半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

1、1會(huì)計(jì)學(xué)半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路電子器件發(fā)展歷程：電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路1904年電子管問世1947年晶體管誕生1958年集成電路研制成功電子管、晶體管、集成電路比較 第一片集成電路只有4個(gè)晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個(gè)晶體管。有科學(xué)家預(yù)測(cè)，集成度還將按10倍/6年的速度增長(zhǎng)，到2015或2020年達(dá)到飽和。現(xiàn)代電子器件的鼻祖第一只晶體管的發(fā)明者（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab） 他們?cè)?947年11月底發(fā)明了晶體管，并在12

2、月16日正式宣布“晶體管”誕生。1956年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。巴因所做的超導(dǎo)研究于1972年第二次獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。第一個(gè)集成電路及其發(fā)明者（ Jack Kilby from TI ） 1958年9月12日，在德州儀器公司的實(shí)驗(yàn)室里，實(shí)現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導(dǎo)體材料上的構(gòu)想。42年以后， 2000年獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。 “為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。 模電與數(shù)電：tttu？模擬量模擬信號(hào)模擬電路模擬電子技術(shù)tu？數(shù)字量數(shù)字信號(hào)數(shù)字電路數(shù)字電子技術(shù)混頻級(jí)中頻放大級(jí)檢波級(jí)功率放大級(jí)超外差式無(wú)線電收音機(jī)原理框圖放大濾波采樣-保持模-數(shù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)控制系統(tǒng)微處理機(jī)系統(tǒng)數(shù)-模轉(zhuǎn)換電壓-電流轉(zhuǎn)換檢測(cè)與傳感執(zhí)

3、行機(jī)構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備物理系統(tǒng)電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)：從電路板產(chǎn)生來看學(xué)習(xí)要求與教學(xué)環(huán)節(jié)確定電路功能與要求電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)電路參數(shù)計(jì)算元件選型電路可行性分析計(jì)算機(jī)仿真制板制作調(diào)試與測(cè)試掌握電子技術(shù)基本概念掌握各功能電路結(jié)構(gòu)掌握各類定性分析方法掌握各類參數(shù)估算方法熟悉各類元器件外特性熟悉EDA軟件熟悉制板軟件,培養(yǎng)動(dòng)手操作能力熟悉電子儀器儀表課堂教學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)電子實(shí)習(xí)課程設(shè)計(jì)第1章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管小 結(jié)1.3穩(wěn)壓二極管1.4二極管典型應(yīng)用電路1.5輔修內(nèi)容包含半導(dǎo)體元件等等是半導(dǎo)體元件之一，應(yīng)用廣泛你想知道嗎？什么是半導(dǎo)體？PN結(jié)是怎樣形成的？二極管是干什么用的？電子

4、電路你知道嗎？1.1.1半導(dǎo)體材料及其特性1.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體1.1.3PN結(jié)1.1.1 半導(dǎo)體材料及其特性半導(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。共價(jià)鍵 相鄰原子共有價(jià)電子所形成的束縛。從導(dǎo)電性來分類，物體可分為：共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)2. 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體1. 半導(dǎo)體的特殊性質(zhì)熱敏性、光敏性、摻雜性硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型原子核硅(鍺)的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)價(jià)電子(束縛電子)硅鍺本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)空穴自由電子和空穴在運(yùn)動(dòng)中相遇重新結(jié)合成對(duì)消失的過程。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)空穴的

5、過程。3. 本征半激發(fā)與復(fù)合空穴可在共價(jià)鍵內(nèi)移動(dòng)自由電子本證激發(fā)與復(fù)合是一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)！半導(dǎo)體中有兩種載流子自由電子和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)載流子 運(yùn)載電荷的粒子（帶電粒子）本征半導(dǎo)體中的電流是兩個(gè)電流之和電子電流、空穴電流自由電子帶負(fù)電，空穴帶正電。 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)。4.、 溫度對(duì)本征半導(dǎo)體中載流子的影響載流子的濃度隨溫度的升高而增加。動(dòng)態(tài)平衡本征激發(fā)與復(fù)合運(yùn)動(dòng)最終要達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。N 型+5+4+4+4+4+4

