模擬第一章半導體二極管及其應用ppt課件

1、1.1半導體的根本知識半導體的根本知識為什么研討半導體？ 電子電路任務的中心器件是晶體管，而晶體管是由半導體資料構成的。 學習本章需掌握半導體的外部特學習本章需掌握半導體的外部特性和主要參數(shù)；了解半導體中載流子性和主要參數(shù)；了解半導體中載流子的運動及半導體二極管的內(nèi)部任務原的運動及半導體二極管的內(nèi)部任務原理。理。1.1.1 半導體的導電特性 一、半導體： 導電性能介于導體與絕緣體之間的物質。 單質半導體：碳(C)、硅(Si)、鍺(Ge) 化合物半導體：磷化鎵、砷化鎵、磷砷化鎵等本征半導體：99.9999999% 純度的具有晶體構造的半導體 “九個九物質按照其原子陳列特點可分為：晶體：原子、分子

2、完全按照嚴厲的周期性反復陳列的物質稱為晶體，原子呈無序陳列的叫做非晶體，介于這兩者之間的叫做準晶體。 晶格：晶體中的原子在空間構成陳列整齊的點陣，稱為晶格。大多數(shù)半導體器件所大多數(shù)半導體器件所用主要資料是硅和鍺用主要資料是硅和鍺化學元素周期表化學元素周期表鉆石構造從本征從本征Si構造上分析其導電性構造上分析其導電性硅晶體的立體構造硅晶體的立體構造共價鍵共價鍵Covalence Bond圖圖1.1.1 本征半導體平面構造表示圖本征半導體平面構造表示圖本征激發(fā)和復合的過程本征半導體的激發(fā)與復合本征半導體的激發(fā)與復合激發(fā)：半導體受外界要素激發(fā)：半導體受外界要素(例如溫度、光照、電場等例如溫度、光照、

3、電場等)的影響，的影響， 產(chǎn)生產(chǎn)生“電子電子空穴對的過程?？昭▽Φ倪^程。復合：電子空穴對消逝的過程。復合：電子空穴對消逝的過程。特點：特點：a. 激發(fā)構成兩種載流子：自在電子與空穴。激發(fā)構成兩種載流子：自在電子與空穴。b. 自在電子數(shù)自在電子數(shù) = 空穴數(shù)?？昭〝?shù)。c. 兩種載流子參與導電。兩種載流子參與導電。d. 導電性能與激發(fā)要素導電性能與激發(fā)要素(溫度、光照有很大關系。溫度、光照有很大關系。圖圖1.1.3 N型半導體型半導體二、雜質半導體導電二、雜質半導體導電才干的可控性才干的可控性經(jīng)過分散工藝，在本征半導經(jīng)過分散工藝，在本征半導體中摻入少量適宜的雜體中摻入少量適宜的雜質元素質元素,得到

4、雜質半導體。得到雜質半導體。N型半導體型半導體在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入5價價P元素，構成元素，構成N型半導體。型半導體。特點：自在電子的數(shù)目遠遠特點：自在電子的數(shù)目遠遠大于空穴的數(shù)目，稱為多子；大于空穴的數(shù)目，稱為多子；空穴稱為少子?？昭ǚQ為少子。在本征半導體中摻入在本征半導體中摻入3價價B元素，構成元素，構成P型半型半導體。導體。特點：空穴的數(shù)目遠遠大特點：空穴的數(shù)目遠遠大于自在電子的數(shù)目，稱為于自在電子的數(shù)目，稱為多子；自在電子稱為少子。多子；自在電子稱為少子。P型半導體型半導體圖圖1.1.4 P型半導體型半導體 硅多用于制造敏感元件，例如光敏電阻、熱敏電阻等，可以把非電物理量

5、例如光照強度、溫度轉換為電量例如電阻、電壓、電流。光敏電阻的運用舉例傻瓜相機1.1.2 PN結及其單導游電性一、 PN結的構成二、 PN結的單導游電性一、 PN結的構成 在一塊本征半導體在兩側經(jīng)過分散不同的雜質,分別構成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上構成如下物理過程: 因濃度差 多子的分散運動由雜質離子構成空間電荷區(qū) 空間電荷區(qū)構成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子分散 最后,多子的分散和少子的漂移到達動態(tài)平衡。對于 P型半導體和N型 半導體結合面， 離子薄層構成的 空間電荷區(qū)稱為 PN結。在空間電 荷區(qū)，由于短少 多子，所以也稱 耗盡層。 圖01.0

