章半導體二極管及其基本電路精

第1章半導體二極管及其基本電路半導體的基礎(chǔ)知識半導體二極管二極管電路的分析方法1.4

半導體二極管的應用1.5

特殊二極管小

結(jié)1.1

半導體的基礎(chǔ)知識本征半導體雜質(zhì)半導體PN結(jié)半導體的特點熱敏性：半導體的導電能力與溫度有關(guān)利用該特性可做成熱敏電阻光敏性：半導體的導電能力與光的照射有關(guān)系利用該特性可做成光敏電阻摻雜性：摻入有用的雜質(zhì)可以改變半導體的導電能力利用該特性可做成半導體器件1.1.1

本征半導體半導體—導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導體—純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。1、半導體的原子結(jié)構(gòu)硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核價電子(

電子)2、本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的?？昭?、本征半導體的導電情況當溫度為絕對零度以下時，該結(jié)構(gòu)為絕緣體在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的空穴可在共價鍵內(nèi)移動成為電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)自由電子空穴本征激發(fā)：復

合：電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)對的過程。漂

移：電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的成為電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。載流子：運動的帶電粒子兩種載流子電子(

電子)空穴兩種載流子的運動電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動結(jié)論：本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；本征半導體導電能力弱，并與溫度有關(guān)。1.1.2

雜質(zhì)半導體一、N

型半導體N

型+5+4+4+4+4+4磷原子電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)二、P

型半導體P

型+3+4+4+4+4硼原子+4空穴空穴

—

多子電子

—

少子載流子數(shù)

空穴數(shù)三、雜質(zhì)半導體的導電作用IIPINI

=

IP

+

INN

型半導體I

INP

型半導體

I

IP四、P

型、N

型半導體的簡化圖示負離子少數(shù)載流子正離子少數(shù)載流子P

型：多數(shù)載流子N

型：多數(shù)載流子1.1.3 PN

結(jié)一、PN

結(jié)(PN

Junction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴散內(nèi)建電場2.復合使交界面形成空間電荷區(qū)產(chǎn)生了一個內(nèi)電場，電場的作用是阻礙多子的擴散促進少子產(chǎn)生漂移此時產(chǎn)生了兩種電流：擴散電流和漂移電流3.繼續(xù)擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流等于漂移電流，總電流I=0。此時形成的空間電荷區(qū)域稱為PN結(jié)（耗盡層）二、PN

結(jié)的單向?qū)щ娦?.定性分析1）.

外加正向電壓(正向偏置)—

forward

biasP

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN

結(jié)移動,IF擴散運動加強形成正向電流IF

。I中F和=部I多分子離子I少使子空間I電多子荷區(qū)變窄P

區(qū)

N

區(qū)內(nèi)電場外電場限流電阻2）.外加反向電壓(反向偏置)—reverse

biasIR漂外移電運場動使加多強子形背成離反P向N電結(jié)流移I動，PN

結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜ǎ市‰娮?，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。RIR

=I少子空0間電荷區(qū)變寬。2、定量估算I

IS

(e

T

1)u

/U反向飽和電流溫度的電壓當量UT

=

26mV加正向電壓時加反向電壓時

i≈–ISqkTUT

當T

=300(27C)：電子電量常數(shù)3、伏安特性O(shè)u

/VI

/mA反向擊穿正向特性1.2

半導體二極管半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型二極管的伏安特性二極管的主要參數(shù)1.2.1

半導體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：

PN

結(jié)

+引線

+

管殼=

二極管(Diode)符號：A

(anode)

C

(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型點接觸型正極引線觸絲N

型鍺片外殼負極引線負極引線面接觸型N型鍺PN

結(jié)正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極 負極引線 引線PNP

型支持襯底集成電路中平面型1.2.2

二極管的伏安特性一、PN

結(jié)的伏安方程iD

IS(euD

/

UT

1)反向飽和電流溫度的電壓當量q

kTUT電子電量常數(shù)當T

=300(27C)：UT

=

26

mV二、二極管的伏安特性O(shè)uD

/ViD

/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=

0(硅管)(鍺管)Uth

=0.5

V0.1

VU

UthDi

急劇上升0

U

UthUD(on)=(0.6

0.8)

V

硅管0.7

V(0.1

0.3)

V

鍺管0.2

V反向特性U(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD

=IS

<0.1

A(硅)幾十A

(鍺)反向電流急劇增大

(反向擊穿)U

<

U(BR)反向擊穿原因：擊穿：反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。(Zener) (擊穿電壓<4

