半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電

半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：光敏性：受光照后，其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)；熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)；摻雜性：在半導(dǎo)體中摻入少量特殊雜質(zhì)，其導(dǎo)電能力極大地增強(qiáng)；(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等)(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等)。第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1.1本征半導(dǎo)體——完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。最常用的半導(dǎo)體是硅(Si)和鍺(Ge)。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健

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Si價電子Si284Ge28184第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理：

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Si價電子空穴自由電子在常溫下，由于熱激發(fā)(溫度升高或受光照)——本征激發(fā)帶負(fù)電帶正電載流子自由電子空穴溫度越高，晶體中產(chǎn)生的的自由電子越多。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：

(1)

自由電子作定向運(yùn)動電子電流

(2)

價電子遞補(bǔ)空穴空穴電流(2)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很弱。注意：(1)本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相同的載流子。自由電子和空穴成對產(chǎn)生，又不斷復(fù)合，在一定溫度下，達(dá)到動態(tài)平衡。(3)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也愈好?！獪囟葘Π雽?dǎo)體器件性能影響很大。第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體

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Sip+多余電子磷原子失去一個電子變?yōu)檎x子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?、N型半導(dǎo)體在N型半導(dǎo)體中，自由電子是多數(shù)載流子(多子)，空穴是少數(shù)載流子(少子)?！獡饺胛鍍r元素，如磷元素(又稱電子半導(dǎo)體)P285第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、P型半導(dǎo)體(又稱空穴半導(dǎo)體)——摻入三價元素，如硼元素

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Si在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子得到一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴注意：無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。B23第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：++++++++++++N型半導(dǎo)體–––P型半導(dǎo)體–––––––––代表失去一個電子的五價雜質(zhì)離子代表得到一個電子的三價雜質(zhì)離子第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.1.3PN結(jié)P型半導(dǎo)體––––––––––––++++++++++++N型半導(dǎo)體1、PN結(jié)的形成濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動––––––––––––++++++++++++形成空間電荷區(qū)內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變窄擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變?？臻g電荷區(qū)也稱PN結(jié)、耗盡層、阻擋層。第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)外加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負(fù)+–R––––––––––––++++++++++++PN內(nèi)電場外電場變窄內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。IF結(jié)論：PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電阻較小，正向電流較大，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日(2)PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）P接負(fù)、N接正–+R––––––––––––++++++++++++PN內(nèi)電場外電場變寬內(nèi)電場被加強(qiáng)，少子的漂移運(yùn)動加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR結(jié)論：

PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電阻很大，反向電流很小，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日3、PN結(jié)的電流方程PN所加電壓u與流過它的電流i的關(guān)系為：IS：反向飽和電流UT=kT/q：溫度電壓當(dāng)量q——電子的電量

k——玻耳茲曼常數(shù)

T——熱力學(xué)溫度當(dāng)T=300K時，UT≈26mV——伏安特性方程4、PN結(jié)的伏安特性uiOU(BR)正向特性反向特性反向電壓大于U(BR)后，PN結(jié)反向擊穿第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日*5、PN結(jié)的電容效應(yīng)(1)勢壘電容Cb——由空間電荷區(qū)的寬度隨著外加電壓的變化而變化所形成。(2)擴(kuò)散電容Cd——在PN結(jié)加正向電壓時，多數(shù)載流子在擴(kuò)散過程中引起電荷積累而產(chǎn)生。(3)結(jié)電容CjCj=Cb+Cd一般PN結(jié)正偏時，擴(kuò)散電容起主要作用；

PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用。第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2半導(dǎo)體二極管及其基本應(yīng)用電路把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術(shù)中最基本的半導(dǎo)體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關(guān)管、穩(wěn)壓管、整流管和發(fā)光二極管等。硅高頻檢波管開關(guān)管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2.1半導(dǎo)體二極管的幾種常用結(jié)構(gòu)金屬絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點(diǎn)接觸型特點(diǎn)：結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型特點(diǎn)：結(jié)面積大、結(jié)電容大，正向電流大。用于工頻大電流整流電路。第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型特點(diǎn)：用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。二極管的符號：陰極陽極D第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2.2二極管的伏安特性特點(diǎn)：非線性uiOISUonU(BR)–+開啟電壓硅管：0.5V鍺管：0.1V外加電壓大于開啟電壓Uon，二極管才能導(dǎo)通。導(dǎo)通壓降硅管：0.6~0.8V鍺管：0.1~0.3V–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。反向擊穿電壓U(BR)外加電壓大于反向擊穿電壓，二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。第十七頁，共三十九頁?022年，8月28日二極管的伏安特性與溫度的關(guān)系uiOISUonU(BR)20℃80℃當(dāng)溫度升高時，正向特性左移，反向特性下移。在室溫附近，溫度每升高1℃，正向壓降減小2~2.5mV；溫度每升高10℃，反向電流約增大一倍。第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2.3二極管的主要參數(shù)——選擇管子的依據(jù)1.最大整流電流

