模拟电子技术基础第03章 半导体二极管及基本电路.ppt

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1、湖南科技大学信息与电气工程学院湖南科技大学信息与电气工程学院第三章第三章 半导体二极管及基本电路 1 物质的导电性能分类物质的导电性能分类导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属一般都是导体。一般都是导体。电阻率小于电阻率小于10-4 cm 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡皮，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。、陶瓷、塑料和石英。电阻率大于电阻率大于109cm半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和，如

2、锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。一些硫化物、氧化物等。电阻率电阻率10-4 cm-109cm 一、一、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体23.1 半导体基础知识半导体基础知识（一）本征半导体：（一）本征半导体：纯净的具有晶体结构的纯净的具有晶体结构的鍺、硅、硒鍺、硅、硒半导体的导电特性：半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性掺杂性：纯净的半导体中掺入微量某些杂质，导电纯净的半导体中掺入微量某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变(可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管等）。体器件，如二极管、三极

3、管等）。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 (可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等)。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3 3晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子半导体的结构：半导体的结构：4 4 Si Si Si Si价电子价电子 价电子在获得一定价电子在获得一定能量（温度

4、升高或受光照）后，能量（温度升高或受光照）后，挣脱原子核的束缚，成为挣脱原子核的束缚，成为自由自由电子电子（带负电），同时共价键（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为中留下一个空位，称为空穴空穴（带正电）。（带正电）。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征激发：本征激发：空穴空穴 温度愈高，晶体中产生温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。的自由电子、空穴愈多。自由电子自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当

5、于正电荷的移动）。当于正电荷的移动）。5 5结论：结论：(1)半导体有半导体有两种载流子两种载流子（负）电子、（正）空穴（负）电子、（正）空穴(2)自由电子和自由电子和空穴成对地产生，同时又不断复合。空穴成对地产生，同时又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。半导体中载流子便维持一定的数目。(3)载流子的数量少，故导电性能很差。载流子的数量少，故导电性能很差。(4)载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半

6、导体器件性能影响很大。(5)当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动 （漂移运动），在半导体中将出现两部分电流（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流 自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流6 6 Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子接受一个接受一个接受一个接受一个电子变为电子变为电子变为电子变为负离子负离子负离子负离子空穴空穴（二）杂质半导体：

7、（二）杂质半导体：掺入少量杂质的半导体掺入少量杂质的半导体下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回7 7下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回(1)N 型半导体（电子型半导体）型半导体（电子型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的形成：向本征半导体中掺入少量的 5 价元素价元素特点：特点：（a）含有）含有大量的电子大量的电子多多数载流数载流子子 （b）含有）含有少量的空穴少量的空穴少少数载流数载流子子无论无论N型或型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。(2)P 型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的形成：

8、向本征半导体中掺入少量的 3 价元素价元素特点：特点：（a）含有）含有大量的空穴大量的空穴多多数载流数载流子子 （b）含有）含有少量的电子少量的电子少少数载流数载流子子8 8（三）（三）PN 结结 (1)PN 结的形成结的形成flash1多数载流子的浓度差多数载流子的浓度差多数载流子扩散多数载流子扩散空间电荷区空间电荷区少数载流子漂移少数载流子漂移扩散扩散=漂移漂移稳定的空间电荷区稳定的空间电荷区即即PN 结结或耗尽层或耗尽层下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回内电场内电场半导体器件的基础半导体器件的基础9 9(2)PN 结的特性结的特性 （a）PN 结外加正向电压结外加正向电压PN

9、 结正偏结正偏PN 结正向导通结正向导通外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反利于扩散利于扩散扩散扩散 漂移漂移PN 结变窄结变窄外部电源不断提供电荷外部电源不断提供电荷产生较大的扩散电流产生较大的扩散电流 I正正下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回 1010（b）PN 结外加反向电压结外加反向电压PN 结反偏结反偏PN 结反向截止结反向截止外电场与内电场方向相同外电场与内电场方向相同利于漂移利于漂移漂移漂移 扩散扩散PN 结变厚结变厚外部电源不断提供电荷外部电源不断提供电荷产生较小的反向电流产生较小的反向电流 I反反 下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回1111 结