6、磷原子多余電子載流子數(shù) 電子數(shù)1. N 型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的5價(jià)雜質(zhì)元素空穴少子（少數(shù)載流子）電子多子（多數(shù)載流子）多余電子雜質(zhì)原子為施主原子正離子帶正電，不能移動(dòng)1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空位空穴多子（多數(shù)載流子）電子少子（少數(shù)載流子）載流子數(shù) 空穴數(shù)2. P 型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價(jià)雜質(zhì)元素空位電中性雜質(zhì)原子為受主原子負(fù)離子帶負(fù)電，不能移動(dòng)區(qū)分N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體！4. 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 IP3. 雜質(zhì)半導(dǎo)體中載流子的濃度5. P 型與N 型半導(dǎo)體的簡(jiǎn)化示意圖

7、P型N型少數(shù)載流子（少子）自由電子多數(shù)載流子（多子）（空穴）負(fù)離子多數(shù)載流子（多子）自由電子少數(shù)載流子（少子）空穴正離子【問題引導(dǎo)】N型、P型半導(dǎo)體多子是什么，少子是什么？負(fù)離子、或正離子是怎么形成的？N型P型1.1.3 PN 結(jié)1. PN 結(jié)(PN Junction)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由于載流子濃度差而引起的運(yùn)動(dòng)復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)、耗盡層、阻擋層、PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)漂移運(yùn)動(dòng)載流子在電場(chǎng)力作用下的運(yùn)動(dòng)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。PN結(jié)是怎么形成的？P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)抵消內(nèi)電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變窄有利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)不利于漂移運(yùn)動(dòng) IF限流電阻

8、，可以不要嗎？擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)形成正向電流 IF2. PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?1) PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)正向電壓、正向接法、正向偏置、正偏P 區(qū)N 區(qū)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(2) PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)反向電壓、反向接法、反向偏置、反偏反向飽和電流 Is 內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)同向使空間電荷區(qū)變寬有利于漂移運(yùn)動(dòng) 不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)【問題引導(dǎo)】什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?. PN 結(jié)的伏安特性)1e (T/S UuII反向飽和電流溫度電壓當(dāng)量qkTUT 電子電量玻

9、爾茲曼常數(shù)當(dāng) T = 300(27C)：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向擊穿加正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)iISISPN結(jié)具有單向?qū)щ娦?！該常?shù)非常重要！內(nèi)電場(chǎng)P型N型自由電子漂移 撞擊價(jià)電子內(nèi)電場(chǎng)P型N型價(jià)電子被拉出變成自由電子內(nèi)電場(chǎng)P型N型等效電容極板等效充電電荷常把PN結(jié)當(dāng)電容使用！內(nèi)電場(chǎng)P型N型等效電容極板等效充電電荷5. PN節(jié)的溫度特性無(wú)論是正偏還是反偏，當(dāng)溫度升高時(shí)，電流增加1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)類型1.2.2 二極管的伏安特性1.2.4 二極管的主要參數(shù)1.2.3 二極管的勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容1.2.5 二極管等效電路1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與類型構(gòu)成：PN 結(jié)

10、+ 引線 + 管殼 = 二極管(Diode)符號(hào)：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(diǎn)接觸型面接觸型平面型陽(yáng)極陰極陽(yáng)極陰極點(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 型支持襯底點(diǎn)接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管1.2.2 二極管的伏安特性1. 二極管結(jié)電流方

11、程)1e (TD/SD UuIi反向飽和電流溫度電壓當(dāng)量qkTU T電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng) T = 300(27C)：UT = 26 mV二極管實(shí)質(zhì)就是一個(gè)PN結(jié)！2. 二極管的伏安特性曲線OuD /ViD /mA正向特性Uth開啟電壓U Uth時(shí)， iD 急劇上升0 U Uth時(shí) ，iD = 0反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0時(shí), iD = IS U U(BR) 時(shí)，反向電流急劇增大(反向擊穿)IS 材料材料開啟電壓開啟電壓Uth 導(dǎo)通電壓導(dǎo)通電壓UD(on) 反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.60.8V（通常?。ㄍǔＨ?.7V）1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.

