二极管PPT演示课件

2半导体二极管及基本电路,概述,PN结的形成及特性,半导体二极管,特殊二极管,二极管基本电路分析,半导体的基本知识,1,1.2半导体二极管,二极管=1个PN结+管壳+引线,2、内部结构,1、基本符号,2.0晶体二极管概述,2,3、最重要特性：单向导电性：正向导通，I很大，反向截止，I很小0。正向接法：反向接法：,3,最大允许正向电流最高反向工作电压，避免被击穿最高工作频率，,5、二极管命名（国家标准）见课本P44,4、安全参数,4,材料：AN型锗材料BP型锗材料CN型硅材料DP型硅材料功能符号：P普通管，Z整流二极管W稳压管K开关管C变容二极管,例：2AP92CZ11,5,半导体的基本知识,一、半导体材料、分类、特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109cm。半导体常用材料有:1、元素半导体:硅Si和锗Ge等.（+4）2、化合物半导体：砷化镓GaAs等。3、以及掺杂制成杂质半导体的材料：硼B、铟In、Al，(+3)。磷P，锑Sb。（+5）,2.1半导体的基本知识,返回,6,半导体分类：,杂质半导体,本征半导体,电子型（N型）半导体,空穴型（P型）半导体,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。因此，半导体管又称晶体管。,7,半导体特性：光敏性热敏性掺杂性,8,二、本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体化学成分纯净的半导体。（99.9999999%）,本征半导体的共价键结构：,返回,正离子核，也称惯性核,硅原子,9,动画1-1,返回,10,电子空穴对,当半导体处于热力学温度0K时，半导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，成为自由电子而参与导电。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就留下一个空位，这个空位称为空穴。,自由电子,因本征激发而出现的自由电子和空穴是成对同时出现的，称为电子空穴对。,本征激发：又称热激发载流子的产生,动画1-1,空穴,返回,11,外加能量越多（温度越高），产生的电子空穴对越多,本征激发加剧。,与本征激发相反的现象复合（电子-空穴成对消失）在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度是一定的。常温300K时：,12,自由电子带负电荷电子流,总电流,空穴带正电荷空穴流,本征半导体的导电性取决于外加能量：温度（热）、光照变化，导电性变化。,导电机制,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度,13,三、杂质半导体,1、N型半导体（电子型半导体）,在本征半导体中掺入五价的元素(磷、砷、锑),多余电子，成为自由电子,自由电子,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征半导体变为杂质半导体。,返回,施主杂质N型杂质,14,N型半导体,硅原子,磷原子成不能自由移动的施主正离子,多余电子,施主正离子,自由电子,电子空穴对,掺入五价杂质（施主杂质）,多数载流子(多子)自由电子,少数载流子(少子)空穴,15,2、P型半导体（空穴型半导体）,本征半导体中掺入三价元素（硼，In,Al）（受主杂质）,硼原子成不能自由移动的受主负离子,硅或锗原子的共价键缺少一个电子形成了空穴,返回,16,电子空穴对,空穴,受主负离子,P型半导体,多数载流子（多子）空穴,少数载流子（少子）自由电子（本征激发产生）,多子数量与掺杂浓度有关，与温度几乎无关少子浓度与温度有极大的关系，随T，少子浓度,注意：P、N型半导体中正负电荷数恒相等，作用相抵消，对外保持电中性。,17,PN,18,复习,半导体的基本知识1、本征半导体化学成分纯净的半导体。2、本征激发在常温下，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子的现象。3、两种载流子自由电子和空穴4、两种杂质半导体N型和P型半导体5、两种导电方式漂移电流和扩散电流,19,PN结的单向导电性,PN结的形成,返回,2.2PN结的形成及特性,20,扩散运动在浓度差作用下载流子的定向运动扩散电流漂移运动在电场作用下载流子的定向运动漂移电流,一、PN结的形成,21,因多子浓度差,形成内电场（NP）,多子就扩散,由杂质离子形成空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合面,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,一.PN结的形成,22,当扩散漂移时，扩散继续进行,造成载流子的进一步耗尽，交界面宽度增加电荷量的增加造成内建E增强漂移运动增强最后两者达到动态平衡（）在交界面处形成宽度，电荷量稳定的空间电荷区PN结,PN结：空间电荷区、阻挡层、势垒区、耗尽区,内建接触电位差:,流过PN结的净电流0,23,二.PN结的单向导电性,1、加正向偏置电压（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,扩散运动漂移运动,耗尽层变窄，呈现低阻性,多子扩散形成正向电流IF，,处正向导通,24,2、加反向电压（反偏）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,漂移运动扩散运动,耗尽层变宽,呈高阻性,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基本上与外加反向电压的大小无关，所以称为反向饱和电流IS。但IR与温度有关。,25,26,根据理论分析得其特性的数学模型：,id为流过PN结的电流,IS为反向饱和电流,VT=kT/q称为热电压，温度的电压当量,其中k为玻耳兹曼常数1.381023J/Kq为电子电荷量1.61019CT为热力学温度对于室温（相当T=300K）则有VT=26mV。