电气二极管学习.pptx

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1、 1、了解半导体的特性； 2、了解PN结的载流子运动，理解PN结的工作原理； 3、理解二极管的单向导电性； 4、掌握二极管的外特性，在实际应用中正确选择二极管的参数。 5、掌握二极管的等效电路及其基本应用电路的工作原理； 6、掌握稳压二极管的工作原理及应用； 7、了解发光二极管的特性及应用。第1页/共47页第第3 3章章 半导体二极管及其基本应半导体二极管及其基本应用电路用电路3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识3.2 3.2 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路3.3 3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路3.4 3.4 发光二极管及其基本应

2、用举例发光二极管及其基本应用举例第2页/共47页3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识根据物体导电能力( (电阻率) )的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体材料元素：硅Si和锗Ge化合物：砷化镓GaAs等。电阻率：导体 10106 610104 4 .cm .cm 绝缘体 1010101010102222 .cm .cm 半导体 10103 310109 9 .cm .cm第3页/共47页3.1 3.1 半导体基础知识（续）半导体基础知识（续） 本征半导体本征半导体第4页/共47页1、 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅晶体的空间排列第5页/共47页硅和锗的原子结构简化模

3、型及晶体结构（平面示意图 P43图）1、 半导体的共价键结构半导体的共价键结构（续）（续）第6页/共47页本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴空穴共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。现的。2、 本征半导体本征半导体第7页/共47页本征激发本征激发第8页/共47页本征浓度本征浓度本征浓度本征浓度 温度一定，电子-空穴对的产生与复合运动将处于动态平衡,自由电子和空穴保持与温度对应的不变的浓度。这个浓度称为本征浓度

4、。用Ni表示。 载流子的本征浓度，决定了本征半导体的导电能力。这种导电能力很弱，还不能付诸实用。第9页/共47页空穴电流空穴电流本征第10页/共47页半导体的导电机构半导体的导电机构两种载流子自由电子：带负电的载流子。空穴：可以看成带正电的载流子。两种电流电子电流空穴电流第11页/共47页影响半导体导电能力的因素1、温度热敏特性；2、光辐射光敏特性；3、杂质掺杂特性。掺杂百万分之一的相关杂质，导电能力提高约一百万倍。第12页/共47页 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，不改变其晶体结构，可使半导体的导电性发生显著变化。本征半导体在掺入杂质后称为杂质半导体。 N型半导体掺入五价杂质元素（如

5、磷）的半导体。 P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 杂质半导体杂质半导体(P44)(P44)第13页/共47页 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚，在50oK左右便可以变成自由电子。即每掺杂一个五价杂质原子，便可提供一个自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 1. N型半导型半导体体5磷（P）多数载流子第14页/共47页 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂

6、形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。2. P型半导体型半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空位。在50oK左右，原共价键中的价电子便可以填补这个空位。即每掺杂一个三价杂质原子，便可提供一个空穴。3硼（B）多数载流子第15页/共47页 3. 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响 掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度: :

7、 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3第16页/共47页 本节中的有关概念本节中的有关概念注意：少子浓度比本征浓度小几个数量级。 本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴 N型半导体、P型半导体 多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质第17页/共47页结结 (P45)(P45)1、PN结的形成图结的形成第18页/共47页 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差空间电荷区形成内电场

8、内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 第19页/共47页2 PN结的单向导电性结的单向导电性(P46)(P46)(1) PN结加正向电压 当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。 PN结加正向电压时的导电情况 多子扩散运动占主导，大的正向扩散电流 空间电荷区变窄。iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安

9、特性第20页/共47页2 PN结的单向导电性结的单向导电性( (续续) )(2) PN结加反向电压 少子漂移运动占主导，极微弱的的反向饱和电流。 空间电荷区变宽。PN结的伏安特性 iD/mA 1.0 0.5 iD=IS 0.5 1.0 0.5 0 1.0 u uD/V 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN结加反向电压时的导电情况第21页/共47页 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流； PN结加反向电压时，呈现高电阻，只有极小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：P

10、N结具有单向导电性。第22页/共47页其中1 1) )( (e eI Ii iT TD D/ /U Uu uS SD D IS 反向饱和电流UT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）0.026V q qk kT TU UT TmV 26 3 PN 3 PN结V V - -I I 特性表达式其中，q为电子电荷(1.6 10-19 C)，k为波耳兹曼常数(1.38 10-23J/K)PN结的伏安特性 iD/mA 1.0 0.5 iD=IS 0.5 1.0 0.5 0 1.0 u uD/V 第23页/共47页电击穿机理 当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的

11、反向击穿。iDOVBR D热击穿不可逆齐纳击穿雪崩击穿 电击穿可逆*4 PN结的反向击穿结的反向击穿齐钠击穿：电场直接导致PN结击穿（PN结内共价键被外电场打破，产生大量载流子，电流剧增。）雪崩击穿：载流子的碰撞电离产生连锁反应导致PN结击穿，尽管PN结内电场强度还不到击穿场强。第24页/共47页势垒电容示意图 *5 PN结的电容效应结的电容效应(P47)(P47) (1) 势垒电容CbPN结加外加电压时，空间电荷区的宽度随电压变化，从而导致空间电荷区积累的电荷随电压变化，这就是PN结的结电容效应。第25页/共47页扩散电容示意图 *5 PN结的电容效应（续）结的电容效应（续）(2) 扩散电容

