二极管详细介绍PPT讲稿.ppt

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1、二极管详细介绍第1页，共34页，编辑于2022年，星期四3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 根据导电能力根据导电能力(电阻率电阻率)的不同，物体可以划的不同，物体可以划分为分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体。一、半导体材料一、半导体材料 （1 1）热敏特性热敏特性热敏特性热敏特性：温度升高导电能力显著增强。：温度升高导电能力显著增强。（2 2）光敏特性光敏特性光敏特性光敏特性：光线照射导电能力显著增强。：光线照射导电能力显著增强。（3 3）掺杂特性掺杂特性掺杂特性掺杂特性：在本征半导体中掺入少量的有用的在本征半导体中掺入少量的有用的 杂质，导电能力显著增强。杂质，导电能力显著增强

2、。半导体导电性能具有多变特性半导体导电性能具有多变特性第2页，共34页，编辑于2022年，星期四二、二、半导体的共价键结构半导体的共价键结构原子核原子核价电子价电子外层电子轨道外层电子轨道 14 硅原子结构硅原子结构4除去价电子后的除去价电子后的原子原子价电子价电子第3页，共34页，编辑于2022年，星期四硅晶体的硅晶体的空间排列空间排列 共价键结构共价键结构 平面示意图平面示意图通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。化学成分纯净的半导体晶体化学成分纯净的半导体晶体本征半导体本征半导体第4页，共34页，编辑于2022年，星期四三、本征半导体及导电性能

3、三、本征半导体及导电性能 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可挣挣脱脱原原子子核的束缚，成为核的束缚，成为自由电子自由电子自由电子自由电子 自由电子产生的同时，在其原自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈正电性，原子的电中性被破坏，呈正电性，其正电量与电子的负电量相等，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位人们常称呈现正电性的这个空位为为空穴空穴空穴

4、空穴这一现象称为这一现象称为本征激发，本征激发，也称也称热激发热激发自由自由电子电子空穴空穴第5页，共34页，编辑于2022年，星期四因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空电子空电子空电子空穴对穴对穴对穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复复复复合合合合本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡自由电子的定向运动形成了自由电子的定向运动形成了电子电流电子电流电子电流电子电流，空穴的定向运动也，空穴的定向运动也可形成可形成空穴电流空

5、穴电流空穴电流空穴电流，它们的方向相反。显然空穴的导电能，它们的方向相反。显然空穴的导电能力不如自由电子力不如自由电子相邻共价键中的价电子获得能量填充空穴，在新位置产相邻共价键中的价电子获得能量填充空穴，在新位置产生空穴，形成电荷迁移生空穴，形成电荷迁移区别区别区别区别：导体只有一种载流子即自由电子：导体只有一种载流子即自由电子：导体只有一种载流子即自由电子：导体只有一种载流子即自由电子第6页，共34页，编辑于2022年，星期四1.1.本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等本征半导体中自由电子和空穴的浓度相等2.2.本征半导

6、体中载流子的浓度与环境温度有关本征半导体中载流子的浓度与环境温度有关温度温度T3.3.导电能力仍不如导体导电能力仍不如导体导电能力仍不如导体导电能力仍不如导体导电能力增强导电能力增强载流子的浓度载流子的浓度第7页，共34页，编辑于2022年，星期四3、杂质半导体、杂质半导体 在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入某某些些微微量量元元素素作作为为杂杂质质，可可使使半半导导体体的的导导电电性性发发生生显显著著变变化化。掺掺入入的的杂杂质质主主要要是是三三价价或或五五价价元元素素。掺掺入入杂杂质后的本征半导体称为质后的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体。P型半导体型半导体P型型半半

7、导导体体中中空空穴穴是是多多数数载载流流子子，主主要要由由掺掺杂杂形形成；电子是少数载流子，由热激发形成。成；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。三空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质称为价杂质称为受主杂质受主杂质。本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成等形成 P P型半导体型半导体型半导体型半导体 第8页，共34页，编辑于2022年，星期四N型半导体型半导体在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成 N N型半导体型半导体型半导体型半导体。

