二極管及其基本電路演示文稿

二極管及其基本電路演示文稿當(dāng)前第1頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)第三章二極管及其基本電路

§3.1半導(dǎo)體的基本知識(shí)

§3.2PN結(jié)的形成及特性§3.4二極管的基本電路及其分析方法

§3.5特殊二極管

§3.3二極管當(dāng)前第2頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)§3.1半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體器件特點(diǎn)：

體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高。3.1.1半導(dǎo)體材料：（Semiconductormaterials)ρ(Ω-cm)10+910-3導(dǎo)體

如金屬等絕緣體

如橡皮、塑料等典型半導(dǎo)體：硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs等

半導(dǎo)體當(dāng)前第3頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化。(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。當(dāng)前第4頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)化模型最外層上的電子，決定了物質(zhì)的化學(xué)特性和導(dǎo)電性；Si硅原子Ge鍺原子1、Si、Ge的原子結(jié)構(gòu)

價(jià)電子：慣性核當(dāng)前第5頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3.1.2半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)

2、共價(jià)鍵硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示慣性核§3.1半導(dǎo)體基本知識(shí)

當(dāng)前第6頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)本征半導(dǎo)體、空穴及其導(dǎo)電作用完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。SiSiSiSi價(jià)電子當(dāng)前第7頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)SiSiSiSi價(jià)電子價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔撸w中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。當(dāng)前第8頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：1）自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流2）價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流當(dāng)前第9頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)1.本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少，其導(dǎo)電性能很差；2.溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。

自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。注意：當(dāng)前第10頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）摻入的雜質(zhì)主要是三價(jià)或五價(jià)元素。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。§3.1半導(dǎo)體基本知識(shí)

當(dāng)前第11頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)1.N型半導(dǎo)體多余的一個(gè)價(jià)電子因無共價(jià)鍵束縛而很容易形成自由電子。在N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原子提供；空穴是少數(shù)載流子,由熱激發(fā)形成。提供自由電子的五價(jià)雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子，因此五價(jià)雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)。多余電子硅原子SiPSiSi五價(jià)雜質(zhì)原子只有四個(gè)價(jià)電子能與周圍四個(gè)半導(dǎo)體原子中的價(jià)電子形成共價(jià)鍵硅(鍺)+磷N型半導(dǎo)體

雜質(zhì)半導(dǎo)體當(dāng)前第12頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)2.P型半導(dǎo)體在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。因缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。空穴SiSiSiB三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵硅(鍺)+硼P型半導(dǎo)體3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體當(dāng)前第13頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++3.1.4雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體§3.1半導(dǎo)體基本知識(shí)當(dāng)前第14頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3.2.1載流子的漂移與擴(kuò)散§3.2PN結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動(dòng)：由于電場(chǎng)作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域移動(dòng)的現(xiàn)象空穴的移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相同電子的移動(dòng)方向與電場(chǎng)方向相反當(dāng)前第15頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E漂移運(yùn)動(dòng)3.2.2PN結(jié)的形成當(dāng)前第16頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E§3.2PN結(jié)的形成及其特性內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。當(dāng)前第17頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)漂移運(yùn)動(dòng)P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。3.2.2PN結(jié)的形成

3.2PN結(jié)的形成及其特性當(dāng)前第18頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)

因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。3.2.1PN結(jié)的形成

§3.2PN結(jié)當(dāng)前第19頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)一、PN結(jié)外加正向偏置電壓時(shí)的導(dǎo)電情況：電源VF+P-N空間電荷區(qū)厚度

內(nèi)電場(chǎng)εI擴(kuò)>>

I漂擴(kuò)散漂移正向?qū)顟B(tài)、小電阻，正向?qū)娏鱅F＝

I擴(kuò)IF3.2.3PN結(jié)單向?qū)щ娦?當(dāng)前第20頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)二、PN結(jié)加反向偏置電壓時(shí)的導(dǎo)電情況：空間電荷區(qū)厚度

內(nèi)電場(chǎng)ε漂移

擴(kuò)散I漂>>

I擴(kuò)反向截止?fàn)顟B(tài)，大電阻

反向電流IR=

I漂IR電源VR+N-P反向飽和電流IS當(dāng)前第21頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)PN結(jié)正偏PN結(jié)反偏當(dāng)前第22頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)三、結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，正向?qū)ǎ?/p>

電阻值很小，具有較大的正向?qū)娏鳎?/p>

開關(guān)閉合PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向截止：

呈現(xiàn)高電阻，具有較小反向飽和電流，

開關(guān)斷開當(dāng)前第23頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)流過PN結(jié)電流A反向飽

和電流A加在PN結(jié)

