二极管及其基本电路.ppt

第三章 二极管及其基本电路,基本要求： 1 了解半导体器件内部物理过程； 2 理解二极管工作原理、主要参数、使 用方法； 3 掌握二极管外特性、二极管基本应用 电路及其分析方法。,第三章 二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成及特性,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.3 二极管,3.1半导体基本知识,半导体器件特点： 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。,3.1.1 半导体材料：（Semiconductor materials),导体 如金属等,绝缘体 如橡皮、塑料等,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻),掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性： 当环境温度升高时，导电能力显著增强。,(可做成各种不同用途的半导体器件， 如二极管、三极管和晶闸管等）。,3.1.2 半导体的共价键结构,简化模型,最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性；,1、Si、Ge的原子结构,价电子：,惯性核,3.1.2 半导体的共价键结构,2、共价键,硅和锗的晶体结构,共价键 共用电子对,+4表示 惯性核,3.1 半导体基本知识,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流： 1）自由电子作定向运动 电子电流 2）价电子递补空穴 空穴电流,1. 本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差； 2. 温度愈高， 载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合 在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,注意：,3.1.4 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）,掺入的杂质主要是三价或五价元素。,掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,3.1 半导体基本知识,1. N型半导体,多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。,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。,多余电子,硅原子,五价杂质原子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,硅(锗) +磷 N型半导体,3.1.4 杂质半导体,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。,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。,因缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。,空穴,三价杂质原子在与 硅原子形成共价键,硅(锗) +硼 P型半导体,3.1.4 杂质半导体,杂质半导体的示意表示法,3.1.4 杂质半导体,P型半导体,N型半导体,3.1 半导体基本知识,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2 PN结的形成及特性,漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动,扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区 域移动的现象,空穴的移动方向与电场方向相同,电子的移动方向与电场方向相反,P型半导体,N型半导体,3.2.2 PN结的形成,3.2 PN结的形成及其特性,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,3.2.2 PN结的形成,3.2 PN结的形成及其特性,因浓度差,空间电荷区形成内电场, 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。,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区 ,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。,3.2.1 PN结的形成,3.2 PN结,一、PN结外加正向偏置电压时的导电情况：,空间电荷区厚度 内电场,I扩 I漂,扩散 漂移,正向导通状态、小电阻 ，正向导通电流 IF I扩,3.2.3 PN结单向导电性:,二、PN结加反向偏置电压时的导电情况：,空间电荷区厚度 内电场,漂移 扩散,I漂 I扩,反向截止状态，大电阻 反向电流 IR= I漂,PN结正偏,PN结反偏,三、结论：,PN结具有单向导电性。, PN结加正向电压时，正向导通： 电阻值很小，具有较大的正向导通电流， 开关闭合, PN结加反向电压时，反向截止： 呈现高电阻，具有较小反向饱和电流， 开关断开,四、PN结V-I特性表示式：,（二极管特性方程）,3.2.4 PN的反向击穿（P65自学 熟悉）,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结的反向击穿。,3.2.5 PN结电容效应 （P66自学 了解）,一 、符号：,二、 结构：,（1）点接触型二极管：,（2）面接触型二极管：,（3）平面型二极管：,3.3.1 二极管结构:,3.3 二极管（Diode),具体型号及参数参见P72 表3.3.1,3.3.2 伏安特性（V-I特性）(P70),硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压VBR,导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.7V, 锗0.2V。,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,一、 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正向平均电流。,二、反向击穿电压VBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。,3.3.3 二极管主要参数（P71 自学 熟悉）,三、反向电流IR 在室温及规定的反向电压下的反向电流值。 硅管：(0.1 A)； 锗管： (几十A)。,四、结电容Cd 反映二极管中PN结结电容效应的参数。在高频 和开关状态时运用时必须考虑。,五、最高工作频率fM 二极管工作上限频率。,六、反向恢复时间TRR 二极管由正向导通过渡到反向截止时所需的时间。,3.4 二极管的基本电路 及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析法 ( P73 自学了解),3.4.2 二极管电路的简化模型分析法：,1 理想模型：,(理想二极管),一、 二极管V-I特性的建模：,2 恒压降模型：,3 折线模型：,( P74 自学、了解),4 小信号模型:,( P76 自学、了解),二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,Eg.1 简单硅二极管电路： R=10K,解：分析可知二 极管正偏：,1 理想模型：,2 恒压降模型：,求:VDD = 10V时 I D 及V D,二、模型分析法应用举例：,Eg.2 电路如图， (设D为理想二极管） 判断二极管工作状态，并求输出电压。,D导通,D2导通、 D1截止,D2优先导通,D1截止,v A0 =-15V,v A0 =0V,v A0 =4V,参考点,ui 3V，二极管导通，可看作短路 uo = 3V ui 3V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,3V,Eg.3 限幅电路：(P80),思考：若用恒压降模型分析二极管，输出波形应为什么？,二极管阴极电位为 3 V,若是双限幅电路又待怎样？见P97 3.4.9,Eg.4 全波整流电路（P97 题3.4.2）,2. 工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。,3. 工作波形,1. 电路结构,Eg.4 全波整流电路（P97 题3.4.2）,2. 工作原理,3. 工作波形,1. 电路结构,u 正半周，VaVb，二极 管 1、3 导通，2、4 截止 。,u 负半周，VaVb，二极 管 2、4 导通，1、3 截止 。,作 业 题,必做 (P97) ：3.4.5、3.4.6(a) 3.4.9(用理想模型分析) 选做 3.4.7,3.5 特殊二极管（P84）,3.5.1 齐纳（稳压）二极管,1. 符号,VZ,IZ（min）,IZ(max), VZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,+ ,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ（min） 、最大稳定电流 IZ(max),(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,4. 基本稳压电路,稳压管工作必要条件： 工作在反向击穿状态 IZmin IZ IZmax,（自学例P86 例3.5.1 例3.5.2 ）,2、上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ，