号：符号：符号：符号：(Diode)(Diode)(Diode)(Diode)阳极阳极阴极阴极管壳管壳按用途分：整流管、稳压管、按用途分：整流管、稳压管、按用途分：整流管、稳压管、按用途分：整流管、稳压管、开关管等。开关管等。开关管等。开关管等。PN型号：型号：型号：型号：2AP152AP152AP152AP15二极管二极管二极管二极管C:NC:N型型型型SiSi材料材料材料材料极性极性极

13、性极性A A:N:N型型型型GeGeB:PB:P型型型型GeGeD:PD:P型型型型SiSi类型类型类型类型P P:普通管普通管普通管普通管Z:Z:整流管整流管整流管整流管 K:K:开关管开关管开关管开关管 W:W:稳压管稳压管稳压管稳压管序号序号序号序号例如例如2CZ10,2CW182CZ10,2CW18等。等。本讲稿第十三页，共二十五页2 2、伏安特性、伏安特性、伏安特性、伏安特性反向击穿反向击穿反向击穿反向击穿电压电压电压电压U UBB导通管压降导通管压降导通管压降导通管压降U U U UD D D DUI死区电压死区电压死区电压死区电压U UT TPN+PN+另外另外另外另外,伏安特性

14、与温度伏安特性与温度伏安特性与温度伏安特性与温度T T有关，当有关，当有关，当有关，当T T时时时时,U UT T,U UB B,I IR R。iD=0UT=0.5 V (硅管硅管)0.1 V (锗管锗管)U UTiD 急剧上升急剧上升0 U UT UD=0.7 V (硅管硅管)0.3 V (锗管锗管)U UB反向电流急剧增大反向电流急剧增大二极管被二极管被反向击穿反向击穿正向特性：正向特性：正向特性：正向特性：反向特性反向特性反向特性反向特性：本讲稿第十四页，共二十五页3、主要特性：、主要特性：单向导电特性单向导电特性 1)1)二极管加二极管加二极管加二极管加正向电压正向电压正向电压正向电压

15、（正向偏置，阳极接正、阴极接负（正向偏置，阳极接正、阴极接负（正向偏置，阳极接正、阴极接负（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）大于死区电压时，大于死区电压时，大于死区电压时，大于死区电压时，二极管处于二极管处于二极管处于二极管处于导通导通导通导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。导通时管导通时管导通时管导通时管压降：压降：压降：压降：硅硅硅硅0.7V0.7V；锗锗锗锗0.3V0.3V 2)2)二极管加二极管加二极管加二极管加反向电压反向电压反向电压反向电压（反向偏置，阳极

16、接负、阴极接正（反向偏置，阳极接负、阴极接正（反向偏置，阳极接负、阴极接正（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时，）时，）时，）时，二极管处于二极管处于二极管处于二极管处于截止截止截止截止状态，二状态，二状态，二状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。极管反向电阻较大，反向电流很小。极管反向电阻较大，反向电流很小。极管反向电阻较大，反向电流很小。当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。单向导电性。单向导电性。单向导电性。本讲稿第十五页

17、，共二十五页3 3、主要参数、主要参数、主要参数、主要参数1)1)最大整流电流（额定正向平均电流）最大整流电流（额定正向平均电流）最大整流电流（额定正向平均电流）最大整流电流（额定正向平均电流）I IF F二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2)2)正向电压降正向电压降正向电压降正向电压降U UF F二极管的电流为额定正向平均电流时，二极管两端电压。二极管的电流为额定正向平均电流时，二极管两端电压。二极管的电流为额定正向平均

18、电流时，二极管两端电压。二极管的电流为额定正向平均电流时，二极管两端电压。4)4)最大反向电流最大反向电流最大反向电流最大反向电流I IRMRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。3)3)最高反向工作电压最高反向工作电压最高反向工作电压最高反向工作电压U URMRM保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，保证二

19、极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，一般为反向击穿电压一般为反向击穿电压一般为反向击穿电压一般为反向击穿电压U UB B的一半或三分之二。的一半或三分之二。的一半或三分之二。的一半或三分之二。本讲稿第十六页，共二十五页 4 4、二极管的应用、二极管的应用、二极管的应用、二极管的应用 二极管正向压降二极管正向压降二极管正向压降二极管正向压降:硅硅硅硅0 0.60.8V.60.8V锗锗锗锗0 0.2.20.3V0.3V若忽略管压降，则为理想二极管若忽略管压降，则为理想二极管若忽略管压降，则为理想二极管若忽略管

20、压降，则为理想二极管:正向导通时，二极管相当于短路正向导通时，二极管相当于短路正向导通时，二极管相当于短路正向导通时，二极管相当于短路;反向截止时，二极管相当于开路。反向截止时，二极管相当于开路。反向截止时，二极管相当于开路。反向截止时，二极管相当于开路。广泛地应用于广泛地应用于广泛地应用于广泛地应用于整流整流整流整流、检波、检波、检波、检波、限幅限幅限幅限幅与削波、与削波、与削波、与削波、钳位钳位钳位钳位与隔离、元件保护以及与隔离、元件保护以及与隔离、元件保护以及与隔离、元件保护以及开关电路开关电路开关电路开关电路中。中。中。中。开关特性开关特性开关特性开关特性问题：如何判断二极管是导通还是

