半導(dǎo)體二極管及其基本電路

半導(dǎo)體二極管及其基本電路第1頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1本征半導(dǎo)體1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.3

PN結(jié)及其特性第2頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體的特點(diǎn)1.熱敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度有關(guān)利用該特性可做成熱敏電阻2.光敏性：半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與光的照射有關(guān)系利用該特性可做成光敏電阻3.摻雜性：摻如有用的雜質(zhì)可以改變半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力利用該特性可做成半導(dǎo)體器件第3頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.1本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體—導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。第4頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型慣性核價(jià)電子(束縛電子)1、半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)第5頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵—相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。第6頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電情況自由電子空穴空穴空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)當(dāng)溫度為絕對(duì)零度以下時(shí)，該結(jié)構(gòu)為絕緣體在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)第7頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一本征激發(fā)：復(fù)合：

自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過(guò)程。漂移：

自由電子和空穴在電場(chǎng)作用下的定向運(yùn)動(dòng)。在室溫或光照下價(jià)電子獲得足夠能量擺脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，并在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位(空穴)的過(guò)程。載流子：自由運(yùn)動(dòng)的帶電粒子第8頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動(dòng)自由電子(在共價(jià)鍵以外)的運(yùn)動(dòng)空穴(在共價(jià)鍵以內(nèi))的運(yùn)動(dòng)

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對(duì)出現(xiàn)，且數(shù)量少；

2.半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電；

3.本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與溫度有關(guān)。第9頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)第10頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、P型半導(dǎo)體P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子電子—少子載流子數(shù)

空穴數(shù)第11頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一三、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI=IP+INN型半導(dǎo)體I

INP型半導(dǎo)體

I

IP第12頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四、P型、N型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子P型：N型：第13頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.1.3PN結(jié)一、PN結(jié)(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生了一個(gè)內(nèi)電場(chǎng)，電場(chǎng)的作用是阻礙多子的擴(kuò)散促進(jìn)少子產(chǎn)生漂移內(nèi)建電場(chǎng)此時(shí)產(chǎn)生了兩種電流：擴(kuò)散電流和漂移電流第14頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.繼續(xù)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1）.外加正向電壓(正向偏置)—forwardbias此時(shí)形成的空間電荷區(qū)域稱(chēng)為PN結(jié)（耗盡層）1.定性分析第15頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)使多子向PN結(jié)移動(dòng),中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流IF。IF=I多子I少子

I多子2）.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)使少子背離PN結(jié)移動(dòng)，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成反向電流IRIR=I少子

0第16頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2、定量估算反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：加正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)i≈–ISUT

=26mV第17頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3、伏安特性O(shè)u

/VI

/mA反向擊穿正向特性反向特性第18頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2

半導(dǎo)體二極管1.2.1

半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型1.2.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性1.2.3溫度對(duì)二極管伏安特性的影響1.2.4半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù)1.2.6半導(dǎo)體二極管的模型1.2.5半導(dǎo)體器件的型號(hào)及二極管的選擇第19頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號(hào)：A(anode)C(cathode)分類(lèi)：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點(diǎn)接觸型面接觸型平面型第20頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一點(diǎn)接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底第21頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第22頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2.2二極管的伏安特性一、PN結(jié)的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mV第23頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)UUthiD急劇上升0U

Uth

UD(on)

=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V鍺管0.2V反向特性U(BR)反向擊穿U(BR)

U0iD=IS<0.1A(硅)幾十A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)第24頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一反向擊穿類(lèi)型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。

(擊穿電壓<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場(chǎng)使電子加速，動(dòng)能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V

左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。第25頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第26頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2.3溫度對(duì)二極管伏安特性的影響T

升高時(shí)，UD(on)以(22.5)mV/C

下降604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90C第27頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.2.4二極管的主要參數(shù)1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/2

3.

IR

—

反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4.

fM—

最高工作頻率(超過(guò)時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO第28頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一影響工作頻率的原因—PN結(jié)的電容效應(yīng)

結(jié)論：1.低頻時(shí)，因結(jié)電容很小，對(duì)PN結(jié)影響很小。高頻時(shí)，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。第29頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1理想二極管模型特性u(píng)DiD符號(hào)及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=1.2.6半導(dǎo)體二極管的模型第30頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)2二極管的恒壓源模型第31頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.二極管的折線模型第32頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4二極管的交流小信號(hào)模型圖解法第33頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例1-1】電路如圖1-15所示，VD為硅二極管，R=2k，求出VDD=2V和VDD=10V時(shí)IO和UO的值。解:當(dāng)VDD=2V時(shí)采用恒壓源模型進(jìn)行分析UO=VDD﹣Uon=2V﹣0.7V=1.3VIO=UO/R=1.3V/2k=0.65mA

當(dāng)VDD=10V時(shí)采用理想二極管模型分析

UO=VDD=10VIO=UO/R=10V/2k=5mA

第34頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.3半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用

