半导体二极管及其基本电路PPT讲稿.ppt

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1、半导体二极管及其基本电路第1页，共67页，编辑于2022年，星期五1.1半导体的基半导体的基础知识础知识1.1.1本征半导体本征半导体1.1.2杂质半导体杂质半导体1.1.3PN结及其特性结及其特性第2页，共67页，编辑于2022年，星期五半导体的特点半导体的特点1.热敏性：热敏性：半导体的导电能力与温度有关利用该半导体的导电能力与温度有关利用该特性可做成热敏电阻特性可做成热敏电阻2.光敏性：光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关系利半导体的导电能力与光的照射有关系利用该特性可做成光敏电阻用该特性可做成光敏电阻3.掺杂性：掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导电掺如有用的杂质可以改变半导体的

2、导电能力利用该特性可做成半导体器件能力利用该特性可做成半导体器件第3页，共67页，编辑于2022年，星期五1.1.1本征半导体本征半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。第4页，共67页，编辑于2022年，星期五硅硅(锗锗)的原子结构的原子结构简化简化模型模型惯性核惯性核价电子价电子(束缚电子束缚电子)1、半导体的原子结构、半导体的原子结构第5页，共67页，编辑于2022年，星期五2、本征半导体的晶体结构、本征半导体的晶体结构硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构

3、共价键共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。第6页，共67页，编辑于2022年，星期五3、本征半导体的导电情况、本征半导体的导电情况自自由由电电子子空空穴穴空穴空穴空穴可在共空穴可在共价键内移动价键内移动当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位子，并在共价键中留下一个空位(空穴空穴)第7页，共67页，编辑于2022年，星期五本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复复复合：合：合：

4、合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成成对对消失的过程。消失的过程。漂漂漂漂移：移：移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。载流子载流子载流子载流子：自由运动的自由运动的带电粒子带电粒子第8页，共67页，编辑于2022年，星期五两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由

5、电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。第9页，共67页，编辑于2022年，星期五1.1.2杂质半导体杂质半导体一、一、N型半导体型半导体N型型+5+4+4+4+4+4磷原子磷原子自由电子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子

6、数第10页，共67页，编辑于2022年，星期五二、二、P型半导体型半导体P型型+3+4+4+4+4+4硼原子硼原子空穴空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数第11页，共67页，编辑于2022年，星期五三、杂质半导体的导电作用三、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体型半导体I INP型半导体型半导体I IP第12页，共67页，编辑于2022年，星期五四、四、P型、型、N型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子负离子多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子正离子正离子多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子P型：型：N型：型：第13页，共67页

7、，编辑于2022年，星期五1.1.3PN结结一、一、PN结结(PNJunction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子的扩散促进少子产生漂移的扩散促进少子产生漂移内建电场内建电场此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流第14页，共67页，编辑于2022年，星期五3.继续扩散和漂移达到继续扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流I=0。二、二、PN

8、结的单向导电性结的单向导电性1）.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)forwardbias此时形成的空间电荷区域称为此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）结（耗尽层）1.定性分析定性分析第15页，共67页，编辑于2022年，星期五P区区N区区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向PN结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2）.外加外加反向反向电压电压(反向偏置反向偏置)reversebias P区区N区区内电场内电场外

9、电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离PN结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子少子 0第16页，共67页，编辑于2022年，星期五2、定量估算、定量估算反向饱反向饱和电流和电流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当当T=300(27 C)：加正向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iISUT=26mV第17页，共6

10、7页，编辑于2022年，星期五3、伏安特性、伏安特性Ou/VI/mA反反向向击击穿穿正向特性正向特性反向特性反向特性第18页，共67页，编辑于2022年，星期五1.2半导体二极半导体二极管管1.2.1 半导体二极管的结构和类型1.2.2 半导体二极管的伏安特性1.2.3 温度对二极管伏安特性的影响1.2.4 半导体二极管的主要参数1.2.6 半导体二极管的模型1.2.5 半导体器件的型号及二极管的选择第19页，共67页，编辑于2022年，星期五1.2.1半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型构成：构成：PN结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：A(anode

11、)C(cathode)分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型第20页，共67页，编辑于2022年，星期五点接触型点接触型正极正极引线引线触丝触丝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结结正极引线正极引线铝合金铝合金小球小球底座底座金锑金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型支持衬底型支持衬底第21页，共67页，编辑于2022年，星期五第22页，共67页，编辑于2022年，星期五1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一

12、、PN结的伏安方程结的伏安方程反向饱反向饱和电流和电流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玻尔兹曼常数数当当T=300(27 C)：UT=26mV第23页，共67页，编辑于2022年，星期五二、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=0.5V 0.1V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD急剧上升急剧上升0 U UthUD(on)=(0.6 0.8)V硅管硅管0.7V(0.1 0.3)V 锗管锗管0.2V反向特性反向特性U(BR)反反向向击击穿穿U(BR)U 0iD=IS0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗

13、)U 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)第24页，共67页，编辑于2022年，星期五反向击穿类型：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：(Zener)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6V，正，正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。左右时，温度系数趋近零。第25页，共67页，编辑于2022年，星期五硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性6040200.020.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mAuD

14、/V0.20.42550510150.010.020第26页，共67页，编辑于2022年，星期五1.2.3温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响T升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C下降下降6040200.0200.42550iD/mAuD/V20 C90 C第27页，共67页，编辑于2022年，星期五1.2.4二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2.URM最高反向工作电压最高反向工作电压，为为U(BR)/23.IR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.fM最高工作频率最高工作

15、频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO第28页，共67页，编辑于2022年，星期五影响工作频率的原因影响工作频率的原因PN结的电容效应结的电容效应结论：结论：1.低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对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，导致导致单向单向导电性变差。导电性变差。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。第29页，共67页，编辑于2022年，星期五1理想二极管模型理想二极管模型特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=

16、0；反偏截止，；反偏截止，iD=0 U(BR)=1.2.6半导体二极管的模型半导体二极管的模型第30页，共67页，编辑于2022年，星期五uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)2二极管的恒压源模型二极管的恒压源模型第31页，共67页，编辑于2022年，星期五3.二极管的折线模型二极管的折线模型第32页，共67页，编辑于2022年，星期五4二极管的交流小信号模型二极管的交流小信号模型图解法图解法第33页，共67页，编辑于2022年，星期五【例例1-1】电路如图电路如图1-15所示，所示，VD为硅二极管，为硅二极管，R=2k，求出求出VDD=2V和和VDD=10V时时IO和和UO的值。

17、的值。解解:当当VDD=2V时时采用采用恒压源恒压源模型进行分析模型进行分析UO=VDDUon=2V0.7V=1.3VIO=UO/R=1.3V/2k=0.65mA当当VDD=10V时时采用采用理想二极管理想二极管模型分析模型分析UO=VDD=10VIO=UO/R=10V/2k=5mA第34页，共67页，编辑于2022年，星期五1.3 半导体二极管的应用半导体二极管的应用 二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保护以及在数可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。字

18、电路中作为开关元件等。1.3.1二极管在限幅电路中的应用二极管在限幅电路中的应用限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路三种并联限幅电路和双向限幅电路三种。第35页，共67页，编辑于2022年，星期五1.串联限幅电路串联限幅电路uD=ui E当当uDUon即即ui E+Uon时时VD正偏导通正偏导通uD=Uonuo=uiUon工作原理工作原理输出波形输出波形第36页，共67页，编辑于2022年，星期五1.串联限幅电路串联限幅电路uD=uiE当当uD Uon即即uiE+Uon时时VD截止截止流过二极管的电流为零流过二极管的电流为零

19、uo=E输出波形输出波形第37页，共67页，编辑于2022年，星期五传输特性（或限幅特性）传输特性（或限幅特性）uo=f(ui)输出波形输出波形第38页，共67页，编辑于2022年，星期五第39页，共67页，编辑于2022年，星期五2.并联限幅电路并联限幅电路第40页，共67页，编辑于2022年，星期五3.双向限幅电路双向限幅电路第41页，共67页，编辑于2022年，星期五1.3.2 二极管在整流电路中的应用二极管在整流电路中的应用1.单相半波整流电路单相半波整流电路第42页，共67页，编辑于2022年，星期五2.全波整流电路全波整流电路第43页，共67页，编辑于2022年，星期五Otui/V

20、15RLV1V2V3V4uiBAuO3.桥式整流电路桥式整流电路第44页，共67页，编辑于2022年，星期五OtuO/V15若若有有条条件件，可可切切换换到到EWB环环境境观观察察桥桥式式整流波形。整流波形。第45页，共67页，编辑于2022年，星期五1.4特殊二特殊二极管极管1.4.1稳压二极管稳压二极管1.4.2发光二极管发光二极管1.4.3光电二极管光电二极管1.4.4变容二极管变容二极管第46页，共67页，编辑于2022年，星期五1.5.1稳压二极管稳压二极管一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ/mAuZ/VO UZ IZmin IZmax UZ I

21、Z IZ特性特性第47页，共67页，编辑于2022年，星期五二、主要参数二、主要参数1.稳定电压稳定电压UZ流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流IZ越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于Imin时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流IZM最大耗散功率最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4.动态电阻动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 第48页，共67页，编辑于2022年，星期五5.稳定电压温度系数稳定电压温度系数UZ4V，7V，0(为雪崩击穿为雪崩击穿)具有正温度系数；具有正温

