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 UT 26mV 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2 2 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UD 0 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 V阴或UD 0 反向偏置 二极管截止 截止 例1 电路如图所示 二极管D导通压降UD 0 7V 求 UAB 解 断开二极管 取B点作参考点 分析二极管D阳极和阴极的电位 V阳 6VV阴 12V V阳 V阴 二极管导通 UAB 6 UD 6 7V 此例中 二极管起钳位作用 例2 已知 ui 18sin tV 二极管是理想的 试画出uo波形 解 断开二极管 选取参考点 分析二极管阳极和阴极的电位 V阳 ui V阴 8V 当ui 8V 二极管导通 uo 8V当ui 8V 二极管截止 uo ui 此例中 二极管起限幅作用 例2的Multisim仿真电路和波形 例3 已知 ui 30sin tV 二极管的正向压降可忽略不计 试画出uo波形 解 断开二极管 选取参考点 分析二极管阳极和阴极的电位 V阳 ui V阴 0 当ui 0 D导通 uo ui当ui 0 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 5V 0 3V 4 7V UDA UDB 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1 C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 IZmin IZ IZmax 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 5 3V 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