6、6 PN結的構成過程 動畫1-1 PN 結構成的過程可參閱右圖二、 PN結的單導游電性 假設外加電壓使PN結中： P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏； P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。 、 PN結加正向電壓時的導電情況結加正向電壓時的導電情況 外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內(nèi)電場方向相反，減弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙減弱，分散電流加大。分散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結導通呈現(xiàn)低阻性。 PN結加正向電壓時的導電情況如以下圖所示。 動畫1-2PN結加正向電壓時的導電情況 、 PN結加反向電壓時的導結加反向

7、電壓時的導電情況電情況 外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內(nèi)電場方向一樣，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子分散運動的妨礙加強，分散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下構成的漂移電流大于分散電流，可忽略分散電流，PN結截止呈現(xiàn)高電阻性。 PN結加反向電壓時的導電情況如下頁圖所示。PN結加反向電壓時的導電情況 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決議的少子濃度是一定的，故少子構成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。 PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向分散電流；PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。由此可以得出

8、結論：PN結具有單導游電特性。 動畫1-3PN結加反向電壓時的導電情況PN結單導游電性的特點結單導游電性的特點正導游通、反向截止；正導游通、反向截止；正向電阻小、反向電阻大；正向電阻小、反向電阻大；正向電流大、反向電流??；正向電流大、反向電流?。?導通電壓導通電壓Von硅資料為硅資料為0.60.8V左右；左右；鍺資料為鍺資料為0.20.3V左右。左右。1.2 半導體二極管1.2.1二極管的構造類型1.2.2二極管的伏安特性1.2.3 二極管的參數(shù)1.2.4 二極管的運用二極管實物照片1.2.1 二極管的構造類型二極管構成二極管構成 在在PN結上加上引線和封結上加上引線和封裝，就成為一個二極管裝

9、，就成為一個二極管(1) 點接觸型二極管 PN結面積小，結電容小，只允許流過幾十毫安電流，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型 二極管按資料分：硅二極管和鍺二極管。按構造分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的構造表示圖如下所示。二極管分類二極管分類(c)平面型(3) 平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中。PN 結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。電流較大。(2) 面接觸型二極管 PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。電流可達幾安到幾十安。(b)面接觸型(d)二極管的符號k k陰極陰極陽極陽極a a(4) 二極管的符號二極管的構造表示圖1.2.2 二極管的伏安特性及等效電路一

10、、二極管的伏安特性一、二極管的伏安特性圖1.2.2二極管的伏安特性當正向電壓超越死區(qū)電壓后，當正向電壓超越死區(qū)電壓后，二極管導通二極管導通,電流與電壓關系近似指數(shù)關系。電流與電壓關系近似指數(shù)關系。死區(qū)電壓：死區(qū)電壓：導通壓降：導通壓降：結論：二極管具有單導游電性，正導游通，反向截止。結論：二極管具有單導游電性，正導游通，反向截止。二極管方程：二極管方程：式中：式中： IS為反向飽和電流為反向飽和電流 UT 是溫度電壓當量，是溫度電壓當量， 常溫下常溫下UT近似為近似為26mV。) 1(STUUIIe eTUUIIeS反偏時，反向電流值很小，反偏時，反向電流值很小，反向電阻很大，反向電阻很大，反

11、向電壓超越反向電壓超越UBR那么被擊穿。那么被擊穿。思索題思索題 能否允許將能否允許將1.5V的干電池以正向接法接至二極管的兩端？為什么？的干電池以正向接法接至二極管的兩端？為什么？答：不允許。這將導致二極管燒毀或電池短路損壞。答：不允許。這將導致二極管燒毀或電池短路損壞。 由由PN結伏安特性式計算可知：當結伏安特性式計算可知：當 UD=1.5V 時，時， ID IS1.141025A這時，即使這時，即使IS很小，例如很小，例如 nA 數(shù)量級數(shù)量級10-9 A，有：有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 A根據(jù)計算，干電池輸出功率將到達：根據(jù)計算，干電池輸出功率將到達：

