晶体二极管ppt课件

第1章晶体二极管 1 学习目标要求 1 了解PN结的基本特性2 熟悉晶体二极管的数学模型 曲线模型 简化电路模型 掌握各种模型的特点及应用场合3 熟悉二极管电路的三种分析方法 图解法 简化分析法 小信号分析法 能熟练利用简化分析法分析各种功能电路4 了解各种特殊二极管的特点及应用 2 1 1半导体的基础知识 3 1 1半导体的基础知识 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 半导体的电阻率为10 3 109 cm 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 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 杂敏性 热敏性 光敏性 4 4表示除去价电子后的原子 1 1半导体的基础知识 1 1 1本征半导体 Intrinsicsemiconductor 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99 9999999 常称为 九个9 共价键共用电子对 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 5 1 1半导体的基础知识 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 6 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 电子空穴对 1 1半导体的基础知识 7 1 1半导体的基础知识 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 载流子 存在于物质中可以自由移动的带电粒子 热平衡载流子的浓度 8 自由电子带负电荷电子流 动画演示 总电流 空穴 束缚电子 带正电荷空穴流 本征半导体的导电性弱 取决于外加能量 温度变化 导电性变化 光照变化 导电性变化 导电机制 9 1 1半导体的基础知识 1 1 2杂质半导体 杂敏性 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 称为N型半导体 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 10 1 1半导体的基础知识 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 11 1 1半导体的基础知识 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 P型半导体 12 1 1半导体的基础知识 杂质半导体的示意图 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 13 1 1半导体的基础知识 杂质半导体中载流浓度计算 14 1 1半导体的基础知识 1 1 3两种导电机理 漂移和扩散 漂移与漂移电流 载流子在电场作用下的运动称漂移运动 所形成的电流称漂移电流 总漂移电流密度 15 1 1半导体的基础知识 半导体的电导率 电压 V El 电流 I SJt 电阻 电导率 16 1 1半导体的基础知识 光照对引起的电导率 光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上 称为非平衡载流子 浓度值 光电导率 17 1 1半导体的基础知识 载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动 所形成的电流称扩散电流 扩散电流密度 扩散与扩散电流 18 小结 半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间在一定温度下 本征半导体因本征激发而产生自由电子 故有一定的导电能力 其导电能力主要由温度决定杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定 P型半导体空穴是多子 自由电子是少子 N型半导体中自由电子式多子 空穴是少子半导体的导电能力与温度 光强 杂质浓度和材料性质有关半导体有两种导电方式 电场作用下产生的漂移电流和非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流 19 1 2PN结 利用掺杂工艺 把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合 P区与N区的交界面就形成了PN结 PN结 N型 20 1 2PN结与二极管 1 2 1动态平衡下的PN结 将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上 在它们的交界面就形成PN结 1 阻挡层形成的物理过程 