12、3V（通常取（通常取0.3V）幾十A反向飽和電流擊穿電壓記得對(duì)二極管限流！不要讓二極管擊穿了！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(chǎng)太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價(jià)鍵。 (擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在 6 V 左右時(shí)，溫度系數(shù)趨近零。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.0203. 溫度對(duì)二極管特性的影響604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90CT 升高時(shí)，UD(on)以 (2

13、 2.5) mV/ C 下降【問題引導(dǎo)】溫度變化會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體元件的一些參數(shù)發(fā)生變化！內(nèi)電場(chǎng)P型N型等效電容極板等效充電電荷1.2.3 二極管的勢(shì)壘電容與擴(kuò)散電容內(nèi)電場(chǎng)P型N型等效電容極板等效充電電荷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?2. fM 最高工作頻率 (超過時(shí)單向?qū)щ娦宰儾?4. RD 直流電阻1. rd 交流電阻iDuDU (BR)I FURMOUDIDQ)(26DDTDDd IIUdiduIUr直流參數(shù)：交流參數(shù)：影響工作頻率的原因 PN 結(jié)的電

14、容效應(yīng) 結(jié)論：1. 低頻時(shí)，因結(jié)電容很小，容抗很大， 結(jié)電容對(duì) 二極管影響很小。 高頻時(shí)，因結(jié)電容容抗減小，使結(jié)電容分流， 導(dǎo)致二極管單向?qū)щ娦宰儾睢?. 結(jié)面積小時(shí)結(jié)電容小，工作頻率高。高頻信號(hào)時(shí)，必須考慮二極管的電容效應(yīng)！1.2.5 二極管等效電路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, rd = 0反偏截止， iD = 0 , rd = 2. 二極管的恒壓降模型（理想二極管串聯(lián)電壓源模型）uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.3 V (Ge)導(dǎo)通時(shí)3. 二極管的折線化模型uDiDUonUIIUrD 斜率1/ rdrDUon導(dǎo)通

15、時(shí) uD=Uon+rdid截止時(shí) id=0二極管的動(dòng)態(tài)電阻4. 二極管的低頻小信號(hào)模型二極管的動(dòng)態(tài)電阻反映了靜態(tài)工作點(diǎn)附近微變電壓和微變電流的動(dòng)態(tài)關(guān)系根據(jù)TD/sDeUuIi 得)(26DDTDDDDd IIUdiduiurIDmAiD=ID+idiD全電流ID直流分量id交流分量步驟：1. 設(shè)定工作電壓(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ )2. 確定工作電流(如 1 mA；10 mA；5 mA)3. 根據(jù)歐姆定律求電阻 R = (UI UD)/ ID(R 要選擇標(biāo)稱值)1.2.6 選擇二極管限流電阻記得對(duì)二極管限流！1.3.1 穩(wěn)壓二極管的工作原理1.3.2 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1.

16、3.3 穩(wěn)壓電路符號(hào)工作條件：反向擊穿iZ /mAuZ/VOUZ IZ IZMUZIZ iZ+-uZ1.3.1 穩(wěn)壓二極管的工作原理伏安特性【問題引導(dǎo)】穩(wěn)壓二極管的工作區(qū)是？穩(wěn)壓二極管起穩(wěn)壓作用是工作在反向擊穿區(qū)！進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流1.3.2 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ流過規(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 IZ 時(shí)不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動(dòng)態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 iZ /mAuZ/VOUZIZIZMUZIZ5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT%100ZZT TUUCUZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4 V UZ UN二極管導(dǎo)通采用恒壓降模型，二極管等效為 0.7 V 的恒壓源 PN記得先判斷：二極管導(dǎo)通嗎？UO = 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)0