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，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.1

半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識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，共67頁，2023年，2月20日，星期一半導(dǎo)體的特點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，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核價電子(束縛電子)1、半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)第5頁，共67頁，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)的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的束縛。第6頁，共67頁，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鍵內(nèi)移動當(dāng)溫度為絕對零度以下時，該結(jié)構(gòu)為絕緣體在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)第7頁，共67頁，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動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移：

自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。載流子：自由運動的帶電粒子第8頁，共67頁，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動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(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，共67頁，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，共67頁，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，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一四、P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示負(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，共67頁，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)生了一個內(nèi)電場，電場的作用是阻礙多子的擴(kuò)散促進(jìn)少子產(chǎn)生漂移內(nèi)建電場此時產(chǎn)生了兩種電流：擴(kuò)散電流和漂移電流第14頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.繼續(xù)擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(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此時形成的空間電荷區(qū)域稱為PN結(jié)（耗盡層）1.定性分析第15頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運動加強(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)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，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。漂移運動加強(qiáng)形成反向電流IRIR=I少子

0第16頁，共67頁，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)：加正向電壓時加反向電壓時i≈–ISUT

=26mV第17頁，共67頁，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，共67頁，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)和類型1.2.2半導(dǎo)體二極管的伏安特性1.2.3溫度對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)體器件的型號及二極管的選擇第19頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型第20頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一點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，共67頁，2023年，2月20日，星期一第22頁，共67頁，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，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增。—PN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，溫度系數(shù)趨近零。第25頁，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.2.3溫度對二極管伏安特性的影響T

升高時，UD(on)以(22.5)mV/C

下降604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90C第27頁，共67頁，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(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO第28頁，共67頁，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，因結(jié)電容很小，對PN結(jié)影響很小。高頻時，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)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。第29頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型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，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.二極管的折線模型第32頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一4二極管的交流小信號模型圖解法第33頁，共67頁，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IO和UO的值。解:當(dāng)VDD=2V時采用恒壓源模型進(jìn)行分析UO=VDD﹣Uon=2V﹣0.7V=1.3VIO=UO/R=1.3V/2k=0.65mA

當(dāng)VDD=10V時采用理想二極管模型分析

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

第34頁，共67頁，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，共67頁，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VD正偏導(dǎo)通uD=Uon

uo=ui﹣Uon

工作原理輸出波形第36頁，共67頁，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VD截止流過二極管的電流為零uo=E

輸出波形第37頁，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一第39頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.并聯(lián)限幅電路第40頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一3.雙向限幅電路第41頁，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一2.全波整流電路第43頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO3.橋式整流電路第44頁，共67頁，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，共67頁，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，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.5.1穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VOUZ

IZmin

IZmaxUZIZ

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

穩(wěn)定電壓UZ

流過規(guī)定電流時穩(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時不穩(wěn)壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ=UZ/IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾幾十第48頁，共67頁，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，共67頁，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變化時第50頁，共67頁，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②當(dāng)輸入電壓UI不變，負(fù)載電阻RL變化時第51頁，共67頁，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，IDZ最大，則R值必須足夠大，以滿足IDZIZmax，即得第52頁，共67頁，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，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，共67頁，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或開路時，電路的穩(wěn)壓性能怎樣？輸出電壓UO=？②當(dāng)UI=7V，RL變化時，電路的穩(wěn)壓性能又怎樣？UIUORRLIOIRIDZ①當(dāng)RL=1k時，

解:第54頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一UIUORRLIOIRIDZVDZ被反向擊穿因為：所以：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓性能好第55頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一UIUORRLIOIRIDZ當(dāng)RL=100時

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

穩(wěn)壓管能穩(wěn)壓，且穩(wěn)壓性能很好第56頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一UIUORRLIOIRIDZ②當(dāng)UI=7V時當(dāng)負(fù)載開路時，流過穩(wěn)壓管的電流最大，為故穩(wěn)壓管不能穩(wěn)壓第57頁，共67頁，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u/Vi

/mAO2特性第58頁，共67頁，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P，亮度

L，光通量發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,第59頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一第60頁，共67頁，2023年，2月20日，星期一1.4.3光電二極管1．符號和特性符號特性uiO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，峰值波長實物照片第61頁，共67頁，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