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 21 1 2PN结与二极管 动画演示 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 22 1 2PN结 2 内建电位差 3 阻挡层宽度 注意 掺杂浓度 Na Nd 越大 内建电位差VB越大 阻挡层宽度l0越小 23 1 2PN结与二极管 1 2 2PN结的伏安特性 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IF 24 1 2PN结与二极管 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流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但IR与温度有关 25 1 2PN结 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 动画演示 26 1 2PN结 PN结 伏安特性方程式 PN结正 反向特性 可用理想的指数函数来描述 其中 IS为反向饱和电流 其值与外加电压近似无关 但受温度影响很大 正偏时 反偏时 3 PN结的伏安特性 27 1 2PN结 PN结 伏安特性曲线 O 28 1 2PN结 1 2 3PN结的击穿特性 O 29 热击穿 PN结过热 热击穿 烧坏PN结 电击穿 可逆 齐纳击穿 雪崩击穿 3 稳压二极管 利用PN结的反向击穿特性 可制成稳压二极管 要求 IZmin IZ IZmax 30 1 2PN结 1 2 4PN结的温度特性 1 PN结伏安特性的温度特性 温度每升高10 IS约增加一倍 温度每升高1 VD on 约减小2 5mV 31 1 2PN结 因为T 载流子运动的平均自由路程 V BR 2 击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压具有正温度系数 齐纳击穿电压具有负温度系数 因为T 价电子获得的能量 V BR 32 1 2PN结与二极管 1 2 5PN结的电容特性 当外加电压发生变化时 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 33 1 2PN结与二极管 2 扩散电容CD 当外加正向电压不同时 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 电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来 极间电容 结电容 34 3 PN结电容 PN结反偏时 CT CD 则Cj CT PN结总电容 Cj CT CD PN结正偏时 CD CT 则Cj CD 故 PN结正偏时 以CD为主 故 PN结反偏时 以CT为主 通常 CD 几十pF 几千pF 通常 CT 几pF 几十pF 35 4 变容二极管 a 符号 b 结电容与电压的关系 纵坐标为对数刻度 36 1 2PN结 1 2 6PN结的开关特性 1 由于二极管导通电压Von的存在 只有二极管两端的正偏电压大于Von时 才可认为二极管作为开关导通 锗比硅的导通特性好 2 二极管导通电阻的存在 只有负载电阻远大于二极管导通电阻时 才可忽略该电阻 3 二极管反向饱和电流不等于0 硅比锗的截止特性好 4 二极管结电容的存在 导通和截止都需要一定时间 称正向恢复时间和反向恢复时间 37 1 2PN结与二极管 1 2 7二极管 1 二极管的结构和符号 二极管 PN结 管壳 引线 1 二极管的内部结构及符号 a 点接触型 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 38 1 2PN结与二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 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 39 1 2PN结与二极管 2 二极管的类型 按PN结结构分 有点接触型和面接触型二极管 按用途划分 有整流二极管 检波二极管 稳压二极管 开关二极管 发光二极管 变容二极管等 按半导体材料分 有硅二极管 锗二极管等 40 1 2PN结与二极管 3 半导体二极管的命名 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 2AP9 41 1 2PN结与二极管 日本对半导体器件型号的命名举例如下 2SA733 两位以上整数表示在JEIA注册登记的顺序号 42 1 2PN结与二极管 美国半导体器件型号命名及含义 1N4007 用字母A B C 表示同一型号器件的不同档次 1代表二极管 2代表三极管 3三个PN结器件 n 43 1 2PN结与二极管 2 二极管的伏安特性 