半导体二极管及其基本应用电.ppt

第3章半导体二极管及其基本应用电路,3.1半导体基本知识,3.2半导体二极管及其基本应用电路,3.3稳压管及其基本应用电路,3.4发光二极管及其基本应用举例,3.1半导体基本知识,半导体的导电特性：,光敏性：受光照后，其导电能力大大增强；,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强；,掺杂性：在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻),(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等),(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)。,3.1.1本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,最常用的半导体是硅(Si)和锗(Ge)。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,本征半导体的导电机理：,价电子,空穴,自由电子,在常温下，由于热激发(温度升高或受光照),本征激发,带负电,带正电,载流子,自由电子,空穴,温度越高，晶体中产生的的自由电子越多。,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,(2)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很弱。,注意：(1)本征半导体中存在数量相同的载流子。自由电子和空穴成对产生，又不断复合，在一定温度下，达到动态平衡。,(3)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也愈好。温度对半导体器件性能影响很大。,3.1.2杂质半导体,多余电子,磷原子失去一个电子变为正离子,在常温下即可变为自由电子,1、N型半导体,在N型半导体中，自由电子是多数载流子(多子)，空穴是少数载流子(少子)。,掺入五价元素，如磷元素,(又称电子半导体),2、P型半导体,(又称空穴半导体),掺入三价元素，如硼元素,在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子得到一个电子变为负离子,空穴,注意：无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,杂质半导体的示意表示法：,代表失去一个电子的五价杂质离子,代表得到一个电子的三价杂质离子,3.1.3PN结,1、PN结的形成,浓度差,多子的扩散运动,形成空间电荷区,少子的漂移运动,空间电荷区变宽,空间电荷区变窄,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区也称PN结、耗尽层、阻挡层。,2、PN结的单向导电性,(1)PN结外加正向电压（正向偏置）,P接正、N接负,内电场被削弱，多子的扩散运动加强，形成较大的扩散电流。,IF,结论：PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电阻较小，正向电流较大，PN结处于导通状态。,(2)PN结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,内电场被加强，少子的漂移运动加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,结论：PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电阻很大，反向电流很小，PN结处于截止状态。,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,3、PN结的电流方程,PN所加电压u与流过它的电流i的关系为：,IS：反向饱和电流,UT=kT/q：温度电压当量q电子的电量k玻耳兹曼常数T热力学温度,当T=300K时，UT26mV,伏安特性方程,4、PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,反向电压大于U(BR)后，PN结反向击穿,*5、PN结的电容效应,(1)势垒电容Cb,由空间电荷区的宽度随着外加电压的变化而变化所形成。,(2)扩散电容Cd,在PN结加正向电压时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生。,(3)结电容Cj,Cj=Cb+Cd,一般PN结正偏时，扩散电容起主要作用；PN结反偏时，势垒电容起主要作用。,3.2半导体二极管及其基本应用电路,把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管、整流管和发光二极管等。,3.2.1半导体二极管的几种常用结构,特点：结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,特点：结面积大、结电容大，正向电流大。用于工频大电流整流电路。,特点：用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,二极管的符号：,3.2.2二极管的伏安特性,特点：非线性,开启电压,外加电压大于开启电压Uon，二极管才能导通。,反向电流在一定电压范围内保持常数。,反向击穿电压U(BR),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。,二极管的伏安特性与温度的关系,当温度升高时，正向特性左移，反向特性下移。,在室温附近，温度每升高1，正向压降减小22.5mV；,温度每升高10，反向电流约增大一倍。,3.2.3二极管的主要参数,选择管子的依据,1.最大整流电流IF,指二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.最高反向工作电压UR,是二极管工作时允许加的最大反向电压。,3.反向电流IR,指二极管未击穿时的反向电流值。,反向电流愈小，二极管的单向导电性愈好。IR受温度的影响大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大。,4.最高工作频率fM,指二极管工作的上限频率。,3.2.4二极管的等效电路,理想模型,理想二极管,（导通时压降为零，截止时电流为零。）,恒压降模型,（导通时压降为Uon，截止时电流为零。）,折线模型,rD：交流电阻,1、伏安特性的折线化及等效电路,2、低频交流小信号作用下的等效电路,uD,小信号模型,例3.2.2,已知二极管导通压降UD=0.7V，UT=26mV；若ui是有效值为20mV，频率为1kHz的正弦波，则输入的交流电流的有效值为多少？,解：,(1)先求二极管的动态电阻rd。,(2)再求输入的交流电流的有效值。,3.2.5二极管电路的分析及其应用,*定性分析：判断二极管的工作状态,导通,*分析方法：将二极管从电路中断开，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UD0(正向偏置)，二极管导通,若二极管是理想的，正向导通时压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,若V阳8V，二极管导通，uo=8V当ui0，D导通，uo=ui当ui0，D截止，uo=0,此例中，二极管起检波作用。,整流电路,例3的Multisim仿真电路和波形,例4：,电路如图所示，二极管的管压降UD=0.7V。求：输出端Y点的电位VY。,解：断开二极管，则,VA阳=+5V，VA阴=+3V,UDA=+5V(+3V)=2V,VB阳=+5V，VB阴=0.3V,UDB=5V0.3V=4.7V,UDAUDB,DB优先导通，DA截止。,VY=0.3V+0.7V=1V,此例中，DB起钳位作用；DA起隔离作用。,导通,1,1,1,3.7,导通,导通,截止,截止,导通,导通,导通,门电路(与门),例5：,二极管的续流电路。,解：,当开关断开瞬间，电流不能跃变，二极管提供续流通路。,当开关闭合时，二极管截止，线圈中流过电流。,此例中，二极管起续流作用。,练习题：,1、电路如图所示，二极管为理想二极管。则Uo为（）。(a)-12V(b)-9V(c)-3V,2、电路如图所示，二极管为理想二极管。则Uo为（）。(a)4V(b)1V(c)10V,b,b,3.3稳压二极管及其应用电路,3.3.1稳压管,1、符号,2、伏安特性,(二极管),(稳压管),稳压管正常工作时加反向电压,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,稳压管工作在反向击穿区。,稳压原理：IZ大UZ小,使用时要加限流电阻。,是一种特殊的面接触型的硅二极管。,3、主要参数,(1)稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。,(5)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。,(4)动态电阻,(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM,(3)额定功耗PZM：PZM=UZIZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,当电流低于IZ时，稳压管不稳压，IZ又记为IZmin；当电流高于IZM时，稳压管会损坏，IZM又记为IZmax。,3.3.2稳压电路,稳压管必须与负载并联。,Uo=UZ,限流电阻,例1如图所示电路，已知UI=20V，R=1k，RL=2k，稳压管的UZ=10V，IZM=8mA。求电流IR、IZ和IL。,解:,限流电阻取值应使:IZminIZIZmax,例2：,用两只UZ=6V、正向压降为0.6V的稳压二极管和限流电阻可以组成几种不同输出电压的电路？,解：,3.4发光二极管及其基本应用举例,1、外形：,当在发光二极管上加上正向电压并有足够大的正向电流流过时，就能发出清晰的光。,2、符号：,一般用作显示器件，有红、黄、绿、橙色；工作电压为1.53V；工作电流为几毫安十几毫安。,3、用途：,可做成显示器件数码管,例3.4.1,已知发光二极管的导通压降UD=1.6V，正向电流大于5mA才能发光，小于20mA才不至于损坏。为使发光二极管发光，求限流电阻R的取值范围？,解：,限流电阻R的取值范围为(0.220.88)k。,本