二極管在電路中有著廣泛的應(yīng)用，利用它的單向?qū)щ娦?，可組成整流、限幅、檢波電路，還可做元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件等。1.3.1二極管在限幅電路中的應(yīng)用限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路和雙向限幅電路三種

。

第35頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.串聯(lián)限幅電路uD=ui﹣E

當(dāng)uD≥Uon即uiE+Uon時(shí)VD正偏導(dǎo)通uD=Uon

uo=ui﹣Uon

工作原理輸出波形第36頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.串聯(lián)限幅電路uD=ui﹣E

當(dāng)uDUon

即ui<E+Uon時(shí)VD截止流過(guò)二極管的電流為零uo=E

輸出波形第37頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一傳輸特性（或限幅特性）uo=f(ui)輸出波形第38頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第39頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.并聯(lián)限幅電路第40頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.雙向限幅電路第41頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.3.2二極管在整流電路中的應(yīng)用1.單相半波整流電路第42頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.全波整流電路第43頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO3.橋式整流電路第44頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一OtuO/V15若有條件，可切換到EWB環(huán)境觀察橋式整流波形。第45頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.4

特殊二極管1.4.1穩(wěn)壓二極管1.4.2發(fā)光二極管1.4.3光電二極管1.4.4變?nèi)荻O管第46頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.5.1穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號(hào)工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZ

IZ特性第47頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二、主要參數(shù)1.

穩(wěn)定電壓UZ

流過(guò)規(guī)定電流時(shí)穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ

越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin時(shí)不穩(wěn)壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動(dòng)態(tài)電阻rZrZ=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十第48頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)α

UZ<4V，α

<0(為齊納擊穿)具有負(fù)溫度系數(shù)；UZ>7V，α

>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，α

很小。第49頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UIUORRLIOIRIDZ⑴穩(wěn)壓原理IR=IDZ+IOUO=UI

–IRR①負(fù)載電阻RL不變，輸入電壓UI變化時(shí)第50頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路UIUORRLIOIRIDZ⑴穩(wěn)壓原理IR=IDZ+IOUO=UI

–IRR②當(dāng)輸入電壓UI不變，負(fù)載電阻RL變化時(shí)②當(dāng)輸入電壓UI不變，負(fù)載電阻RL變化時(shí)第51頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑵限流電阻的選擇UIUORRLIOIRIDZ穩(wěn)壓條件：當(dāng)UI=UImax，IO=IOmin時(shí)，IDZ最大，則R值必須足夠大，以滿足IDZIZmax，即得第52頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一⑵限流電阻的選擇UIUORRLIOIRIDZ得當(dāng)UI=UImin，IO=IOmax時(shí)，IDZ最小，則R值必須足夠小，以滿足IDZIZmin，即因此，限流電阻R的選擇必須滿足：第53頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一【例1-5】已知UZ=6V，IZmin=10mA，PCM=200mW，R=500Ω。rz和反向飽和電流均可忽略。試求：①當(dāng)UI=20V，RL分別取1k、100或開(kāi)路時(shí)，電路的穩(wěn)壓性能怎樣？輸出電壓UO=？②當(dāng)UI=7V，RL變化時(shí)，電路的穩(wěn)壓性能又怎樣？UIUORRLIOIRIDZ①當(dāng)RL=1k時(shí)，

解:第54頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一UIUORRLIOIRIDZVDZ被反向擊穿因?yàn)椋核裕悍€(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好第55頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一UIUORRLIOIRIDZ當(dāng)RL=100時(shí)

穩(wěn)壓管不能被擊穿當(dāng)負(fù)載開(kāi)路時(shí)UO=UZ=6VIDZIZmax

穩(wěn)壓管能穩(wěn)壓，且穩(wěn)壓性能很好第56頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一UIUORRLIOIRIDZ②當(dāng)UI=7V時(shí)當(dāng)負(fù)載開(kāi)路時(shí)，流過(guò)穩(wěn)壓管的電流最大，為故穩(wěn)壓管不能穩(wěn)壓第57頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.4.2發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號(hào)和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(12)V符號(hào)u/Vi

/mAO2特性第58頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：IFM

，U(BR)

，IR光學(xué)參數(shù)：峰值波長(zhǎng)P，亮度

L，光通量發(fā)光類(lèi)型：可見(jiàn)光：紅、黃、綠顯示類(lèi)型：普通LED，不可見(jiàn)光：紅外光點(diǎn)陣LED七段LED,第59頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第60頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一1.4.3光電二極管1．符號(hào)和特性符號(hào)特性u(píng)iO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：暗電流，光電流，最高工作范圍光學(xué)參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長(zhǎng)實(shí)物照片第61頁(yè)，共67頁(yè)，2023年，2月20日，星期一補(bǔ)充：選擇二極管限流電阻步驟：1.設(shè)定工作電壓(如0.7V；2