12、P = UI = 1.5V 1.141016 A=1.711016 W= 1.71 億億億億 W 這顯然是不能夠的。后果必然是：或者燒毀二極管，或者使電池短路這顯然是不能夠的。后果必然是：或者燒毀二極管，或者使電池短路損壞。因此應制止將二極管直接與電池相連。損壞。因此應制止將二極管直接與電池相連。1理想模型理想模型圖圖1.2.3a 二極管的理想等效模型二極管的理想等效模型二、二極管的等效電路一、由伏安特性線性化得到的等效模型電路一、由伏安特性線性化得到的等效模型電路(a) uD 0，二極管導通；，二極管導通；u D 0.7 V，二極管，二極管導通；導通；uD 0.7 V，二極管截止。，二極管截

13、止。1.2.3 二極管的參數(shù) (1) 最大整流電流IF二極管長期延續(xù)工作時，允許經(jīng)過二極管的最大正向電流的平均值。(2) 反向擊穿電壓VBR和最大反向任務電壓VR 二極管反向電流急劇添加時對應的反向電壓值稱為反向擊穿電壓VBR。 為平安計，在實踐任務時，最大反向任務電壓VR普通只按反向擊穿電壓VBR的一半計算。 (3) 反向電流IR (4) 正向壓降VF 在室溫下，在規(guī)定的反向電壓下，普通是最大反向任務電壓下的反向電流值。硅二極管的反向電流普通在納安(nA)級；鍺二極管在微安(A)級。 在規(guī)定的正向電流下，二極管的正向電壓降。小電流硅二極管的正向壓降在中等電流程度下，約0.60.8V；鍺二極管

14、約0.20.3V。(5)*最高任務頻率最高任務頻率fM ：如何用萬用表的：如何用萬用表的“ 檔來區(qū)分一只檔來區(qū)分一只二極管的陽極、陰極以及二極管的好壞？二極管的陽極、陰極以及二極管的好壞？思索題思索題半導體二極管的型號國家規(guī)范對半導體器件型號的命名舉例如下：1.2.4二極管的運用整流、限幅、開關1二極管整流電路二極管整流電路2 二極管開關電路二極管開關電路3二極管限幅電路二極管限幅電路ID+vo-R 10K+vi 例例1.2.2 電路圖電路圖VREF 例例1.2.2 如圖如圖1.2.10 所示電路。所示電路。試畫出試畫出VREF分別為分別為0、5V時的波時的波形。其中形。其中vi=10sint

15、V。1穩(wěn)壓二極管的伏安特穩(wěn)壓二極管的伏安特性性 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓VZ 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ IZmin 、IZmax 額定功耗額定功耗PZM 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ 溫度系數(shù)溫度系數(shù)圖圖1.3.1 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓管的 伏安特性伏安特性2穩(wěn)壓二極管的主要參穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)數(shù) 利用二極管反向擊穿特利用二極管反向擊穿特性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)性實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時任務在反向電擊穿形狀。壓時任務在反向電擊穿形狀。其伏安特性如圖其伏安特性如圖1.3.1所示。所示。1.3 .1穩(wěn)壓二極管1.3 特殊用途二極管穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ ：穩(wěn)壓管任務在反向擊穿區(qū)：穩(wěn)壓管任務在反向擊穿區(qū) 時的任務電壓。時的任

16、務電壓。2. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ ：穩(wěn)壓管正常任務時的參考電流。：穩(wěn)壓管正常任務時的參考電流。3. 動態(tài)內(nèi)阻動態(tài)內(nèi)阻rZ ：穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量：穩(wěn)壓管兩端電壓和電流的變化量之比。之比。 rZ= U / I4. 電壓的溫度系數(shù)電壓的溫度系數(shù)U：穩(wěn)壓管電流不變時，：穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度對穩(wěn)定電壓的影響。環(huán)境溫度對穩(wěn)定電壓的影響。5. 額定功耗額定功耗PZ ：電流流過穩(wěn)壓管時耗費的功率。：電流流過穩(wěn)壓管時耗費的功率。運用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時的本卷須知：運用穩(wěn)壓管組成穩(wěn)壓電路時的本卷須知：穩(wěn)壓管必需任務在穩(wěn)壓管必需任務在反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管應與負載穩(wěn)壓管應與負載RL并聯(lián)。并