21、截止？问题：如何判断二极管是导通还是截止？问题：如何判断二极管是导通还是截止？问题：如何判断二极管是导通还是截止？分析方法：分析方法：分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。的正负。的正负。理想二极管：理想二极管：理想二极管：理想二极管：若若若若V V阳阳阳阳VV阴阴阴阴或或或或U UD D00（正向偏置），二极（正向偏置），二极（正向偏置），二极（正向偏置），二极管导通；管导通；管导通；管导通；

22、若若若若V V阳阳阳阳VV阴阴阴阴或或或或U UD D0VV阴阴阴阴 ，二极管导通。二极管导通。二极管导通。二极管导通。若考虑管压降，若考虑管压降，若考虑管压降，若考虑管压降，则二极管为则二极管为则二极管为则二极管为GeGe管时管时管时管时,U UABAB为为为为6.36.3；二极管为二极管为二极管为二极管为Si Si 管时管时管时管时,U UABAB为为为为6.7V 6.7V。解：解：D6V12V3k BAUAB+(a)本讲稿第十八页，共二十五页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(即共阴极即共阴极即共阴极即共阴极)，此时阳极与阴极

23、，此时阳极与阴极，此时阳极与阴极，此时阳极与阴极电位差大者，电位差大者，电位差大者，电位差大者，优先导通优先导通优先导通优先导通。(b)在这里，在这里，在这里，在这里，D D2 2 起起起起钳位钳位钳位钳位作用，作用，作用，作用，D D1 1起起起起隔离隔离隔离隔离作用。作用。作用。作用。BD16V12V3k AD2UAB+解：解：D2 优先导通优先导通电压电压UAB=0 V设设设设B B点为电位参考点，则点为电位参考点，则点为电位参考点，则点为电位参考点，则电位电位电位电位V V1 1阳阳阳阳 =6 V6 V，V V2 2阳阳阳阳=0 V=0 V，V V1 1阴阴阴阴 =V V2 2阴阴阴阴

24、=12 V12 V阳极与阴极的电位差阳极与阴极的电位差阳极与阴极的电位差阳极与阴极的电位差U UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V=12VD2导通后导通后,V1阴阴=0 V,D1承受反向电压承受反向电压，D1截止。截止。二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。本讲稿第十九页，共二十五页u ui i 8V 8V

25、时，二极管导通，时，二极管导通，时，二极管导通，时，二极管导通，D D可看作短路可看作短路可看作短路可看作短路 u uo o=8V=8Vu ui i 8V 8V时，二极管截止，时，二极管截止，时，二极管截止，时，二极管截止，D D可看作开路可看作开路可看作开路可看作开路 u uo o=u ui i已知：已知：已知：已知：二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 u u u uo o o o 波形。波形。波形。波形。8V8V例例例例2 2：ui18V18V二极管阴极电位为二极管阴极电位为二极管阴极电位为二极管阴极电位为 8 V8 VD D8V8VR

26、 Ru uo ou ui i+D D 起限幅起限幅起限幅起限幅(或削波或削波或削波或削波)作用。作用。作用。作用。若若若若D D反向放置反向放置反向放置反向放置,u uo o 波形如何？波形如何？波形如何？波形如何？若若若若R R与与与与D D对调对调对调对调,u uo o 波形又如何？波形又如何？波形又如何？波形又如何？本讲稿第二十页，共二十五页反向特性反向特性反向特性反向特性曲线很陡曲线很陡曲线很陡曲线很陡三、稳压管与其它二极管三、稳压管与其它二极管 IZ2.2.伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性稳压管正常工作时加反向电压。稳压管正常工作时加反向电压。稳压管正常工作时加反向电压。稳压管正常工

27、作时加反向电压。使用时需加限流电阻使用时需加限流电阻使用时需加限流电阻使用时需加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中实现稳压作用。性，稳压管在电路中实现稳压作用。IZIZM_+阴极阴极阳极阳极 1.1.1.1.符号符号符号符号 UZUZUIO+DZ DZ 正向特性与正向特性与正向特性与正向特性与普通二极管相同普通二极管相同普通二极管相同普通二极管相同本讲稿第二十一页，共二十五页3.3.主要参数主要参数主要参数主要参数1)1)稳定电压稳定电压UZ 稳压管正常工作稳压管正常工作(反向击

28、穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。3)3)动态电阻动态电阻2)2)稳定电流稳定电流 IZ、最大稳定电流、最大稳定电流 IZM4)4)最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM=UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。UZ IZIZIZMUI UZ本讲稿第二十二页，共二十五页4.4.其它类型二极管其它类型二极管1 1）发光二极管）发光二极管发光二极管具有单向导电性。当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，正向电流愈大，发光愈强。本讲稿第二十三页，共二十五页2 2）光电二极管）光电二极管光电二极管是远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件。光电二极管的工作原理：它是利用PN结外加反向电压时，在光线照射下，改变反向电流和反向电阻，当没有光照射时，反向电流很小，反向电阻很大；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流加大。本讲稿第二十四页，共二十五页谢谢观看！本讲稿第二十五页，共二十五页