半導體二極管及其應用電路解析課件

1、下 篇電 子 技 術電工與電子技術1下 篇電工與電子技術1第7章 半導體二極管及其應用2第7章 半導體二極管及其應用2 本章基本要求： 1. 了解半導體的結構，掌握雜質(zhì)半導體的基本特性，理解PN結的單向?qū)щ娦裕?2.掌握半導體二極管的導通、截止條件，伏安特性和主要參數(shù)； 3.熟悉穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓原理和應用電路； 4.了解特殊二極管的基本性能特點，熟悉二極管的應用電路。 第7章 半導體二極管及其應用3 本章基本要求：第7章 半導體二極管及其應用37.1 半導體的基本特性7.2 半導體二極管7.3 二極管應用電路本章教學內(nèi)容第7章 半導體二極管及其應用47.1 半導體的基本特性本章教學內(nèi)容第7章 半導

2、體二極管本章重點：本章難點： 1. 半導體及參雜半導體的特性；PN結及二極管的單向?qū)щ娦裕?. 二極管的特性曲線；4. 穩(wěn)壓二極管應用。 1. 二極管的單向?qū)щ娦院豌Q位作用；2. 穩(wěn)壓二極管電路分析。 第7章 半導體二極管及其應用5本章重點：本章難點： 1. 半導體及參雜半導體的特性；1. 引 言電子技術包含: 1.模擬電子; 2.數(shù)字電子.電路組成主要是半導體器件通常是晶體管晶體管有二極管和三極管晶體管的特性決定于半導體材料了解半導體材料理解晶體管和分析電路功能 對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應用。第7章 半導體二極管及其應

3、用6引 言電子技術包含: 1.模擬電子; 2.數(shù)字電 學會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用比較簡便的分析方法獲得滿足工程要求并具有實際意義的結果。 對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數(shù)值。 器件是非線性的、特性有分散性、數(shù)值有誤差、工程上允許一定的誤差，可以采用合理估算的方法。第7章 半導體二極管及其應用7 學會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)有關概念：導體： 導電能力很強的物質(zhì) (電阻率低小于10-4/cm ) 絕緣體：無導電能力的物質(zhì) (電阻率高大于109/cm)半導體：導電能力介于導體

4、和絕緣體之間的物體半導體的性能：導電性、熱敏性、光敏性、摻雜性； 其性能取決于物質(zhì)物理特性及結構7.1 半導體的基本特性8有關概念：導體： 導電能力很強的物質(zhì)7.1 半導體的基本晶體：半導體的原子排列具有整齊的點陣晶格結構, 又稱為晶體。本征半導體：純凈的、具有完整晶體結構的、由本征激發(fā)而形成電子和空穴對的半導體，稱為本征半導體。7.1.1 本征半導體Ge鍺原子平面圖Si硅原子平面圖晶體結構7.1 半導體的基本特性9晶體：半導體的原子排列具有整齊的點陣晶格結構, 又稱為晶體。 在半導體材料中, 用得最多的是硅和鍺,它們的最外層電子（價電子）都有四個電子, 稱為四價元素。相鄰原子之間的結合是共價

5、鍵結構 .1）半導體硅和鍺的共價鍵結構 共價鍵: 在晶體材料中，如果每個原子與其相鄰的原子之間共用一對(兩個)價電子形成吸引力, 稱為共價鍵.+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子共價鍵共用電子對7.1 半導體的基本特性10 在半導體材料中, 用得最多的是硅和鍺,它們的最外層電 價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（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。2）本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。 Si Si Si Si空穴 溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子 在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該

6、原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。7.1 半導體的基本特性價電子11 價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙 半導體中的電流：當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運動 電子電流 (2)價電子遞補空穴 空穴電流注意： (1) 本征半導體中載流子數(shù)目極少, 其導電性能很差； (2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。兩種載流子的特點： 自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中

7、載流子便維持一定的數(shù)目。7.1 半導體的基本特性12 半導體中的電流：當半導體兩端加上外電壓時，在半導體經(jīng)過實驗證明在本征半導體中用擴散方法摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。這種半導體稱為雜質(zhì)半導體。導電性能變化的原因是摻雜半導體的導電的載流子濃度大大增加。（載流子：自由電子與空穴）N型半導體(電子為多數(shù)，又稱電子半導體)P型半導體(空穴為多數(shù)，又稱空穴半導體)7.1.2 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體有兩種類型:7.1 半導體的基本特性13經(jīng)過實驗證明在本征半導體中用擴散方法摻入某些微量的雜質(zhì)，就會1）N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶體點陣中的某些硅原子被