10、论：结论：加正向电压加正向电压导通导通加反向电压加反向电压截止截止单方向导电性单方向导电性下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回 12123.2 半导体二极管半导体二极管（一）基本结构（一）基本结构按材料分按材料分硅管硅管锗管锗管按按PN结分结分点接触型点接触型面接触型面接触型按用途分按用途分普通管普通管整流管整流管PN阳极阳极阴极阴极下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节两层半导体两层半导体一个一个PN结结1313点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝N N 型锗片型锗片外壳外壳负极负极引线引线负极引线负极引线 面接触型面接触型N型锗型锗PN PN 结结 正极引

11、线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金金锑锑合金合金正极正极引线引线负极负极引线引线集成电路中平面型集成电路中平面型PNP P 型支持衬底型支持衬底14半导体二极管的型号半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2 A P 9 用数字代表同类型器件的不同型号用数字代表同类型器件的不同型号 用字母代表器件的类型，用字母代表器件的类型，P P代表普通管代表普通管 用字母代表器件的材料，用字母代表器件的材料，A A代表代表N N型型GeGe B B代表代表P P型型GeGe，C C代表代表N N型型SiSi，D D代表代表P P型型SiSi

12、 2 2代表二极管，代表二极管，3 3代表三极管代表三极管15163.2.2 3.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一、PN PN 结的伏安方程结的伏安方程反向饱和电流反向饱和电流10-8-10-14A温度的温度的电压当量电压当量电子电量电子电量玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K当当 T T=300=300(2727 C C)：UT =26 mV17二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区死区电压电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth UD(on)=

13、(0.6 0.8)V硅管硅管 0.7 V(0.2 0.4)V锗管锗管 0.3 V反向特性反向特性ISU(BR)反反向向击击穿穿U(BR)U 0 iD=IS U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)18反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(ZenerZener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V 6 V 6 V，正正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。19（二）伏安特性：（二）伏安特性

14、：二极管电流与电压之间的关系二极管电流与电压之间的关系UIOUDUIOUIOAABB硅硅锗锗正向：死区（正向：死区（OA 段）段）:硅管约硅管约 0.5 V，锗管约锗管约 0.2 V；正向导通区正向导通区:硅管硅管 约约 0.7 V，锗管约，锗管约0.3 V温度增加，曲温度增加，曲线左移线左移反向：截止区（反向：截止区（OB 段）段）:I 近似为近似为 0；击穿区击穿区:管子被击穿管子被击穿半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性(a)近似特性近似特性 (b)理想特性理想特性温度增加，曲温度增加，曲线下移线下移下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节2020（c c）折线

15、近似模型折线近似模型u uD Di iD DU UD(on)D(on)U UI I斜率斜率1/1/r rD Dr rD DU UD(on)D(on)21温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响606040402020 0.02 0.020 00.40.425255050i iD D /mAmAu uD D/V/V2020 C C9090 C CT T 升高时升高时，U UD(on)D(on)以以 (2 2 2.5)mV/2.5)mV/C C 下降下降223.2.3 3.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.1.I IF F 最大整流电流最大整流电流(最大正向最大正向平均平均电流电流)

16、2 2.U URM RM 最高反向工作电压最高反向工作电压，为为 U U(BR)(BR)/2/2 3 3.I IR R 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好)4 4.f fM M 最高工作频率最高工作频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)i iD Du uD DU U(BR)(BR)I I F FU URMRMO O23影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1.1.低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对 PN PN 结影响很小。结影响很小。高频高频时，因容抗增大，使时，因容抗增大，使结电容分流结电容分流，导