17、聯(lián)。必需串聯(lián)一電阻進必需串聯(lián)一電阻進展限流，以維護穩(wěn)展限流，以維護穩(wěn)壓管。壓管。任務原理：當輸入電壓或負載電流變化時，經(jīng)過該電任務原理：當輸入電壓或負載電流變化時，經(jīng)過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)理穩(wěn)壓管的任阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)理穩(wěn)壓管的任務電流，從而起到穩(wěn)壓作用。務電流，從而起到穩(wěn)壓作用。圖圖1.3.2 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路 例例131* 在圖在圖1211所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，知所示穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路中，知穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓Uz=6V，最小穩(wěn)定電流，最小穩(wěn)定電流Izm=5mA，最大，最大穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZmax=25mA；負載電阻；負載電阻RL=6

18、00。求解限流電阻。求解限流電阻R的取值范圍。的取值范圍。3穩(wěn)壓二極管構成的穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管構成的穩(wěn)壓電路電路解：從圖解：從圖1.2.11所示電路可知，所示電路可知，R上電流上電流IR等于穩(wěn)壓管中等于穩(wěn)壓管中電流電流IDZ 和負載電流和負載電流IL之和，即之和，即 :LDZRIIIIDZ=525mAmA10K60V6RUILZL.限流電阻限流電阻R的取值范圍為的取值范圍為114227。）（標稱系列值：?？扇朔Q值91,82,75,68,62,56,51,47,43,39,36,33,30,27,24,22,20,18,16,15,13,12,11,10200R例例 電路如下圖，知電路如下圖，知U

19、Imax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 對應對應UZ= 0.3V。求求rZ ，選擇限流電阻，選擇限流電阻R 例例:設計如下圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電設計如下圖穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路，知路，知VO=6V， 輸入電壓輸入電壓VI 動動搖搖10%， RLmin=1k。 + R - IR + - RL IL VO VI IZ DZ 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路解：解：1選擇選擇DZ ：mAARVIIVVVLLZOZ)1812(10006)32()32()32(6min0maxmax 查手冊，選擇查手冊，選擇DZ 為為

20、2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA, IZmin=5mA2選擇限流電阻選擇限流電阻R：）（標稱系列值：?？扇朔Q值取91,82,75,68,62,56,51,47,43,39,36,33,30,27,24,22,20,18,16,15,13,12,11,10470)(6821000/61056%)101 (15)(2411000/610386%)101 (1515,)1812(3minminmax3maxmaxminRIIVVRIIVVRVVVVVOZOIOZOIIOI其它類型二極管其它類型二極管發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型

21、，這里只對可見發(fā)光二極管包括可見光、不可見光、激光等不同類型，這里只對可見光發(fā)光二極管做一簡單引見。光發(fā)光二極管做一簡單引見。發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決議于所用資料，目前有紅、綠、黃、橙等可發(fā)光二極管的發(fā)光顏色決議于所用資料，目前有紅、綠、黃、橙等可以制成各種外形，如長方形，圓形。以制成各種外形，如長方形，圓形。開啟電壓比普通二極管的大，任務電壓普通在開啟電壓比普通二極管的大，任務電壓普通在1.52.5V之間，任務電之間，任務電流在流在530mA之間，電流越大，發(fā)光越強。之間，電流越大，發(fā)光越強。發(fā)光二極管的開啟電壓發(fā)光二極管的開啟電壓圖1.3.3 發(fā)光二極管紅光：紅光：1.61.8V綠光：綠光： 1.82.0V黃光：黃光： 1.61.8V藍光：藍光： 2.22.5V白光：白光： 2.22.5V 發(fā)光二極管因其驅動電壓發(fā)光二極管因其驅動電壓低、功耗小、壽命長、可低、功耗小、壽命長、可靠性高等