半導體二極管及其基本應(yīng)用電路

1、半導體二極管及其基本應(yīng)用電路第1頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二本章重點:1、理解并掌握半導體的基本知識；理解PN結(jié)的工作 原理，掌握PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、二極管的伏安特性3、二極管電路分析方法4、二極管的應(yīng)用：整流、穩(wěn)壓、限幅等電路第2頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 根據(jù)物體導電能力(電阻率)的不同，劃分為導體、絕緣體和半導體。 半導體的電阻率為10-3109 cm。典型的半導體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。半導體的特點：1）導電能力不同于導體、絕緣體；2）受外界光和熱刺激時電導率發(fā)生很大變化光敏元件、熱敏元件；3）摻進微量雜質(zhì)，

2、導電能力顯著增加半導體。3、1 半導體基礎(chǔ)知識一、本征半導體本征半導體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)第3頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二1、半導體：導電能力介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)。硅 ( Si ) 、鍺 ( Ge ) 原子結(jié)構(gòu)及簡化模型：+14284+3228418+4價電子慣性核硅和鍺是四價元素，在原子最外層軌道上的四個電子稱為價電子。它們分別與周圍的四個原子的價電子形成共價鍵。第4頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和鍺共價鍵結(jié)構(gòu)示意圖：共價鍵共用電子對第5頁，共75頁，2022年，5月20

3、日，17點29分，星期二本征半導體：完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣（晶格），每個原子都處在正四面體的中心，而四個其它原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)：2、本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)第6頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)：共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子 形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是8個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共價鍵有很強的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。第7頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 共價鍵中

4、的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。+4+4+4+43、本征半導體中的載流子載流子可以自由移動的帶電粒子。第8頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 當T升高或光線照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛產(chǎn)生自由電子空穴對，從而參與導電 共價鍵具有很強的結(jié)合力。 當T=0K（無外界影響）時，共價鍵中無自由移動的電子，幾乎不導電。這種現(xiàn)象稱注意：空穴的出現(xiàn)是半導體區(qū)別于導體的重要特征；本征半導體是依靠自由電子和空穴兩種載流子導電的物質(zhì)。導體導電只有自

5、由電子一種載流子。本征激發(fā) 本征激發(fā)第9頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大，導電性增強。動態(tài)平衡第10頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導體的導電能力越強。因此溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于

6、載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。第11頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二1、N型半導體（電子型半導體）：二、雜質(zhì)半導體+4+4+5+4+4簡化模型：N型半導體多子自由電子少子空穴自由電子本征半導體中摻入少量五價元素（P）構(gòu)成。 雜質(zhì)半導體主要靠多子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。施主原子第12頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二2、P型半導體（空穴型半導體）+4+4+3+4+4簡化模型：P型半導體少子自由電子多子空穴空 穴本征半導體中摻入少量三價元

7、素（B）構(gòu)成。 P型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導電性越強。受主原子第13頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二三、PN結(jié) 利用摻雜工藝，把P型半導體和N型半導體在原子級上緊密結(jié)合，P區(qū)與N區(qū)的交界面就形成了PN結(jié)。PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?摻雜N型P型PN結(jié)實際的PN結(jié)為不對稱結(jié)。根據(jù)摻雜濃度的不同，有P+N結(jié)和PN+結(jié)之分。1、PN結(jié)的形成第14頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二P區(qū)空穴(多子)向N區(qū)擴散，留下不能移動的負離子；N區(qū)電子(多子)向P區(qū)擴散，留下不能移動的正離子；正負離子形成空間電荷區(qū)（阻擋層、耗盡層、勢壘區(qū)）

8、由于P型和N型半導體交界面兩側(cè)，自由電子和空穴的濃度存在極大差異（導致擴散運動）:第15頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二動態(tài)平衡下的PN結(jié)出現(xiàn)內(nèi)建電場開始因濃度差產(chǎn)生空間電荷區(qū)引起多子擴散最終達動態(tài)平衡注意： PN結(jié)處于動態(tài)平衡時，擴散電流與漂移電流相抵消，通過PN結(jié)的電流為零?？臻g電荷區(qū)寬度一定、內(nèi)電場一定，形成PN結(jié)。 方向由N區(qū)指向P區(qū)阻止多子擴散（擴散運動 ）利于少子漂移（漂移運動 ）在電場力作用下，載流子的運動稱為漂移運動。第16頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二P型半導體N型半導體+擴散運動內(nèi)電場E漂移運動擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐

9、漸加寬，空間電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場越強。內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)也稱耗盡層第17頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二漂移運動P型半導體N型半導體+擴散運動內(nèi)電場E 擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第18頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二1.動態(tài)平衡時，空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙P區(qū)中的空穴和N區(qū)中的電子（都是多子）向?qū)Ψ竭\動（擴散運動）。3.P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子），數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小。注

10、意第19頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?外加的正向電壓，方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相反，削弱了內(nèi)電場。于是,內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結(jié)呈現(xiàn)低阻性。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。 (1)PN結(jié)加正向電壓導通 外加正向電壓越大，通過阻擋層的電流就越大。為防止PN結(jié)燒毀，一般接限流電阻 R 。第20頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二PN結(jié)正偏動畫演示P區(qū)N區(qū)第21頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 PN結(jié)單向?qū)щ娞?/p>

11、性（正偏導通）P+N內(nèi)建電場Elo+ -VPN結(jié)正偏阻擋層變薄內(nèi)建電場減弱多子擴散少子漂移多子擴散形成較大的正向電流IPN結(jié)導通I電壓V 電流I 第22頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 外加反向電壓,方向與PN結(jié)內(nèi)電場方向相同，加強了內(nèi)電場。內(nèi)電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結(jié)區(qū)的少子在內(nèi)電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性。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。 在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形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(guān)，這個電流也稱為反

12、向飽和電流。 （2）PN結(jié)加反向電壓截止第23頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二PN結(jié)反偏動畫演示P區(qū)N區(qū)第24頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 PN結(jié)單向?qū)щ娞匦裕ǚ雌刂梗㏄+N內(nèi)建電場Elo- +VPN結(jié)反偏阻擋層變寬內(nèi)建電場增強少子漂移多子擴散少子漂移形成微小的反向電流IRPN結(jié)截止IRIR與V 近似無關(guān)。溫度T 電流IR第25頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦?。總之：PN結(jié)正向電阻小，反向電阻大。 二極管 ：一個PN結(jié)就是一個二極管。單向?qū)щ姡憾O管正極接電源正極，負極接電源負極時電流可以

13、通過。反之電流不能通過。符號：第26頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二3、PN結(jié)的電流方程PN結(jié)正、反向特性，可用理想的指數(shù)函數(shù)來描述： 熱電壓 26mV（室溫）其中： IS為反向飽和電流，其值與外加電壓近似無關(guān)，但受溫度影響很大。正偏時： uUT 反偏時： uVD(on)時 隨著V 正向R很小 I PN結(jié)導通；V 6V) 形成原因: 碰撞電離。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因: 場致激發(fā)。 發(fā)生條件PN結(jié)摻雜濃度較高 (lo較窄)外加反向電壓較小( Cd ，則 Cj Cb PN結(jié)總電容： Cj = Cb + Cd PN結(jié)正偏時，Cd Cb ，則 Cj Cd故：P

14、N結(jié)正偏時，以Cd（擴散電容）為主。 故：PN結(jié)反偏時，以Cb（勢壘電容）為主。通常：Cd 幾十pF 幾千pF。通常：Cb 幾pF 幾十pF。 PN結(jié)電容值很小，對低頻信號呈現(xiàn)很大的容抗，其作用可忽略；只有在高頻時才考慮結(jié)電容的作用。第32頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二總結(jié)2、PN結(jié)正向?qū)?、反向截止?、PN結(jié)的反向擊穿有兩種。雪崩擊穿（低摻雜）電壓高（6V），具有正溫度系數(shù)；齊納擊穿（高摻雜）電壓低（0，則管子導通；反之截止；實際二極管：若VVD(on)，則管子導通；反之截止。當電路中存在多個二極管時，正偏電壓最大的管子優(yōu)先導通。其余管子需重新分析其工作狀態(tài)。二

15、極管電路分析方法第41頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二例1：判別二極管是導通還是截止。+9V-+1V- +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-截止+18V-+2V- +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-導通-9V+-1V+ +2.5V - +12.5V - +14V -+1V-截止第42頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二例2、由二極管構(gòu)成的電路如圖所示，試判斷二極管導通或截止，并求出輸出電壓。有多個二極管時的判斷方法： 將二極管全部斷開，求出二極管的陽極和陰極電位，若陽極電位高于陰極電位則該管導通，否則截止。另

