CH3二极管及其基本电路.ppt

3二极管及其基本电路 3 1半导体的基本知识 3 3半导体二极管 3 4二极管基本电路及其分析方法 3 5特殊二极管 3 2PN结的形成及特性 3 1半导体的基本知识 3 1 1半导体材料 3 1 2半导体的共价键结构 3 1 3本征半导体 3 1 4杂质半导体 3 1 1半导体材料 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 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 3 1 2半导体的共价键结构 硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构 3 1 3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 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 绝对零度时 本征半导体的价电子被共价键束缚 无载流子 不导电 相当于绝缘体 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 空穴 温度愈高 产生的电子 空穴愈多 自由电子 本征激发 由于温度升高 产生电子 空穴对的现象 复合 自由电子会被空穴吸引 填补回去而成对消失 温度一定时 电子空穴的数量是常数 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 自由电子逆着电场运动 电子电流 2 价电子递补空穴 空穴沿着电场移动 空穴电流 3 电子和空穴都可以产生电流 通称为载流子 注意 温度愈高 载流子的数目愈多 导电性能也就愈好 所以 温度对本征半导体器件性能影响很大 3 1 4杂质半导体 掺入五价元素 多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 形成杂质半导体 在N型半导体中自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 1 N型半导体 掺入三价元素 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 接受一个电子变为负离子 空穴 无论N型或P型半导体都是中性的 对外不显电性 2 P型半导体 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 本征半导体 杂质半导体 本节中的有关概念 自由电子 空穴 N型半导体 P型半导体 多数载流子 少数载流子 本征激发 复合 3 2PN结的形成及特性 3 2 2PN结的形成 3 2 3PN结的单向导电性 3 2 4PN结的反向击穿 3 2 5PN结的电容效应 3 2 1载流子的漂移与扩散 3 2 1载流子的漂移与扩散 漂移 在电场作用引起载流子的定向运动称为漂移运动 产生的电流称为漂移电流 电流方向为正电荷移动的方向 大小与电场成正比 扩散 由载流子浓度差引起载流子的定向运动称为扩散运动 产生的电流称为扩散电流 电流的方向为由浓度梯度高指向浓度梯度低 大小与浓度梯度成正比 3 2 2PN结的形成 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 3 2 3PN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 2 PN结加反向电压 反向偏置 P接负 N接正 PN结变宽 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 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 简称正偏 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 简称反偏 由此可以得出结论 PN结具有单向导电性 3 2 4PN结的反向击穿 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 热击穿 不可逆 3 2 5PN结的电容效应 1 扩散电容CD 2 势垒电容CB 3 3二极管 3 3 1二极管的结构 3 3 2二极管的伏安特性 3 3 3二极管的主要参数 3 3 1半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分有点接触型 面接触型两大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 a 面接触型 b 集成电路中的平面型 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 电路符号 3 3 2二极管的伏安特性 1 二极管的伏安特性公式表示 硅二极管的V I特性 VT 与温度有关的常数 Is 反向饱和电流 vD 0时 正偏时成指数函数 vD 0时 反偏时为饱和电流 在常温下 T 300K 硅管0 5V锗管0 1V 3 反向击穿电压U BR 导通压降 外加电压大于死区电压 门坎 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 1 正向特性 2 反向特性 2 V I特性曲线 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数 3 3 3二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 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 二极管应用问题 种类 型号选择 查器件手册 表3 3 1正负极判断 P723 3 2 3 4二极管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方法 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 3 4 1简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一种非线性器件 因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法 相对来说比较复杂 而图解分析法则较简单 但前提条件是已知二极管的V I特性曲线 例3 4 1电路如图所示 已知二极管的V I特性曲线 电源VDD和电阻R 求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD 解 由电路的KVL方程 可得 即 是一条斜率为 1 R的直线 称为负载线 Q的坐标值 VD ID 即为所求 Q点称为电路的工作点 3 4 2二极管电路的简化模型分析方法 1 二极管V I特性的建模 1 理想模型 理想二极管 V I特性代表符号 正向偏置时的电路模型 短路 反向偏置时的电路模型 开路 2 恒压降模型 iD 1mA时 0 7V硅管0 2V锗管 正偏时 反偏时 放大电路多用此模型 3 折线模型 硅二极管 折线段 正偏时 反偏时 二级管电路的计算方法 1 将二极管断开 求正向开路电压VDO 2 如果VDO Vth 则D导通 可用理想模型 恒压模型或折线模型代替二极管 3 如果VDO Vth D截止 iD 0 2 模型分析法应用举例 例1二极管整流电路 1 vs和vo的波形 整流 将交流信号变换为直流信号 半波整流 脉动直流 vs 0 导通 vD 0 vs 0 D截止 iD 0 2 静态工作情况分析 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 a 简单二极管电路 b 习惯画法 电路中为理想二极管 求 VAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴 0 二极管导通采用理想模型 二极管可看作短路 VAB 6V 例2 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 在这里 二极管起钳位作用 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VVD1 6V VD2 12V VD2 VD1 D2优先导通 D1截止 使用理想模型 二极管可看作短路 VAB 0V 例2 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 电路中为理想二极管 求 VAB 如何判断二极管在电路中是导通的还是截止的 先假设二极管两端断开 确定二极管两端的电位差 若电路出现两个或两个以上二极管 应先判断承受正向电压较大的管子优先导通 再按照上述方法判断其余的管子是否导通 根据二极管两端加的是正电压还是反电压判定二极管是否导通 若为正电压且大于阈值电压 则管子导通 否则截止 ui 8V 0 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 0 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 限幅电路 二极管阴极电位为8V 3 5特殊二极管 1 符号 VZ IZ IZM VZ IZ 2 伏安特性 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态 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 5 1齐纳二极管 稳压二极管 3 主要参数 1 稳定电压VZ稳压管正常工作 反向击穿 时管子两端的电压 2 动态电阻 3 稳定电流IZ 最大稳定电流IZM rZ愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 4 稳压电路 正常稳压时VO VZ 限流电阻R的计算 IR IZ IL IR VI VZ R Io Vz RL Izmin Iz Izmax VI Vz Izmax IL Rmin VI Vz Izmin IL Rmax ui 8V 稳压管反向击穿 稳压uo Vz 8V0 ui 8V 稳压管反向截止 可看作开路uo ui 已知 试画出uo波形 8V 例 稳压管应用电路 ui 0V 稳压管正向导通 uo 0 7V 3 5 2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 特点 工作在反偏状态 电容与反向电压成正比 3 5 3肖特基二极管 a 符号 b 正向V I特性 特点 电容小 工作速度快 门槛电压低 常用作开关管 3 5 4光电子器件 1 光电二极管 a 符号 b 电路模型 c 特性曲线 特点 工作在反偏状态 反向电流与光的照度成正比 2 发光二极管 符号 光电传输系统 特点 正向导通时能发光 为可见光 3 激光二极管 a 物理结构 b 符号 end 特点 正向导通时能发光 不是可见光 而是红外线 第三章小结 半导体在本征激发后具有导电性能 载流子浓度与温度有关 P型半导体中多子为空穴 少子为电子 N型半导体中多子为电子 少子为空穴 PN结具有单相导电性 二极管的三种模型 正向偏置时 管压降为0 电阻也为0 反向偏置时