正向特性 硅管的伏安特性 在二极管的两端加上电压 测量流过管子的电流 则I f U 之间的关系曲线为伏安特性 44 1 2PN结与二极管 二极管具有单向导电性 加正向电压时导通 呈现很小的正向电阻 如同开关闭合 加反向电压时截止 呈现很大的反向电阻 如同开关断开 从二极管伏安特性曲线可以看出 二极管的电压与电流变化不呈线性关系 其内阻不是常数 所以二极管属于非线性器件 45 1 2PN结与二极管 3 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 2 最高反向工作电压UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值 通常将击穿电压UBR的一半定义为UR 3 反向饱和电流IR 通常希望IR值愈小愈好 4 最高工作频率fM fM值主要决定于PN结结电容的大小 结电容愈大 二极管允许的最高工作频率愈低 反偏时 取决于势垒电容 正偏时 取决于扩散电容 46 小结与思考题 PN结具有单向导电性 用PN结可以制成多种多样的半导体器件二极管的特性与参数和温度的关系非常密切 使用时应特别注意使用二极管时 不能超过其参数规定的额度 1 如何用万用表的欧姆档来判断一只二极管的阴阳极及其好坏2 比较硅 锗两种二极管的性能 在工程实践中 为什么硅二极管应用较普遍 3 把二极管短路是否应该有电流流通 把一个有玻璃壳的二极管刮去外面的黑漆 两端接一微安表 不接任何电源 在光照之下电表是否有指示 把它加温到50度 过一段时间后 电表是否有指示 47 1 3晶体二极管电路的分析方法 晶体二极管的内部结构就是一个PN结 就其伏安特性而言 它有不同的表示方法 或者表示为不同形式的模型 便于计算机辅助分析的数学模型 适于任一工作状态的通用曲线模型 48 1 3晶体二极管电路的分析方法 1 3 1晶体二极管的模型 数学模型 伏安特性方程式 理想模型 修正模型 rS 体电阻 引线接触电阻 引线电阻 注意 考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响 实际IS 理想IS 49 1 3晶体二极管电路的分析方法 曲线模型 伏安特性曲线 晶体二极管的伏安特性曲线 通常由实测得到 50 1 3晶体二极管电路的分析方法 等效电路模型 折线等效 在主要利用二极管单向导电性的电路中 实际二极管的伏安特性 理想状态 与外电路相比 VD on 和RD均可忽略时 二极管的伏安特性和电路符号 开关状态 与外电路相比 RD可忽略时的伏安特性 简化电路模型 折线等效时 二极管的简化电路模型 51 1 3晶体二极管电路的分析方法 小信号电路模型 rs PN结串联电阻 数值很小 rj 为二极管增量结电阻 Cj PN结结电容 由CD和CT两部分构成 注意 高频电路中 需考虑Cj影响 因高频工作时 Cj容抗很小 PN结单向导电性会因Cj的交流旁路作用而变差 52 1 3晶体二极管电路的分析方法 1 图解法 分析二极管电路主要采用 图解法 简化分析法 小信号等效电路法 重点掌握简化分析法 写出管外电路直流负载线方程 1 3 2晶体二极管电路分析方法 利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线 通过作图的方法进行求解 要求 已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值 分析步骤 作直流负载线 分析直流工作点 优点 直观 既可分析直流 也可分析交流 53 1 3晶体二极管电路的分析方法 例1已知电路参数和二极管伏安特性曲线 试求电路的静态工作点电压和电流 Q 由图可写出直流负载线方程 V VDD IR 在直流负载线上任取两点 解 VDD VDD R 连接两点 画出直流负载线 VQ IQ 令I 0 得V VDD 令V 0 得I VDD R 所得交点 VQ IQ 即为Q点 54 1 3晶体二极管电路的分析方法 2 等效电路分析法 即将电路中二极管用简化电路模型代替 利用所得到的简化电路进行分析 求解 将截止的二极管开路 导通的二极管用直流简化电路模型替代 然后分析求解 1 估算法 判断二极管是导通还是截止 假设电路中二极管全部开路 分析其两端的电位 理想二极管 若V 0 则管子导通 反之截止 实际二极管 若V VD on 管子导通 反之截止 当电路中存在多个二极管时 正偏电压最大的管子优先导通 其余管子需重新分析其工作状态 55 例1 如图电路 求UDD 1V和UDD 10V时的电流I 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 当UDD 10V时 56 理想模型 恒压模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 在电源电压远远大于二极管管压降的情况下 恒压降模型能得出比较合理的结果 但当电源电压较低时 折线模型能够提供较合理的结果 正确选择器件的模型 是电子电路工作者必须掌握得基本技能 57 例2设二极管是理想的 求VAO值 图 a 假设D开路 则D两端电压 VD V1 V2 6 12 V 18V 0V 解 故D截止 VAO 12V 图 b 假设D1 D2开路 则D两端电压 VD1 V2 0 9V 0V VD2 V2 V1 15V 0V 由于VD2 VD1 则D2优先导通 此时VD1 6V 0V 故D1截止 VAO V1 6V 58 2 画输出信号波形方法 根据输入信号大小 判断二极管的导通与截止 找出vo与vi关系 画输出信号波形 例3设二极管是理想的 vi 6sin t V 试画vo波形 解 vi 2V时 D导通 则vO vi vi 2V时 D截止 则vO 2V 由此可画出vO的波形 59 小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替 利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量 分析步骤 将直流电源短路 画交流通路 用小信号电路模型代替二极管 得小信号等效电路 利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量 60 例1 4二极管电路如图1 20所示 已知ui 5sin t mV UDD 4V R 1K 试求硅二极管两端的电压及流过二极管的电流 图1 20交 直流共存的二极管电路 解 1 直流 静态 分析令 0 二极管的正向导通电压 0 7V 该电路的直流通路如图1 21所示 由图可求得直流电压 电流 2 交流 动态 分析 61 3 含有直流的瞬时电压 电流 rd R 62 1 4晶体二极管的应用 1 4 1整流与稳压电路 电源设备组成框图 63 1 4晶体二极管的应用 1 整流电路 当vi 0V时 D导通 则vO vi 当vi 0V时 D截止 则vO 0V 由此 利用二极管的单向导电性 实现了半波整流 若输入信号为正弦波 平均值 VO t O vO Vim Vim 64 1 4晶体二极管的应用 2 稳压电路 某原因VO IZ I 限流电阻R 保证稳压管工作在IZmin IZmax之间 稳压原理 VO VZ 输出电压 vZ V iZ mA IZ VZ 曲线越陡 电压越定 VZ 稳压管工作于反向击穿区 65 1 4晶体二极管的应用 66 1 4晶体二极管的应用 1 4 2限幅电路 或削波电路 V2 vi V1时 D1 D2截止 vo vi Vi V1时 D1导通 D2截止 vo V1 Vi V2时 D2导通 D1截止 vo V2 由此 电路实现双向限幅功能 其中 V1为上限幅电平 V2为下限幅电平 67 1 4晶体二极管的应用 1 4 3二极管门电路 1 在开关电路中 利用二极管的单向导电性以接通或断开电路 2 在分析这种电路时 即判断电路中二极管处于导通状态还是截止状态 应掌握一条基本原则 可以先将二极管断开 确定零电位点 然后观察 或经过计算 阳 阴两极间是正向电压还是反向电压 若是前者则二极管导通 否则二极管截止 3 如果有多个二极管 则正向电压最大者优先导通 导通后压降为0 对其他的二极管两端的电压可能产生影响 68 1 4晶体二极管的应用 例 一二极管开关电路如图所示 当v 1和v 2为0V或5V时 求v 1和v 2的值不同组合情况下 输出电压 o的值 设二极管是理想的 解 1 当v 1 0V v 2 5V时 D1为正向偏置 D1导通 vo 0V 此时D2的阴极电位为5V 阳极为0V 处于反向偏置 故D2截止 69 1 4晶体二极管的应用 与运算 2 以此类推 将v 1和v 2的其余三种组合及输出电压列于下表 70 1 5其他二极管 1 5 2光电二极管及其应用 光敏二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件 也有可见光和不可见光 如远红外光 之分 其外形与发光管类似 光敏二极管在反向电压作用下工作 当无光照时 和普通二极管一样 其反向电流很小 称为暗电流 当有光照时 产生的反向电流称为光电流 照度E越强 光电流也越大 光电流很小 一般只有几十微安 应用时必须放大 符号 71 1 5其他二极管 2发光二极管及其应用 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件 它包含了可见光 不可见光 激光等类型 可见光发光二极管也称为LED 符号如图所示 发光颜色目前有红色 绿色 橙色 黄色等 发光二极管的电特性与普通二极管一样 伏安特性曲线也类似 同样具有单向导电性 但正向导通电压比普通二极管高 红色的导通电压在1 6 1 8V间 绿色的为2V左右 符号 72 1 4二极管的分类和应用 光电传输系统 73 二极管的图形直接画在其外壳上如图2 a 示 对于二极管引线是轴向引出的 则会在其外壳上标出色环 色点 一般情况下 二极管有色点的一端为正极 有色环的一端为二极管的负极端 如图2