ch3 半导体二极管及其基本应用电路.ppt

1、第3章 二极管及其基本电路,1-2,3.1 本导体基础,在物理学中。根据材料的导电能力，可以将他们划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,1-3,3.1.3 本征半导体,本征半导体的共价键结构,束缚电子,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导体。 制造半导体器件的半导体材料的7天连锁酒店经济房纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,1-4,3.1.3 本征半导体-

2、本征激发,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电， 成为自由电子。,自由电子,空穴,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，称为空穴。,1-5,3.1.3 本征半导体-本征激发,可见本征激发同时产生电子空穴对。,外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象复合。在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,电子空穴对,1-6,3.1.3 本征半导体载流子,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化；光照变化,导电机制,1-7

3、,3.1.4 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1. N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等。,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,2. P型半导体,1-8,3.1.4 杂质半导体N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子 空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,1-9,3.1.4 杂质半导体P型半导体,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子 空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,1-10,3.1.4 杂质半导体,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,

4、1-11,3.2 PN结,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,1 . PN结的形成,总电流0,1-12,3.2.3 PN结-单向导电,(1) 加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向7天连锁酒店经济房相反。 外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流I F,1-13,3.2.3 PN结-单向导电,(2) 加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电

5、流I S,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IS基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IS与温度有关。而且很小。,1-14,3.2.3 PN结-单向导电,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻， PN结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻， PN结截止。 由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,1-15,3.2.3 PN结-伏安特性,根据理论分析：,u 为PN结两端的电压降,i 为流过PN结的电流,IS 为反向饱和电流,UT =kT/q 称为温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数 1.381023 q 为电子电荷量1.6

6、109 T 为热力学温度 对于室温（相当T=300 K） 则有UT=26 mV。,当 u0 uUT时,当 u|U T |时,1-16,3.2.3 PN结-伏安特性,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图,正偏,IF（多子扩散）,Is（少子漂移）,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆,每升高10度，Is增加1倍,1-17,3.2.5 PN结电容效应,当外加电压（反向）发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即PN结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1) 势垒电容CB,1-18,3.2.5 PN结电容效应,(2) 扩散电容CD,当外加正向电压

7、不同时，PN结两侧堆积的少子的数量及浓度梯度也不同，这就相当电容的充放电过程。,电容效应在高频交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容（结电容）,1-19,3.3 半导体二极管,二极管 = PN结 + 管壳 + 引线,结构,符号,二极管 发光二极管 变容二极管 稳压二极管,1-20,3.3.1 半导体二极管的常见结构,二极管按结构分两大类：,(1) 点接触型二极管,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路。,1-21,3.3.1 半导体二极管的常见结构,平面型二极管,用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小，用 于高频整流和开关电路中。,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用

8、 于工频大电流整流电路。,1-22,3.3.1 半导体二极管的常见结构-型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,1-23,3.3.2 二极管的伏安特性,硅：0.5 V 锗： 0.1 V,(1) 正向特性,导通压降,(2) 反向特性,死区 电压,实验曲线,硅：0.7 V 锗：0.2V,硅：100 nA 锗：A,1-24,3.3.3 二极管的主要参数,半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、最高反向工作电压UR、反向电流Is、最高工作频率fM等。 (1) 最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允 许通过二极管的最大整流电流的平均值。 (2) 最高反向工作电压UR在实际工作时，二极

9、管 允许加的最高电压， 7天连锁酒店经济房一般只按反向击穿电压UBR 的一半计算。,(3) 反向电流IR指二极管未击穿时的的反向电流值。与温度有关。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 (4)最高工作频率fM主要由PN结的结电容大小 决定。,1-25,3.4 二极管的基本电路和分析方法,串联电压源模型、恒压降模型,U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。,理想二极管模型,正偏,反偏,导通压降,二极管的VA特性,1-26,3.4.2 基本应用电路-半波整流,二极管导通，uL=u2,二极管截止, uL=0,u2 0 时:,u20时:,1-27,3.4.

10、2 基本应用电路-全波整流,原理：,变压器副边中心抽头，感应出两个相等的电压u2,当u2正半周时， D1导通，D2截止。,当u2负半周时， D2导通，D1截止。,1-28,3.4.2 基本应用电路-全波整流,全波整流电压波形,1-29,3.4.2 限幅电路,全波限幅,1-30,3.4.2 基本应用电路-开关电路,与门电路,1-31,1-32,UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V， UO62V。,1-33,1-34,3.4.2 二极管小信号模型,交流信号：正向导通，负向截止！ 特殊情况下，二级管可以通交流？小信号叠加,1-35,3.4.2 二极管小信号模型,图示电

11、路中，VDD = 5V，R = 5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs = 0.1sinwt V。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,1-36,3.4.2 二极管小信号模型,微变等效电路,微变等效电路是小信号模型。是指二极管的端电压或电流在某一固定值附近作微小变化时的模型。,这时，用动态电阻来等效。如图所示：,1-37,2.4.2 二极管的等效电路,1-38,3.5 特殊二级管稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管,当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为

12、常数,稳定电压,正向同二极管,反偏电压UZ 反向击穿, UZ ,1-39,3.5.1 稳压二极管的主要参数,(1) 稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ 下，所对应的反向工作电压。,(2)最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗， 取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时， PN结的功率损耗为 PZ= UZ IZ，由 PZM和UZ可以 决定IZmax。,(3)最大稳定工作电流IZMAX 和最小稳定工作电流 IZMIN 稳压管的最大稳定工作电流取决于最 大耗散功率，即PZmax =UZIZmax 。而Izmin对应 UZmin。 若IZIZmin，则不能稳压。,1-40,3.5.1

13、稳压二极管的主要参数,(4) 温度系数 温度的变化将使UZ改变，在 稳压管中，当UZ 7 V时，UZ具有正温度系数， 反向击穿是雪崩击穿。 当UZ5 V时， UZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。 当5 VUZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。,1-41,3.5.1 稳压原理,1. 稳压原理利用稳压管的反向击穿特性。,由于反向特性陡直，较大的电流变化，只会引起较小的电压变化。,1-42,3.5.1 稳压原理,稳压原理：,(1) 当输入电压变化时,Uo基本不变,由图知：,使稳压管的电流变化范围之内,1-43,3.5.1 稳压原理,(2)当负载电流变化时,稳压过程：,Uo基本不变,IZ,IR基本不变,RL,稳压管的电流变化范围应大于负载电流的变化范围,1-44,3.5.1 限流电阻计算,（1）当输入电压最小，负载电流最大时，流过稳压二极管的