兩端電壓VVT=KT/q=26mVT=300KVD<0反向截止VD>0正向?qū)ㄋ?、PN結(jié)V-I特性表示式：（二極管特性方程）發(fā)射系數(shù)(12)當(dāng)前第24頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)

PN的反向擊穿（P65自學(xué)熟悉）

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。反向擊穿段3.2.5PN結(jié)電容效應(yīng)（P66自學(xué)了解）當(dāng)前第25頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)一、符號(hào)：陽極+-陰極二、結(jié)構(gòu)：（1）點(diǎn)接觸型二極管：陽極+-陰極（2）面接觸型二極管：（3）平面型二極管：3.3.1二極管結(jié)構(gòu):§3.3二極管（Diode)當(dāng)前第26頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3.3.2伏安特性（V-I特性）(P70)硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓VBR導(dǎo)通壓降外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點(diǎn)：非線性硅0.7V,鍺0.2V。UI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。當(dāng)前第27頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)一、最大整流電流IF二極管長(zhǎng)期連續(xù)工作時(shí)，允許通過二極管的最大正向平均電流。二、反向擊穿電壓VBR

二極管反向電流急劇增加時(shí)對(duì)應(yīng)的反向電壓值。

3.3.3二極管主要參數(shù)（P71自學(xué)熟悉）當(dāng)前第28頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)三、反向電流IR在室溫及規(guī)定的反向電壓下的反向電流值。

硅管：(<0.1A)；

鍺管：(<幾十A)。四、結(jié)電容Cd

反映二極管中PN結(jié)結(jié)電容效應(yīng)的參數(shù)。在高頻

和開關(guān)狀態(tài)時(shí)運(yùn)用時(shí)必須考慮。五、最高工作頻率fM

二極管工作上限頻率。六、反向恢復(fù)時(shí)間TRR

二極管由正向?qū)ㄟ^渡到反向截止時(shí)所需的時(shí)間。當(dāng)前第29頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)§3.4二極管的基本電路

及其分析方法3.4.1簡(jiǎn)單二極管電路的圖解分析法

(P73自學(xué)了解)當(dāng)前第30頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3.4.2二極管電路的簡(jiǎn)化模型分析法：1理想模型：(理想二極管)

(vD＞0正偏)二極管導(dǎo)通VD

=0rD

=0(vD

<0反偏)二極管截止iD

=0rD=∞一、二極管V-I特性的建模：當(dāng)前第31頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)2恒壓降模型：(vD＞VF)二極管導(dǎo)通vD

=VFr=0開關(guān)閉合(vD

<VF)二極管截止iD

=0r=∞開關(guān)斷開當(dāng)前第32頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)3折線模型：(P74自學(xué)、了解)4小信號(hào)模型:(P76自學(xué)、了解)當(dāng)前第33頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.7V鍺0.2V分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。當(dāng)前第34頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)Eg.1簡(jiǎn)單硅二極管電路：

R=10K解：分析可知二

極管正偏：1理想模型：2恒壓降模型：求:VDD=

10V時(shí)

ID及VD二、模型分析法應(yīng)用舉例：當(dāng)前第35頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)Eg.2電路如圖，(設(shè)D為理想二極管）

判斷二極管工作狀態(tài)，并求輸出電壓。D導(dǎo)通

D2導(dǎo)通、D1截止

D2優(yōu)先導(dǎo)通D1截止a1a2b1b2vA0

=-15VvA0

=0VvA0

=－4V參考點(diǎn)當(dāng)前第36頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)ui>3V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=3V

ui<3V，二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo波形。3VEg.3限幅電路：(P80)

思考：若用恒壓降模型分析二極管，輸出波形應(yīng)為什么？ui6V二極管陰極電位為3VD3VRuoui++––當(dāng)前第37頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)Eg.4全波整流電路（P97題3.4.2）2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二極管D1、D3

導(dǎo)通，D2、D4

截止。3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)－uRLuiouo1234ab+–+–－當(dāng)前第38頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)Eg.4全波整流電路（P97題3.4.2）2.工作原理3.工作波形1.電路結(jié)構(gòu)RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二極管1、3導(dǎo)通，2、4截止。u

負(fù)半周，Va<Vb，二極管2、4導(dǎo)通，1、3截止。u－－當(dāng)前第39頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)

作業(yè)題

必做

(P97)：3.4.5、3.4.6(a)3.4.9(用理想模型分析)選做3.4.7

當(dāng)前第40頁\共有45頁\編于星期四\17點(diǎn)§3.5特殊二極管（P84）光電二極管發(fā)光二極管激光二極管齊納二極管變?nèi)荻O管光電子器件肖