17、致导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2.2.结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。24二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小

18、。3.3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。去单向导电性。4.4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。向电流愈大。下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节2525二极管电路分析：先二极管电路分析：先判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0 0.60.7V锗锗0.20.3V若若 V阳阳 V阴阴或或 UD为正，二极管导通为正，二极管导通若若 V阳阳 UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压

19、源 PN29UO=VDD1 UD(on)=15 0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3 =4.8(mA)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1 =2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)30 +aTrDuou2bRLio+u1uDO分析输出电压和二极管上电压的波形。分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。假设二极管为理想二极管。u2 正半周，正半周，VaVb，D导通，导通，uo=u2；u2 负半周，负半周，VaV阴阴 二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，否则，UA

20、B低于低于6V一个管压降一个管压降，为为6.3或或6.7V例例4：取取 B 点作参考点，断点作参考点，断开二极管，分析二极管开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。阳极和阴极的电位。二极管起钳位作用二极管起钳位作用 D6V12V3k BAUAB+下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节3232两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 B 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管，分析二极管阳极和阴极的电位。的电位。V1阳阳=6 V，V2阳阳=0 V，V1阴阴=V2阴阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通优先

21、导通，钳位，使钳位，使 D1截止截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V例例5:流过流过 D2 的电流为的电流为求求：UABD2 起钳位作用起钳位作用，D1起隔离作用起隔离作用。BD16V12V3k AD2UAB+下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节3333例例6:+6VRDAVAVBVYDB当当VA=3V，VB=0V时，分析输出端的电位时，分析输出端的电位VY。理想二极管：理想二极管：VY=VB=0V UDB UDA DB 优先导通优先导通，DA截止截止。锗二极管：锗二极管：VY=VB+UD=0.3V 硅二极管：硅二极管：VY

22、=VB+UD=0.7V-6VRDAVAVBVYDB UDA UDB DA 优先导通优先导通，DB截止截止。理想二极管：理想二极管：VY=VA=3V 锗二极管：锗二极管：VY=VA-UD=2.7V 硅二极管：硅二极管：VY=VA-UD=2.3V下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节3434ui 8V，二极管导通，可看作短路二极管导通，可看作短路 uo=8V ui UZ，DZ 反向击穿，反向击穿，uO=5V当当ui UZ，DZ 反向截止，反向截止，uO=uiui负半周，负半周，DZ 正向导通，正向导通，uO=0V5V上一页上一页下一页下一页返返 回回下一节下一节上一节上一节38

23、38（二）光电二极管（二）光电二极管 光电二极管工作于反向偏置状态。无光照时电路光电二极管工作于反向偏置状态。无光照时电路中电流很小，有光照时电流会急剧增加。中电流很小，有光照时电流会急剧增加。光电二极管电路光电二极管电路 发光二极管电路发光二极管电路（三）发光二极管（三）发光二极管 发光二极管工作于正向偏置状态。正向电流通过发光二极管工作于正向偏置状态。正向电流通过发光二极管时，它会发出光来，正向工作电压一般不发光二极管时，它会发出光来，正向工作电压一般不超过超过 2 V，正向电流为，正向电流为10 mA左右。发光二极管常用于左右。发光二极管常用于数字仪表和音响设备中的显示器。冷光源。数字仪表和音响设备中的显示器。冷光源。上一页上一页下一页下一页返返 回回下一节下一节上一节上一节3939（四）光电耦合器（四）光电耦合器 又称光电隔离器。是发光器件和受光器件的组合体。又称光电隔离器。是发光器件和受光器件的组合体。输输入入电电路路输输出出电电路路 输入和输出电路之间没有电的直接联系，实现输入和输出电路之间没有电的直接联系，实现电路之间的电气隔离，具有良好的抗干扰性。电路之间的电气隔离，具有良好的抗干扰性。上一页上一页下一页下一页返返 回回下一节下一节上一节上一节4040