第3章 二极管及其应用.ppt

模拟电子技术 第3章半导体二极管及其基本应用电路 导体 半导体和绝缘体 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 铁 铝 铜等金属元素等低价元素 其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动 形成电流 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料 石英 惰性气体等 其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强 只有在外电场强到一定程度时才可能导电 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 硅 Si 锗 Ge 均为四价元素 它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间 3 1半导体的基本知识 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 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 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 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 半导体材料 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 在硅和锗晶体中 原子按四角形系统组成晶体点阵 每个原子都处在正四面体的中心 而四个其它原子位于四面体的顶点 每个原子与其相临的原子之间形成共价键 共用一对价电子 硅和锗的共价键结构 共价键共用电子对 4表示除去价电子后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 形成共价键后 每个原子的最外层电子是八个 构成稳定结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 本征激发 1 载流子 自由电子和空穴 由于热运动 具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置 称为空穴 束缚电子 3 1 1本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 2 本征半导体的导电机理 空穴吸引附近的电子来填补 相当于空穴的迁移 可以认为空穴是载流子 空穴带正电核 空穴子移动形成电流 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 电子带负电核 电子移动形成电流 自由电子与空穴相碰同时消失 称为复合 一定温度下 自由电子与空穴对的浓度一定 温度升高 热运动加剧 挣脱共价键的电子增多 自由电子与空穴对的浓度加大 在本征半导体中掺入某些微量的杂质 就会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 3 1 2杂质半导体 多余电子 磷原子 N型半导体中的载流子 1 由施主原子提供的电子 浓度与施主原子相同 2 本征半导体中成对产生的电子和空穴 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以 自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 一 N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价元素磷 或锑 外层有五个价电子 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键 必定多出一个电子五价元素磷称为施主原子 二 P型半导体 空穴 硼原子 P型半导体中空穴是多子 电子是少子 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流 但由于数量的关系 起导电作用的主要是多子 近似认为多子与杂质浓度相等 3 1 3PN结的形成及特性 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动 气体 液体 固体均有之 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 P型半导体 N型半导体 内电场越强 漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区也称PN结 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 形成空间电荷区 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 PN结变窄 P接正 N接负 IF 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 PN结加正向电压时 PN结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 PN结变宽 2 PN结加反向电压 反向偏置 内电场被加强 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 IR P接负 N接正 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 PN结加反向电压时 PN结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 四 PN结的电容效应 1 势垒电容 PN结外加电压变化时 空间电荷区的宽度将发生变化 有电荷的积累和释放的过程 与电容的充放电相同 其等效电容称为势垒电容Cb 2 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时 在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化 也有电荷的积累和释放的过程 其等效电容称为扩散电容Cd 结电容 结电容不是常量 若PN结外加电压频率高到一定程度 则失去单向导电性 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 问题 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体 将其掺杂后 如何改善其导电性能 为什么半导体器件的温度稳定性差 影响温度稳定性的主要因素是多子还是少子 PN结是如何形成的 为什么会有单向导电性 半导体二极管 一 二极管的组成 二 二极管的伏安特性及电流方程 三 二极管的等效电路 四 二极管的主要参数 五 稳压二极管 二极管的组成 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 小功率二极管 大功率二极管 稳压二极管 发光二极管 3 2半导体二极管及应用 3 2 1基本结构 a 点接触型 b 面接触型 结面积小 结电容小 正向电流小 工作频率高 用于检波和变频等高频电路 结面积大 正向电流大 结电容大 工作频率低 用于工频大电流整流电路 c 平面型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 二极管的结构 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 半导体二极管图片 