8、雜質(zhì)取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的硅原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發(fā)而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。硅或鍺 +少量磷 N型半導體7.1 半導體的基本特性141）N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻），晶N型半導體結構多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi7.1 半導體的基本特性每個磷原子給出一個電子，常稱為施主原子15N型半導體結構多余電子磷原子硅原子+N型硅表示SiPSiSi2）P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦），晶體點陣中的某些硅原子被雜質(zhì)取代，硼原子的最外層有三個價

9、電子，與相鄰的硅原子形成共價鍵時，產(chǎn)生一個空穴。這個空穴可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。硅或鍺 +少量硼 P型半導體7.1 半導體的基本特性162）P型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦）P型半導體結構P型硅表示空穴硼原子SiSiSiB硅原子空穴因失去電子而被認為正電荷，并且由于遞補的作用被認為可以移動。7.1 半導體的基本特性由于硼原子接受電子，所以常稱為受主原子。17P型半導體結構P型硅表示空穴硼原子SiSiSiB硅原子空穴因3）雜質(zhì)半導體的示意表示法+N型半導體無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。7.1 半導體的基本特性P型半導體1

10、83）雜質(zhì)半導體的示意表示法+ 1. 在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。 2. 在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關。 3. 當溫度升高時，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。abc 4. 在外加電壓的作用下，P 型半導體中的電流主要是 ，N 型半導體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流） ba選擇思考題：7.1 半導體的基本特性19 1. 在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與 1. PN 結的形成1）PN 結：在同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和N型半導體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面就形成一種特殊結構 稱為P

11、N結。7.1.3 PN 結及其單向?qū)щ娦?7.1 半導體的基本特性P型半導體+N型半導體PN結201. PN 結的形成1）PN 結：在同一片半導體基片上，2）PN結內(nèi)載流子的運動漂移與擴散運動形成空間電荷區(qū)P型半導體N型半導體擴散運動漂移運動空間電荷區(qū)+7.1 半導體的基本特性212）PN結內(nèi)載流子的運動漂移與擴散運動形成空間電荷區(qū)P型半導內(nèi)電場越強，漂移運動越強，漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散使空間電荷區(qū)加寬漂移運動P型半導體N型半導體擴散運動內(nèi)電場E3）PN結內(nèi)電場的建立+隨著電荷區(qū)的形成內(nèi)電場也逐漸建立7.1 半導體的基本特性22內(nèi)電場越強，漂移運動越強，漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散使空間電漂

12、移運動P型半導體N型半導體+內(nèi)電場E4）PN結內(nèi)的動態(tài)平衡所以擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡，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。擴散運動7.1 半導體的基本特性23漂移運動P型半導體2. PN結的單向?qū)щ娦?）PN結正向偏置導通PN結正向偏置：P區(qū)電位高、N區(qū)電位低。內(nèi)電場減弱，擴散加強，擴散飄移，正向電流大空間電荷區(qū)變薄正向電流PN+R7.1 半導體的基本特性242. PN結的單向?qū)щ娦?）PN結正向偏置導通PN結正向偏內(nèi)電場加強，使擴散停止，有少量飄移，反向電流很小空間電荷區(qū)變厚反向電流+RPN+PN結反向偏置：P區(qū)電位低、N區(qū)電位高。2）PN結反向偏置截止7

13、.1 半導體的基本特性25內(nèi)電場加強，使擴散停止，空間電荷區(qū)變厚反向電流+RPN(a) 點接觸型(b)面接觸型 結面積小、結電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。 結面積大、正向電流大、結電容大，用于工頻大電流整流電路。7.2.1 二極管的基本結構1.結構; 2.類型; 3.電路符號。7.2 半導體二極管26(a) 點接觸型(b)面接觸型 結面積小、結電容小、正PNPN符號陽極陰極+陰極引線陽極引線二氧化硅保護層P型硅N型硅( c ) 平面型(c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN結結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。7.2 半導體二極管27PNPN符號陽極陰極+陰極引線陽極

14、引線二氧化硅保護層P型硅7.2.2 伏安特性和主要參數(shù)1. 二極管的特性曲線: (見下頁)1） 正向特性: (1)死區(qū)電壓UDf(0.5V,0.1V); (2)導通電壓UDo(0.6V,0.2V); (3)電流與電壓為指數(shù)關系.2）反向特性: (1)反向飽和電流IRS很小; (2)反向擊穿電壓UBR.3） 理想二極管: (1)正向?qū)妷簽榱?UD=0); (2)反向截止為開路(RD=).7.2 半導體二極管287.2.2 伏安特性和主要參數(shù)1. 二極管的特性曲線: (1. 二極管的伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿特性U(BR)導通壓降 外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。 外加電壓大