22、度系数；4VUZ7V，很小。很小。第49页，共67页，编辑于2022年，星期五3.稳压管稳压电路稳压管稳压电路UIUORRLIOIRIDZ稳压原理稳压原理IR=IDZ+IOUO=UIIRR负载电阻负载电阻RL不变，输入电压不变，输入电压UI变化时变化时第50页，共67页，编辑于2022年，星期五3.稳压管稳压电路稳压管稳压电路UIUORRLIOIRIDZ稳压原理稳压原理IR=IDZ+IOUO=UIIRR当输入电压当输入电压UI不变，负载电阻不变，负载电阻RL变化时变化时当输入电压当输入电压UI不变，负载电阻不变，负载电阻RL变化时变化时第51页，共67页，编辑于2022年，星期五限流电阻的选择

23、限流电阻的选择UIUORRLIOIRIDZ稳压条件：稳压条件：当当UI=UImax，IO=IOmin时，时，IDZ最大，最大，则则R值必须足够大，以满足值必须足够大，以满足IDZ IZmax，即，即得得第52页，共67页，编辑于2022年，星期五限流电阻的选择限流电阻的选择UIUORRLIOIRIDZ得得当当UI=UImin，IO=IOmax时，时，IDZ最小，则最小，则R值必须足够小，值必须足够小，以满足以满足IDZ IZmin，即，即因此，限流电阻因此，限流电阻R的选择必须满足：的选择必须满足：第53页，共67页，编辑于2022年，星期五【例例1-5】已知已知UZ=6V，IZmin=10m

24、A，PCM=200mW，R=500。rz和反向饱和电流均可忽略。试求：和反向饱和电流均可忽略。试求：当当UI=20V，RL分别取分别取1k、100 或开路时，或开路时，电路的稳压性能怎样？输出电压电路的稳压性能怎样？输出电压UO=？当当UI=7V，RL变化时，电路的稳压性能又怎样？变化时，电路的稳压性能又怎样？UIUORRLIOIRIDZ当当RL=1k 时，时，解解:第54页，共67页，编辑于2022年，星期五UIUORRLIOIRIDZVDZ被反向击穿被反向击穿因为：因为：所以：所以：稳压管稳压性能好稳压管稳压性能好第55页，共67页，编辑于2022年，星期五UIUORRLIOIRIDZ当当

25、RL=100 时时稳压管不能被击穿稳压管不能被击穿当负载开路时当负载开路时UO=UZ=6VIDZ IZmax稳压管能稳压，且稳压性能很好稳压管能稳压，且稳压性能很好第56页，共67页，编辑于2022年，星期五UIUORRLIOIRIDZ当当UI=7V时时当负载开路时，流过稳压管的电流最大，为当负载开路时，流过稳压管的电流最大，为故稳压管不能稳压故稳压管不能稳压第57页，共67页，编辑于2022年，星期五1.4.2发光二极管发光二极管发光二极管发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十mA，

26、导通电压导通电压(1 2)V符号符号u/Vi/mAO2特性特性第58页，共67页，编辑于2022年，星期五2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM，U(BR)，IR光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度L，光通量光通量 发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通LED，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵LED七段七段LED,第59页，共67页，编辑于2022年，星期五第60页，共67页，编辑于2022年，星期五1.4.3光电二极管光电二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流暗电流E=200lxE=400lx工作

27、条件：工作条件：反向偏置反向偏置2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片实物照片第61页，共67页，编辑于2022年，星期五补充：补充：选择二极管限流电阻选择二极管限流电阻步骤：步骤：1.设定工作电压设定工作电压(如如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确定工作确定工作电流电流(如如1mA；10mA；5mA)3.根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻R=(UI UD)/ID(R 要选择标称值要选择标称值)第62页，共67页，编辑于2022年，星期五小小 结结第第

28、 1 章章第63页，共67页，编辑于2022年，星期五一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子自由电子自由电子空穴空穴价电子价电子两两种种半导体半导体N型型(多电子多电子)P型型 (多空穴多空穴)二、二、二、二、二极管二极管1.1.特性特性特性特性单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小(理想为理想为0)，反向电阻大反向电阻大()。第64页，共67页，编辑于2022年，星期五iDO uDU(BR)IFURM2.2.主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向最大平均电流最大平均电流IF反向反向最大反向工作电压最大反向工作电压U(BR)(超过则

29、击穿超过则击穿)反向饱和电流反向饱和电流IR(IS)(受温度影响受温度影响)IS第65页，共67页，编辑于2022年，星期五3.二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型(大信号状态采用大信号状态采用)uDiD正偏导通正偏导通电压降为零电压降为零相当于理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止电流为零电流为零相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on)时导通时导通等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V估算时取估算时取0.7V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3)V0.2V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源UD(on)第66页，共67页，编辑于2022年，星期五4.二极管的应用二极管的应用限幅限幅整流整流5.特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反偏偏稳稳压压发光二极管发光二极管正正偏偏发发光光光电二极管光电二极管反反偏偏光电转换光电转换第67页，共67页，编辑于2022年，星期五