16、外哪只管子承受的正向電壓高，則哪只管子先導通。判斷結(jié)果：D1導通，D2截止。VAO= 0V 斷開D1、D2，則D1（負極電位為-12V，正極電位為0）；D2 （負極電位為-12V，正極電位為-15V）。故D1優(yōu)先導通，使UAO=0，迫使D2反偏截止。第43頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二例3：設(shè)二極管是理想的，求VAO的值。圖(a)，假設(shè)D開路，則D兩端電壓： VD=V1V2= 6 12= 18 0V，VD2=V2(V1)=15V 0V 由于VD2 VD1 ，則D2優(yōu)先導通。此時VD1= 6V 0V時，D導通，則vO=vi當vi 0V時，D截止，則vO=0V由此，利用

17、二極管的單向?qū)щ娦裕瑢崿F(xiàn)了半波整流。將交流電轉(zhuǎn)化成脈動直流電。 若輸入信號為正弦波： 平均值： VOt0vit0vO整流電路是利用二極管的單向?qū)щ娮饔?，將交流電變成直流電的電路?第47頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二全波整流220VuLioRLe2e2+-+220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUL0.9E2第48頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二畫輸出信號波形的方法 根據(jù)輸入信號大小 判斷二極管的導通與截止 找出vO與vI關(guān)系 畫輸出信號波形。例1：設(shè)二極管是理想的，vi =6sint(V)，試畫vO波形。解：vi 2V時，D導通，則

18、vO=vivi 2V時，D截止，則vO=2V由此可畫出vO的波形。 +-DV+-+-2V100RvOvit620vi(V)vO(V)t026第49頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二 電路如圖(a)，k，REF=3V，二極管為硅管。試分別用理想模型（圖b）和恒壓降模型（圖c）求解：當vi=4V時，輸出電壓值；當vi=6Sint 時 ，輸出電壓波形。例2：解：（2）輸出波形如（d）、（e）所示第50頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二正半周：D1、D3 導通D2、D4 截止負半周：D2、D4導通D1、D3截止例3、求整流電路的輸出波形。解：-+第51頁

19、，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二限幅電路是限制輸出信號幅度的電路。2、限幅電路(削波電路）第52頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二兩個二極管組成的限幅電路V2viV1時，D1、D2截止,vo=vi t0vit0vOVi V1時，D1導通、D2截止,vo=V1 Vi V2時，D2導通、D1截止,vo=-V2 由此 ，電路實現(xiàn)雙向限幅功能。vOvi+-D1+-+-RD2V1-V2+-其中：V1為上門限電壓， V2為下門限電壓。V1-V2-V2V1第53頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二鉗位電路：使輸出電位鉗制在某一數(shù)值上保持不

20、變。設(shè)二極管為理想元件，當輸入UAUB5V時，二極管V1，V2正偏導通，輸出被鉗制在UA和UB上，即UF5V；當UA0V，UB5V，則V1導通，輸出被鉗制在UFUA0V，V2反偏截止；當UA5V，UB0V，則V2導通，輸出被鉗制在UFUB0V，V1反偏截止。3、開關(guān)電路（鉗位電路）“與門”第54頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二利用二極管的單向?qū)щ娦钥勺鳛殡娮娱_關(guān)vI1 vI2二極管工作狀態(tài)D1 D2v00V 0V導通 導通導通 截止截止 導通截止 截止0V 5V5V 0V5V 5V0V0V0V5V例1：求vI1和vI2不同值組合時的v0值（二極管為理想模型）。解： 開

21、關(guān)電路第55頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二第4次作業(yè) P61 3.5（b）、（d）第56頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二VZID(mA)V(V)IZminIZmax3.3 穩(wěn)壓二極管及其基本應(yīng)用電路 穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝制造的面結(jié)型硅半導體二極管。一、穩(wěn)壓管的伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流 由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。限流電阻 要求：Izmin Iz VD(on)+Vz1時，D2正向?qū)?、D1反向擊穿（穩(wěn)壓）Vo=Vomax= VD(on)+Vz12、 V

22、i-(VD(on)+Vz2)時，D1正向?qū)?、D2反向擊穿（穩(wěn)壓）Vo=Vomin= -(VD(on)+Vz2)3、 -(VD(on)+Vz2)ViURH時， uO1= uO2= UOM；D1導通，D2截止； uO= UZ。 2、當uIURL時， uO2= uO1= UOM；D2導通，D1截止； uO= UZ 。 3、當URLuIR3=R2）第68頁，共75頁，2022年，5月20日，17點29分，星期二VA4V， VB -4V則：VN=4V，VP=-4V當VIVN時，D1截止，D2導通，輸出高電平；當VIVP時，D1導通，D2截止，輸出高電平。該電路為窗口比較器。電壓傳輸特性如圖所示。第69