15、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?.60.8V鍺0.20.3VUI死區(qū)電壓PN+PN+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)不變，稱為飽和。7.2 半導體二極管291. 二極管的伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿導通常用電路及理想特性UIE+-R限流電阻理想二極管特性UI0UI導通壓降: 硅管0.60.7V,鍺管0.20.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓 硅管0.5V,鍺管0.1V。反向飽和電流（很小，A級）07.2 半導體二極管30常用電路及理想特性UIE+-R限流電阻理想二極管特性UI0U1）最大整流電流 IOM2）反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給

16、出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3）反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿琁RM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。2. 二級管的主要參數(shù)二極管長期使用時，允許流過的最大正向平均電流7.2 半導體二極管311）最大整流電流 IOM2）反向工作峰值電壓URWM是保證二7.2.3 特殊二極管1. 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管是一種用特殊工藝制成的面接觸型硅二極管，其特殊之處在于它工作在特性曲線的反向擊穿區(qū)，正

17、常工作時處于反向擊穿狀態(tài)，并通過制造工藝保證PN結不會被熱擊穿。 UIO穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓，并加限流電阻（1）特性曲線7.2 半導體二極管符號： _+327.2.3 特殊二極管1. 穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓（2） 主要參數(shù)1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。3) 動態(tài)電阻4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。7.2 半導體二極管33（2） 主要參數(shù)1) 穩(wěn)定電壓UZ 2) 電壓溫2. 發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管是可將電

18、能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件。能產(chǎn)生不同顏色的可見光或紅外 輻射光。 發(fā)光二極管的結構與普通二極管一樣，伏安特性曲線也相似，同樣具有單向?qū)щ娦?。 發(fā)光二極管多被用作儀表的指示器、光電耦合器和光學儀器的光源等領域。 342. 發(fā)光二極管半導體發(fā)光二極管是可將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的符號2. 發(fā)光二極管(LED) 發(fā)光二極管是可將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的半導體發(fā)光器件。能產(chǎn)生不同顏色的可見光或紅外 輻射光。 發(fā)光二極管的結構與普通二極管一樣，伏安特性曲線也相似，同樣具有單向?qū)щ娦?。 發(fā)光二極管多被用作儀表的指示器、光電耦合器和光學儀器的光源等領域。 常用的有2EF等系列。發(fā)光二極管的工作電壓為1.5

19、 3V，工作電流為幾 十幾mA。7.2 半導體二極管35符號2. 發(fā)光二極管(LED) 發(fā)光二極管是可將電能直接 光電二極管在反向電壓作用下工作。當無光照時, 和普通二極管一樣, 其反向電流很小, 稱為暗電流。當有光照時, 產(chǎn)生的反向電流稱為光電流。I/AU/ VE=0E1E2(a) 伏安特性(b) 符號E2 E1常用的光電二極管有2AU, 2CU等系列。 光電流很小, 一般只有幾十微安, 應用時必須放大。3. 光電二極管 光電二極管是將光信號變成電信號的半導體器件。它的核心部分也是一個PN結。 7.2 半導體二極管36 光電二極管在反向電壓作用下工作。當無光照時, I/4. 變?nèi)荻O管 變?nèi)?/p>

20、二極管也稱為壓控變?nèi)萜鳎歉鶕?jù)所施加的電壓變化而改變結電容的半導體。 變?nèi)荻O管的結電容能隨外加的反向偏壓而變化，被用來調(diào)頻、掃頻及相位控制。調(diào)頻發(fā)射機采用變?nèi)荻O管在工作在LC振蕩回路上直接調(diào)頻；采用晶體振蕩器和鎖相環(huán)路來穩(wěn)定中心頻率。 7.2 半導體二極管374. 變?nèi)荻O管 變?nèi)荻O管也稱為壓控變?nèi)萜鳎歉ㄐ苑治觯号袛喽O管的工作狀態(tài)導通截止否則，正向管壓降硅0.60.7V鍺0.20.3V 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。若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導通若 V陽 8V，二極管導通，可看作短路 uo = 8V; ui 8V，二極

21、管導通，已知：8V例3：二極管的用途：u電路如圖，求：UAB V陽 =6 V， V陰 =12 V， V陽V陰 二極管導通。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V，否則， UAB低于6V一個管壓降，為6.3或6.7V例1： 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位 在這里，二極管起鉗位作用。 D6V12V3kBAUAB+7.3 二極管應用電路41電路如圖，求：UAB V陽 =6 V， V陰兩個二極管的陰極接在一起取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V，UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導通， D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向電壓為6 V流過 D2 的電流為求：UAB 在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。 BD16V12V3kAD2UAB+7.3 二極管應用電路42兩個二極管的陰極接在一起V1陽 =6 V，V2陽=0 V，例5：ui如圖所示，已知RCtp