半导体二极管图片 半导体二极管图片 3 2 2二极管的V I特性 硅管0 5V 锗管0 1V 反向击穿电压U BR 导通压降 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 6 0 8V锗0 2 0 3V 开启电压 反向饱和电流在一定电压范围内保持常数 3 2 3半导体二极管的参数 半导体二极管的参数包括最大整流电流IF 反向击穿电压VBR 最大反向工作电压VRM 反向电流IR 最高工作频率fmax和结电容Cj等 几个主要的参数介绍如下 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 反向击穿电压VBR 和最大反向工作电压VRM 3 反向电流IR 4 正向压降VF 5 动态电阻rd 在室温下 在规定的反向电压下 一般是最大反向工作电压下的反向电流值 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 在规定的正向电流下 二极管的正向电压降 小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下 约0 6 0 8V 锗二极管约0 2 0 3V 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数 显然 rd与工作电流的大小有关 即rd VF IF 二极管的等效电路1 将伏安特性折线化 理想二极管 近似分析中最常用 理想开关导通时UD 0截止时IS 0 导通时UD Uon截止时IS 0 导通时i与u成线性关系 应根据不同情况选择不同的等效电路 二极管的等效电路 Q越高 rD越小 当二极管静态基础上有一动态信号作用 则可将二极管等效为一个电阻 称为动态电阻 也就是微变等效电路 ui 0时直流电源作用 小信号作用 静态电流 2 微变等效电路 举例1 电路如图 若二极管理想 ui为一正弦波信号 画出u波形 判断理想二极管导通与否的方法 断开二极管 分析二极管阳极和阴极所在位置电位的高低 进而判断二极管导通或者截止 二极管基本模型 理想模型 正向看成短路 导通 反向看成开路 截止 恒压降模型 正向导通压降取定值 0 7v 反向看成开路 截止 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 由于二极管理想 所以二极管可看作短路 UAB 0V 例2 D1承受反向电压为6V 流过D2的电流为 求 若忽略管压降 求UAB V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12V UD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 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 8V 例3 二极管的用途 整流 检波 限幅 钳位 开关 元件保护 温度补偿等 本题体现了二极管的钳位功能 参考点 二极管阴极电位为8V 3 3稳压二极管及其基本应用电路 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管 稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样 稳压二极管伏安特性曲线的反向区 符号和典型应用电路如图所示 稳压二极管 稳压二极管工作在反向击穿状态下 当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时 其两端电压近似为常数 正向同二极管 稳定电流 稳定电压 由一个PN结组成 反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变 为稳定电压 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数 1 稳定电压VZ 2 动态电阻rZ 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 其概念与一般二极管的动态电阻相同 只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的 rZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 rZ VZ IZ 3 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 VZIZ 由PZM和VZ可以决定IZmax 4 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 VZIZmax 而Izmin对应于VZmin 若IZ Izmin 则不能起稳压作用 5 稳定电压温度系数 VZ 温度的变化将使VZ改变 在稳压管中当 VZ 7V时 VZ具有正温度系数 反向击穿是雪崩击穿 当 VZ 4V时 VZ具有负温度系数 反向击穿是齐纳击穿 当4V VZ 7V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 稳压二极管在工作时应反接 并串入一只电阻 电阻的作用是 起限流作用 以保护稳压管 特别提示 举例 p57例3 3 1 若稳压管的电流太小则不稳压 若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏 因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻 考研真题 电路如图 稳压管的技术参数 负载电阻 要求当输入电压由正常值发生 20 波动时 负载电压基本不变 解 令输入电压达到上限时 流过稳压管的电流为Izmax 求 电阻R和输入电压ui的正常值 方程1 令输入电压降到下限时 流过稳压管的电流为Izmin 方程2 联立方程1 2 可解得 3 4光电子器件 反向电流随光照强度的增加而上升 符号 2 发光二极管 有正向电流流过时 发出一定波长范围的光 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光 它的电特性与一般二极管类似 正向电压较一般二极管高 电流为几 几十mA 光敏二极管 发光二极管 1 光电二极管 总结 二极管电路分析举例 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 二极管导通 正向偏置 若V阳 V阴或UD为负 二极管截止 反向偏置 举例 1 电路如图所示 二极管D为理想元件 ui 6sin tV U 3V 画出输出电压uC的波形 2 电路如图所示 R 5kW 电压表V的读数约为 例题3选自电子科技大学考研试题 3 13 23 33 43 53 83 9 课后作业 例1 稳压二极管的应用 稳压二极管技术数据为 稳压值UZ 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压ui 12V 限流电阻R 200 求iZ 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZ 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5k 4k iL uo RL UZ RL 10 2 5 mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5k iL 10 1 5 6 7 mA iZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k iL 10 4 2 5 mA iZ 10 2 5 7 5 mA 负载变化 但iZ仍在1