8、在在N型半导体中自由电子是多数载流子型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱提供自由电子的五价杂质原子因自由电子脱离而带正电荷成为正离子，五价杂质原子被离而带正电荷成为正离子，五价杂质原子被称为称为施主杂质施主杂质施主杂质施主杂质第9页，共34页，编辑于2022年，星期四3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性一、一、PN结的形成结的形成载流子在电场作用下的定向运动称为载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动漂移运动，产生产生漂移电流漂移电流 将一块半导体的一

9、侧掺杂成将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧型半导体，另一侧掺杂成掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层一个特殊的薄层 PNPN结结结结。在半导体中，若载流子浓度分布不均匀，因为存在在半导体中，若载流子浓度分布不均匀，因为存在浓度差，浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为的区域运动，这种运动称为扩散运动扩散运动扩散运动扩散运动，产生，产生扩散扩散扩散扩散电流电流电流电流第10页，共34页，编辑于2022年，星期四内电场内电场 多子多子扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区

10、 产生内电场产生内电场 阻止阻止 少子少子漂移漂移促使促使 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的形成一定宽度的PNPN结结第11页，共34页，编辑于2022年，星期四二、二、PN结的导电特性结的导电特性正向特性正向特性PN结外加直流电压结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），区接高电位（正电位），N区区接低电位（负电位）接低电位（负电位）内电场内电场 外电场外电场变薄变薄+PN+_内电场被削弱，多子内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形的扩散加强，能够形成较大的扩散电流。成较大的扩散电流。正偏正偏正向电流正向电流正偏时，正偏时，正偏时，正偏时，PNPN结呈结呈结呈结呈现

11、为一个小电阻现为一个小电阻现为一个小电阻现为一个小电阻第12页，共34页，编辑于2022年，星期四反向特性反向特性 硅硅PN结的结的Is为为 pA级级 温度温度T增加增加Is增大增大内电场内电场外电场外电场PN结反偏：结反偏：P区接低电位（负电位），区接低电位（负电位），N区接高电位区接高电位（正电位）。（正电位）。NP+变厚变厚_+内电场被加强，多子的扩内电场被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形但少子数量有限，只能形成较小的电流。成较小的电流。反偏时，反偏时，反偏时，反偏时，PNPN结呈现结呈现结呈现结呈现为一个大电阻为一个大电阻为一个大电阻

12、为一个大电阻反偏反偏反向电流反向电流单向导电性单向导电性PNPN结正向偏置时导通，反向偏置时截止结正向偏置时导通，反向偏置时截止结正向偏置时导通，反向偏置时截止结正向偏置时导通，反向偏置时截止第13页，共34页，编辑于2022年，星期四正偏正偏反偏反偏PN结的伏安特性结的伏安特性PN结所加端电压结所加端电压vD与流过它的电流与流过它的电流I的关系为：的关系为：门坎电压门坎电压 Vth死区死区第14页，共34页，编辑于2022年，星期四PN结的反向击穿特性结的反向击穿特性 二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过过PN结的电流很小，但电压超过某一

13、数值时，反向电流急剧结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为增加，这种现象我们就称为反向击穿反向击穿。击穿时对应的反向电。击穿时对应的反向电压称为击穿电压，计为压称为击穿电压，计为V(BR)。击穿形式分为两种：击穿形式分为两种：掺杂浓度较低，形成掺杂浓度较低，形成雪崩击穿雪崩击穿高掺杂情况下，产生高掺杂情况下，产生齐纳击穿齐纳击穿PN结具有温度特性结具有温度特性T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降Vth 反向饱和电流反向饱和电流IS，V(BR)第15页，共34页，编辑于2022年，星期四3.3 半导体二极管半导体二极管1、二极管的结构、二极管的结构

14、平面型二极管平面型二极管：用于集成电路中。：用于集成电路中。面接触型二极管面接触型二极管：PN结面积大，允许通过较高较结面积大，允许通过较高较大电流，但结电容大，适于低频工作。大电流，但结电容大，适于低频工作。点接触型二极管点接触型二极管：PN结面积小，结电容小，工作频结面积小，结电容小，工作频率高，但不能承受较高反向电压和较大电流。率高，但不能承受较高反向电压和较大电流。PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管结加上管壳和引线，就成为半导体二极管引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片PN结结PN符号符号第16页，共34页，编辑于2022年，星期四2、二极管的、二极管的VI特性特性VI死区