V，負溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使

電子數(shù)突增。(擊穿電壓>7

V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在4V、7

V

左右時，溫度特性較好。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–

0.02–

0.040–25–50iD

/

mA0.4

0.8

uD

/

VuD

/

V0.4iD

/

mA15105–

50 –

25–0.01

0

0.2–0.02溫度對二極管特性的影響60402000.4–25–50iD

/

mAuD

/

V90C20C–

0.02T升高時，UD(on)以(2

2.5)

mV/C下降正向特性左移；T

升高時，IS

增大，反向特性下移。1.2.3

二極管的主要參數(shù)IF

—最大整流電流(最大正向平均電流)URM

—最高反向工作電壓，為U(BR)/2IR—反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?fM

—最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?uDU

(BR)iDI

FURMO影響工作頻率的原因—PN

結(jié)的電容效應結(jié)論：低頻時，因結(jié)電容很小，對

PN

結(jié)影響很小。高頻時，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導致單向?qū)щ娦宰儾?。結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。1.3

二極管的模型1.3.1

理想二極管模型1.3.２二極管恒壓源模型1.3.３二極管的交流小信號模型1.3.1

理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD

=0；反偏截止，iD

=0U(BR)

=

Du

=

UD(on)0.7

V

(Si)0.2

V

(Ge)1.3.1二極管的恒壓降模型d

UrI1.3.３二極管的交流小信號模型圖解法公式法：dTTI eu

/

uTDQUdIIdU

U

U

S

I

r

T

dr

UI注意：rd為交流電阻，與直流電阻RD不同。1.4

半導體二極管的應用

二極管在電路中有著廣泛的應用，利用它的單向?qū)щ娦?，可組成整流、限幅、檢波電路，還可做保護元件以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件等。1.4.1

二極管在限幅電路中的應用限幅電路分為串聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路、并聯(lián)限幅電路和雙向限幅電路三種。1.串聯(lián)限幅電路+_uoVD+_uiER_+uD0uoEE+UonuiE0時傳輸特性電路組成ui

UmE+Uont0uoUm-UonEt0ui

UmtUon0t0uoUm-Uonui

Umtuo0E+Uont0EUm-UonE0時輸出波形E=0時輸出波形E0時輸出波形工作原理(b)

傳輸特性0uiuoE+UonE+Uon(a)

電路圖+_uoVD+_uiE2.并聯(lián)限幅電路R+u_D(c)

輸出波形tuoE+Uont00uiUmE+Uon3.雙向限幅電路0uiuoE1+UonE2Uon(b)

傳輸特性E1+UonE2Uon+_uo+_uiRVD1

VD2E1

E2(a)

電路圖uiUmtuot(c)

輸出波形E

+U1

on0E2UonE1+Uon0E2UonP17

例1-41.4.2

二極管在整流電路中的應用1.單相半波整流電路tt00U2muou2U2mRL+_uo_u2a++u1_bVD

io

2.全波整流電路u2U2mt0t0uoU2mRL+uo_+_u1abu21_+ioVD1+u22cVD21.

5

特殊二極管穩(wěn)壓二極管光電二極管1.5.1

穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ

/mAZu

/VOUZ

IZminUZIZIZIZmax特性二、主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。越大穩(wěn)壓效果越好，小于IZmin

時不穩(wěn)壓。2.穩(wěn)定電流IZ3.最大工作電流IZM最大耗散功率PZMP

ZM

=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ

=UZ

/IZ

越小穩(wěn)壓效果越好。幾

幾十5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)

CT

100%UZTUZTC

UZ

<

4

V，CT

<

0

(為

擊穿)具有負溫度系數(shù)；UZ

>7

V，CT

>0

(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4

V<UZ

<7

V，CT

很小。例

1.5.1

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，R

為限流電阻。UIUOR

IR

ILRLIZIR

=

IZ

+

ILUO=UI

–

IR

R限流電阻的選擇1.5.2

發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED

(Light

Emitting

Diode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十

mA，導通電壓(1

2)V符號u

/Vi

/mAO2特性2.主要參數(shù)電學參數(shù)：I

FM

，U(BR)，IR光學參數(shù)：峰值波長P，亮度L，光通量發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠不可見光：紅外光顯示類型：普通LED

，七段LED,點陣LED二、光敏二極管1．符號和特性符號2.主要參數(shù)電學參數(shù)：uiO暗電流E

=

200lxE

=

400lx特性工作條件：反向偏置暗電流，光電流，最高工作范圍光學參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實物補充：選擇二極管限流電阻步驟：設(shè)定工作電壓UD(如0.7

V；2

V

(LED))確定工作電流ID(如1

mA；10

mA；5

mA)根據(jù)歐姆定律求電阻

R

=(UI

UD)/ID(R

要選擇標稱值)小

結(jié)第

1

章一、兩種半導體和兩種載流子兩種載流

電子— 電子

兩

種子的運動

空穴

—

價電子半導體N

型(多電子)