12、CdPN结加正向电压时，多子扩散到对边半导体区而成为少数载流子（非平衡载流子），其浓度梯度与电流（即电压）保持对应关系，电流越大浓度梯度越大，积累的电荷也越多。这种非平衡少子积累的电荷随外加电压变化形成的电容效应，被称为PN结的扩散电容效应。第26页/共47页（3 3）PNPN结电容在实际应用中的几点考虑1）正偏置时，扩散电容占主导；反偏置时，势垒电容占主导。3）PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性。2）正偏置时，二极管电阻小，PN结电容影响小；反偏置时，二极管电阻大，PN结电容影响大。4）利用二极管的电容效应制造的变容二极管，广泛用于电子系统。第27页/共47页3.2 半导体二极

13、管半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管第28页/共47页 二极管的常见结构二极管的常见结构将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小，结电容小故结允许的电流小最高工作频率高面接触型：结面积大，结电容大故结允许的电流大最高工作频率低平面型：结面积可小、可大小的工作频率高大的结允许的电流大第29页/共47页二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10

14、.3V几十A)(ufi 开启电压反向饱和电流击穿电压mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下温度的电压当量第30页/共47页从二极管的伏安特性可以反映出： 1. 单向导电性。，则若反向电压；，则若正向电压STSTTeIiUuIiUuUu) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线第31页/共47页二极管的主要参数二极管的主要参数 最大整流电流IF：最大平均值 最大反向工作电压UR：最大瞬时值 反向电流 IR：即IS 最高工作频率fM：因PN结有电容效

15、应结电容为扩散电容（Cd）与势垒电容（Cb）之和。扩散路程中电荷的积累与释放空间电荷区宽窄的变化有电荷的积累与释放第32页/共47页二极管的等效电路二极管的等效电路 1. 将伏安特性折线化理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时 UD0截止时IS0导通时UDUon截止时IS0导通时i与u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！第33页/共47页二极管的等效电路（续）二极管的等效电路（续）DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，rd越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流2. 微变

16、等效电路第34页/共47页二极管基本应用电路（二极管基本应用电路（P53P53）1、整流电路 1) 半波整流电路t vo(4) 输出电压平均值（Uo）：(1) 输出电压波形：u1u2aTbDRLuoiL 2022ooU45. 0U2td21U(3) 二极管上承受的最高电压：2RMU2U (2) 二极管上的平均电流：二极管上的平均电流：ID = IL第35页/共47页u1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4) uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1) 输出电压波形：(2) 二极管上承受的最二极管上承受的最高电压：高电压：2RMU22U t uo(3) 二极管上的平均电流：LDII212 )单相全

17、波整流电路单相全波整流电路第36页/共47页二极管基本应用电路（续）二极管基本应用电路（续）2、下限检测电路注：在逻辑电路中，本电路为二极管与门电路分析方法：优先导通分析法。第37页/共47页二极管基本应用电路（续）二极管基本应用电路（续）3、放大器输入保护电路P55 图第38页/共47页 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。3.3 3.3 稳压二极管及其基本应用电路稳压二极管及其基本应用电路(P55)(P55)稳压二极管 1、符号及伏安特性(a)符号及等效电路第39页/共47页(1) 稳定电压UZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下

18、，所对应的反向工作电压。rZ = UZ / IZ(3)(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 uZ2. 稳压二极管主要参数第40页/共47页 + R - IR + - RL IO UO UI IZ DZ 正常稳压时 UO =UZIZmin IZ IZmax稳压二极管的基本应用电路稳压二极管的基本应用电路(P57)(P57)1、稳压管 并联稳压电路。为输入电压最大平均值为输入电压最大平均值；为输入电压最小瞬时值为输入电压最小瞬时值式中，式中，的选择的选择

19、限流电阻限流电阻axIminImmaxLZmaxZZaxImminLZminZZinImuuRUIUuRRUIUuR 第41页/共47页稳压二极管稳压二极管的基本应用电路的基本应用电路( (续续) )2、稳压管 限幅电路对称双 限幅电路不对称双 限幅电路第42页/共47页1、光电二极管光电二极管IU照度增加3.4 光电子器件光电子器件1）符号及伏安特性 2）分析要点a.无光照，与普通二极管相同；b.有光照加反向电压，为光控恒流源；c.有光照无外加电压，为光电池， ？ 为正极。P第43页/共47页 2、发光二极管（、发光二极管（P59)3.4 光电子器件（续）光电子器件（续）1）符号 P57 图2）分析要点 当正向电流足够大时，发出一定波长范围的光，发光颜色与材料相关，电特性与一般二极管类似，但正向压降比较大（2V左右）。3）应用举例 P60 图电源指示电路第44页/共47页讨论题讨论题 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。判断二极管工作状态的方法？第45页/共47页课外作业 PP.6061 3.1， 3.2 ， 3.4 a, b ,c , d 3.8END第46页/共47页感谢您的观看！第47页/共47页