15、电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压VBR第17页，共34页，编辑于2022年，星期四3、二极管的主要参数、二极管的主要参数1）最大整流电流）最大整流电流IFM2）反向击穿电压）反向击穿电压VBR3）反向电流）反向电流IR 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半 二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越小，管子的单向导电性越好。温

16、度越高反向电流越大。硅管的反向电流小于锗管以上均是二极管的直流参数，主要利用二极管的单向导电以上均是二极管的直流参数，主要利用二极管的单向导电性，应用于性，应用于整流、限幅、保护整流、限幅、保护等等等等第18页，共34页，编辑于2022年，星期四iDvDIDVQQ iD vDrD 是二极管特性曲线上工作点是二极管特性曲线上工作点Q 附附近电压的变化与电流的变化之比：近电压的变化与电流的变化之比：显然，显然，rd是对是对Q附近的微小变附近的微小变化区域内的电阻。化区域内的电阻。4）微变电阻微变电阻 rD第19页，共34页，编辑于2022年，星期四二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成：二极管

17、的两极之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容势垒电容CT和和扩扩散电容散电容CD。势垒电容势垒电容CT：偏置电压变化时，空间电荷区相应变：偏置电压变化时，空间电荷区相应变化，结区中的正负离子数量也发生改变，即存在电化，结区中的正负离子数量也发生改变，即存在电荷的增减，这相当于电容的充放电，荷的增减，这相当于电容的充放电，PN结显出电容结显出电容效应，称为效应，称为势垒电容势垒电容。5）极间电容）极间电容扩散电容：扩散电容：扩散电容扩散电容CD：正偏时，多数载流子的扩散运动加强，：正偏时，多数载流子的扩散运动加强，多子从一个区进入另一区后继续扩散，一部分复合掉了，这样形成多子从一个区进入另一区

18、后继续扩散，一部分复合掉了，这样形成一定浓度分布，结的靠一定浓度分布，结的靠P区一侧集结了电子，另一侧集结了空穴，区一侧集结了电子，另一侧集结了空穴，即形成了电荷的积累，这种效应用扩散电容表示。即形成了电荷的积累，这种效应用扩散电容表示。CD=kD(I+Is)电容参数限制二极管的电容参数限制二极管的最高工作频率最高工作频率fM第20页，共34页，编辑于2022年，星期四3.4 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法1、指数模型指数模型2、理想模型理想模型适应于电源电压远大于二适应于电源电压远大于二极管的管压降时极管的管压降时特性模型特性模型电路模型电路模型一、二极管的基本模型一、二极

19、管的基本模型第21页，共34页，编辑于2022年，星期四3、恒压降模型恒压降模型电源电压不是很大，可与二极管的导通压降电源电压不是很大，可与二极管的导通压降比拟时，应考虑二极管的管压降比拟时，应考虑二极管的管压降硅二极管管压降常取为硅二极管管压降常取为0.7V，锗管压降取，锗管压降取0.2V。恒压降模型恒压降模型特性模型特性模型第22页，共34页，编辑于2022年，星期四4、折线模型折线模型当二极管导通时，端电压很小的变化将引起电流的很大当二极管导通时，端电压很小的变化将引起电流的很大变化，在一些应用场合，不能忽略这个变化。变化，在一些应用场合，不能忽略这个变化。折线电路模型折线电路模型特性模

20、型特性模型第23页，共34页，编辑于2022年，星期四5、小信号模型小信号模型当外加信号工作在特性曲线的某一小范围内时，二极当外加信号工作在特性曲线的某一小范围内时，二极管的电流将与外加电压的变化成线性关系，可用小信管的电流将与外加电压的变化成线性关系，可用小信号模型来进行等效。号模型来进行等效。二极管体电阻二极管体电阻小信号模型小信号模型高频高频小信号模型小信号模型特性模型特性模型IQ为静态电流为静态电流VQ为静态电压为静态电压第24页，共34页，编辑于2022年，星期四二、二极管电路的分析方法二、二极管电路的分析方法1、图解法图解法静态工作点的图解静态工作点的图解线性电路方程线性电路方程二