IF指二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.最高反向工作電壓UR是二極管工作時允許加的最大反向電壓。3.反向電流IR指二極管未擊穿時的反向電流值。反向電流愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂?。IR受溫度的影響大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大。4.最高工作頻率fM指二極管工作的上限頻率。第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2.4二極管的等效電路uiOUonuiO理想模型理想二極管（導(dǎo)通時壓降為零，截止時電流為零。）恒壓降模型Uon（導(dǎo)通時壓降為Uon，截止時電流為零。）折線模型UonrDUonuiOrD：交流電阻1、伏安特性的折線化及等效電路第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日2、低頻交流小信號作用下的等效電路uDiDOiDuDQIDUDrduD+-iD小信號模型第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日例已知二極管導(dǎo)通壓降UD=0.7V，UT=26mV；若ui是有效值為20mV，頻率為1kHz的正弦波，則輸入的交流電流的有效值為多少？解：DC2V500ui+–iiiD(1)先求二極管的動態(tài)電阻rd。(2)再求輸入的交流電流的有效值。rd500ui+–ii9.3第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.2.5二極管電路的分析及其應(yīng)用*定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通否則，正向壓降硅管：0.6~0.8V鍺管：0.1~0.3V*分析方法：將二極管從電路中斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽>V陰或UD>0(正向偏置)，二極管導(dǎo)通

若二極管是理想的，正向?qū)〞r壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。若V陽<V陰或UD<

0(反向偏置)，二極管截止截止第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日例1：電路如圖所示，二極管D導(dǎo)通壓降UD=0.7V。求：UAB。解：斷開二極管，取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，分析二極管D陽極和陰極的電位。XXV陽=–6VV陰=–12VV陽>V陰，二極管導(dǎo)通。∴UAB=-6-UD=-

6.7VD6V12V3kBAUAB+–此例中，二極管起鉗位作用。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日例2：已知：ui=18sinωtV，二極管是理想的，試畫出uo

波形。ui18VO解：斷開二極管，選取參考點(diǎn)，分析二極管陽極和陰極的電位。V陽=ui，V陰=8V當(dāng)ui>8V，二極管導(dǎo)通，uo=8V當(dāng)ui<8V，二極管截止，uo=ui8V此例中，二極管起限幅作用。D8VRuoui++––第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日例2的Multisim仿真電路和波形第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日例3：已知：ui=30sinωtV，二極管的正向壓降可忽略不計，試畫出uo

波形。ui30VO解：斷開二極管，選取參考點(diǎn)，分析二極管陽極和陰極的電位。V陽=ui，V陰=0當(dāng)ui>0，D導(dǎo)通，uo=ui當(dāng)ui<0，D截止，uo=0此例中，二極管起檢波作用。DRuoui++––uoO整流電路第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日例3的Multisim仿真電路和波形第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日例4：電路如圖所示，二極管的管壓降UD=0.7V。求：輸出端Y點(diǎn)的電位VY。A+3VRDAB0.3VDBY+5V解：斷開二極管，則VA陽=+5V，VA陰=+3V∴UDA=+5V–(+3V)=2VVB陽=+5V，VB陰=0.3V∴UDB=5V–0.3V=4.7V∵UDA<

UDB∴DB優(yōu)先導(dǎo)通，DA截止?！郪Y=0.3V+0.7V=1V此例中，DB起鉗位作用；DA起隔離作用。

第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日ARDABDBY+5V導(dǎo)通1113.7VA/V0.30.33DA狀態(tài)3VB/V0.330.33VY/VDB狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止導(dǎo)通導(dǎo)通導(dǎo)通門電路(與門)第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日例5：二極管的續(xù)流電路。解：當(dāng)開關(guān)斷開瞬間，電流不能躍變，二極管提供續(xù)流通路。DRL+USS當(dāng)開關(guān)閉合時，二極管截止，線圈中流過電流。此例中，二極管起續(xù)流作用。第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日練習(xí)題：1、電路如圖所示，二極管為理想二極管。則Uo為（）。(a)-12V(b)-9V(c)-3V2、電路如圖所示，二極管為理想二極管。則Uo為（）。(a)4V(b)1V(c)10VD11V10kUo+–+-D24V+-+–10V圖2D12V9V3kUo+–+-+-圖1bb第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3穩(wěn)壓二極管及其應(yīng)用電路3.3.1穩(wěn)壓管1、符號2、伏安特性uiO+–正向(二極管)_+反向(穩(wěn)壓管)穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓UZIZIZMUZIZ穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓原理：IZ大→UZ小使用時要加限流電阻。_+DZ——是一種特殊的面接觸型的硅二極管。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日3、主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。(5)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?jǐn)?shù)。(4)動態(tài)電阻(2)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(3)額定功耗PZM：PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。當(dāng)電流低于IZ時，穩(wěn)壓管不穩(wěn)壓，IZ又記為IZmin；當(dāng)電流高于IZM時，穩(wěn)壓管會損壞，IZM又記為IZmax。第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.3.2穩(wěn)壓電路UIRRLDZ+Uo+穩(wěn)壓管必須與負(fù)載并