半导体二极管及其基本应用电路.ppt

2.1半导体的基础知识,2.3 半导体二极管,第2章 半导体二极管及其基本应用电路,2.2 PN结的形成及其单向导电性,2.4 稳压二极管,2.5 其它类型的二极管,2.1半导体的基础知识,根据导电能力的不同，物质可分为导体、半导体和绝缘体。,半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性：,1.热敏特性,2.光敏特性,2.1.1半导体材料及其导电特性,3.掺杂特性,2.1.2本征半导体,2.1半导体的基础知识,本征半导体是完全纯净的、晶格结构完整的半导体。,硅原子结构示意图 锗原子结构示意图 硅原子和锗原子结构简化模型。,1. 本征半导体中的共价键结构,2.1.2本征半导体,2.1半导体的基础知识,空穴共价键中的空位。,电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。,2. 本征半导体中的两种载流子,自由电子电子挣脱共价键的束缚，参与导电成为自由电子。,本征半导体中有两种载流子带负电的自由电子和带正电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电的一个重要特点。,2.1.2本征半导体,2.1半导体的基础知识,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。,2.1.3 杂质半导体,2.1半导体的基础知识,1. N型半导体,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。,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。,2.1.3 杂质半导体,2.1半导体的基础知识,2. P型半导体,在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。,2.2.1 PN结的形成,2.2 PN结的形成及其单向导电性,在内电场的作用下产生的漂移运动,由载流子浓度差产生的扩散运动,2.PN结的形成,空穴的漂移速度 ：,电子的漂移速度：,1. 载流子的扩散运动和漂移运动,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2 PN结的形成及其单向导电性,1. PN结外加正向电压,将PN结的P区接电源正极， N区接电源负极，这种连接方式称为PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置。,PN结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称PN结导通。,2.2.2 PN结的单向导电性,2.2 PN结的形成及其单向导电性,2. PN结外加反向电压,将PN结的P区接电源负极，N区接电源正极，这种连接方式称为PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置。,PN结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称PN结截止。,2.2.3 PN结的伏安特性,2.2 PN结的形成及其单向导电性,1. PN结的电流方程,其中,IS 反向饱和电流,UT 温度的电压当量其表达式为,2. PN结的伏-安特性曲线,2.2.4 PN结的电容效应,2.2 PN结的形成及其单向导电性,1. 势垒电容Cb,这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等效的电容称为势垒电容，通常用Cb表示。,2.2.4 PN结的电容效应,2.2 PN结的形成及其单向导电性,2. 扩散电容Cd,这种非平衡少子的浓度随外加正向电压的变化所等效的电容效应称为扩散电容，通常用Cd表示。,PN结的结电容是势垒电容和扩散电容之和：,2.3.1 二极管的结构,2.3 半导体二极管,半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接触型和平面型。,点接触型二极管,面接触型二极管,平面型二极管,2.3.2 二极管的伏-安特性,2.3 半导体二极管,二极管的伏安特性曲线,硅二极管和锗二极管伏安特性曲线对比,温度对二极管伏安特性曲线的影响,2.3.3 二极管的主要参数,2.3 半导体二极管,最大整流电流IF 允许通过二极管的最大正向平均电流.,2. 最高反向工作电压URM 二极管安全工作时所能承受的最大反向电压.,3. 反向电流IR 二极管未击穿时的反向电流。,4. 最高工作频率fM 二极管工作的上限频率。,2.3.4 二极管的等效电路,2.3 半导体二极管,理想模型,2.恒压降模型,3. 折线模型,2.3.4 二极管的等效电路,2.3 半导体二极管,4.小信号模型,vs =0 时, Q点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。,vs =Vmsint 时（VmVDD）, 将Q点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。,过Q点的切线可以等效成一个微变电阻,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下（T=300K）,（a）V-I特性 （b）电路模型,2.3.4 二极管的等效电路,2.3 半导体二极管,4.小信号模型,2.3.4 二极管的等效电路,2.3 半导体二极管,4.小信号模型,根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并求出电阻R两端的电压和电流的表达式。,电路的交流通路,2.3.5二极管基本应用电路及分析方法,2.3 半导体二极管,1. 二极管整流电路,（a）电路图 （b）输入、输出波形,2.3.5二极管基本应用电路及分析方法,2.3 半导体二极管,2. 二极管限幅电路,【例2.2】 图示为二极管限幅电路R=1K，VREF=2V ，二极管为硅二极管，输入信号为uI 。 （1）若uI为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流 和输出电压 。 （2）若uI =10sintV ，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形。,2.3 半导体二极管,解： （1）理想模型： 恒压降模型：,（2）,采用理想模型,采用恒压降模型,解：,先断开D，以O为基准电位， 即O点为0V。,则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。,阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。,导通后，D的压降等于0.7V，所以，AO的电压值为-6V。,2.3.5二极管基本应用电路及分析方法,2.3 半导体二极管,【例2.3】二极管限幅电路如图所示，求输出电压UAO。,2.3.5二极管基本应用电路及分析方法,2.3 半导体二极管,3.二极管开关电路,【例2.4】 二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型，当UA 和 UB分别为0V或3V时，求解 UA 和UB不同组合时，输出电压 的值。,2.4.1 稳压二极管的伏-安特性,2.4 稳压二极管,稳压管符号和等效电路,稳压管的伏安特性曲线,稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。,2.4.2 稳压二极管的主要参数,2.4 稳压二极管,1 稳定电压UZ,4 动态电阻rZ,在规定的工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,rZ =UZ /IZ,3 额定功耗 PZmax,2 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin,5 温度系数,2.4.3 稳压二极管基本应用电路,2.4 稳压二极管,1. 稳压原理,输入电压变化时：,负载变化时：,稳压管的技术参数:,负载电阻RL600，求限流电阻R取值范围。,解：由电路可得：,2.4.3 稳压二极管基本应用电路,2.4 稳压二极管,2.稳压管应用举例,2.4.3 稳压二极管基本应用电路,2.4 稳压二极管,3. 稳压管和普通二极管的区分,普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反向击穿状态下工作，二者用法不同。 普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压管的反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大，而端电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非常陡，动态电阻很小。,2.5.1发光二极管,2.5 其它类型的二极管,符号,【例2.7】 电路如图所示，已知发光二极管的导通电压 UD 1.6V ，正向电流为520mA时才能发光。试问： （1）开关处于何种位置时发光二极管可能发光？ （2）为使发光二极管有可能发光，电路中R的取值范围为多少？,解：（1）当开关断开时发光二极管有可能发光。 （2）,因此，R的取值范围为220880。,2.5.2 光电二极管,2.5 其它类型的二极管,（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线,特点：反向饱和电流与照度成正比,2.5.2 光电二极管,2.5 其它类