21、极管电流方程二极管电流方程据电路原理，两者端电压和电据电路原理，两者端电压和电流相等。两线交点流相等。两线交点Q为为静态工静态工静态工静态工作点作点作点作点，对应的，对应的IQ为为静态电流静态电流静态电流静态电流，VQ为为静态电压静态电压静态电压静态电压直流负载线直流负载线第25页，共34页，编辑于2022年，星期四交流信号的图解交流信号的图解线性电路方程线性电路方程第26页，共34页，编辑于2022年，星期四2、工程近似法工程近似法1）整流电路）整流电路第27页，共34页，编辑于2022年，星期四2）限幅电路）限幅电路限幅电路常来选择预置电平范围内的信号。限幅电路常来选择预置电平范围内的信号

22、。作用是把输出信作用是把输出信号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低号幅度限定在一定的范围内，亦即当输入电压超过或低于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作于某一参考值后，输出电压将被限制在某一电平（称作限幅电平），且再不随输入电压变化。限幅电平），且再不随输入电压变化。若二极管具有理想的开关特若二极管具有理想的开关特性，那么，当性，那么，当v低于低于E时，时，D截截止，止，voE；当；当v高于高于E以后，以后，D导通，导通，vo v。串联下限幅电路串联下限幅电路限幅特性限幅特性思考思考：若将二极管极性：若将二极管极性反转，将得到什么效反转，将得到什么效果？果？第28页，共3

23、4页，编辑于2022年，星期四3）开关电路）开关电路例例:电路如图，求：电路如图，求：VAB忽略二极管正向压降，二极管忽略二极管正向压降，二极管D2可看作短路可看作短路D6V12V3k BAD2V VABAB+取取 B 点作点作参考点参考点，V1 阳阳=6 V，V2 阳阳=0 V，V1 阴阴=V2 阴阴，由于由于V2 阳阳电压高，因此电压高，因此D2导通导通VAB=0 V，D1截止截止第29页，共34页，编辑于2022年，星期四4）低电压稳压电路）低电压稳压电路 当电路工作时，若电源出现波动或当电路工作时，若电源出现波动或者负载发生改变，将引起输出电压的变者负载发生改变，将引起输出电压的变化，

24、为稳定输出电压，可利用二极管的化，为稳定输出电压，可利用二极管的正向压降特性构成二极管稳压电路。正向压降特性构成二极管稳压电路。第30页，共34页，编辑于2022年，星期四3.5 特殊二极管特殊二极管1、稳压二极管、稳压二极管(a)符号符号(b)2CW17 伏安特性伏安特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压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，反向电压应大于稳压电压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压DZ反向击穿反向击穿电压电压即稳压值稳压值第31页，共34页，编辑于2022年，星期四稳压管的主要参数稳压管的主要参数(1)稳定电压稳定电压V

25、Z(2)动态电阻动态电阻rZ在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，下，所对应的反向工作电压所对应的反向工作电压rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最稳定工作电流最稳定工作电流 IZmax 和最大小稳定工作电流和最大小稳定工作电流 IZmin(5)温度系数温度系数 VZ第32页，共34页，编辑于2022年，星期四简单稳压电路简单稳压电路问题：问题：问题：问题：1）不加）不加R可以吗？可以吗？2）上述电路）上述电路VI为正弦波，且幅值大于为正弦波，且幅值大于VZ，VO的的波形是怎样的？波形是怎样的？（1 1）设电源电压波动）设电源电压波动）设电源电压波动）设电源电压波动(负载不变负载不变负载不变负载不变)VI VOVZ IZVOVR IR（2 2）设负载变化）设负载变化）设负载变化）设负载变化(电源不变电源不变电源不变电源不变)略略略略第33页，共34页，编辑于2022年，星期四2、变容二极管、变容二极管3、光电二极管、光电二极管发光二极管发光二极管光敏二极管光敏二极管光电耦合器件光电耦合器件第34页，共34页，编辑于2022年，星期四