,当VD0且VT时，,VD为二极管两端的外加电压,3.PN结的伏安特性,(P36式2.2.1)：,27,返回,PN结的伏安特性曲线,正偏,IF（多子扩散）,反偏,IR（少子漂移）,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,电击穿可逆（P37）,热击穿烧坏PN结（P38）,根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图(P36),死区电压，阈值电压，门坎电压，导通电压，开启电压，,正向饱和电压,正向导通压降,硅：0.7V锗：0.3V,28,4.PN结的电容效应（P41）,(1)势垒电容CB,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，类似于平板电容充放电，PN结的这种郊应用CB等效。,几pF几十pF,29,(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。,极间电容（结电容）CJ=CB+CD,几十pF几千pF,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,30,判断对错：,1、半导体本身电量平衡不带电。（）2、因为N型半导体的多子是自由电子所以它带负电。（）3、内电场越强，就使扩散运动越强，（）而扩散的结果使空间电荷区变宽。（）4、PN结在无光照射、无外加电压时，结电流为零。（）5、PN结就是空间电荷区，也称耗尽层、势垒区。（）,1、；2、；3、；4、；5、。,31,1、半导体区别于导体的重要特征是:_.2、空间电荷区是由_构成的3、空间电荷区又称为耗尽区，是因为_。4、PN结正偏是指P区接_，N区接_。正向电阻阻值_。5、正向电流随外加电压增加而_。6、PN结反偏时，阻挡层变_，_形成反向电流，反向电流与_无关。7、半导体二极管的伏安特性表达式为_。,思考题,32,半导体二极管,2.3半导体二极管,半导体二极管的结构,半导体二极管的伏安特性曲线,半导体二极管的参数,二极管：主要特点是具有单向导电性。单向导电：二极管正极接电源正极，负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。,返回,33,二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于数电开关，小电流整流，检波和变频等高频电路。,(2)面接触型二极管,PN结面积大，用于大电流整流电路。不宜用于高频电路中。,一、半导体二极管的结构,返回,34,半导体二极管图片,35,36,正反向特性（各分两段）,硅二极管的死区电压（导通电压）Vth=0.50.7V左右锗二极管的死区电压（导通电压）Vth=0.1-0.3V左右,返回,二、半导体二极管的曲线模型即实测的二极管伏安特性曲线,正向饱和电压,硅二极管的反向击穿特性比较硬、陡，Is很小(nA)硬击穿。锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑,Is较大(微安)软击穿。,即实测的二极管伏安特性曲线,37,测正向特性,测反向特性,思考题P45题2.3.2：如何用万用表欧姆档辨别一只二极管的阳、阴极？答：A，模拟型（指针式）万用表B，数字式万用表,38,三、半导体二极管的参数（P41）,(1)最大整流电流IF,(2)反向击穿电压VBR,(3)反向电流IR,(4)正向压降VF,在室温，规定的反向电压下，最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的IR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。硅二极管约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,二极管连续工作时，允许流过的最大正向平均电流。,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。,返回,(5)极间电容,(6)最高工作频率,39,模型分析法:D为非线性器件,其实际物理特性十分复杂,都须用相应的模型来表示.,2.4二极管基本电路分析,40,二极管基本电路分析,2.4.1二极管模型,正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。,反向偏置时：电流为0，电阻为。,当iD1mA时，,1.理想模型,2.恒压降模型,返回,UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V,D的V-I特性的建模,41,3.折线模型（实际模型）,4.小信号模型,返回,适用于当iD1mA时，,二极管导通电阻,二极管增量结电阻,42,Q静态工作点（VQ,IQ直流），二极管对叠加在Q点上的微小增量(交流)而言，等效为一电阻小信号模型的微变电阻，其值即为该直线段斜率（Q点的斜率）的倒数。(P46-47),43,A直流模型（一般模型）：理想模型（工作于大电压D的导通电压）恒压降模型：折线模型（实际模型）：考虑整个D的体电阻,直流电路分析：1、判断D的导通与截止，2、D的工作点Q的计算（VDQ，IDQ）B交流模型（小信号模型）,二极管与PN结的唯一区别：考虑中性(线性)体电阻rs的大小,44,二、二极管电路分析,例1,例2,例3,例4,例5,例6,例7,例8,例9,例10,返回,45,a.判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析二极管两端的电位。1、理想二极管：若某管阳极电位大于阴极电位，则接上二极管后，该管导通；反之，二极管截止。,（1）估算法,晶体二极管电路简化分析法,简化分析法是将电路中的二极管用简化电路模型代替，利用简化电路直接分析、求解。,46,2、实际二极管：,若某管阳极电位与阴极电位之差大于导通电压（Vth），则该管导通；反之，二极管截止。当电路中存在多个二极管时，存在优先导通权，正偏电压最大的管子优先导通。将优先导通的二极管接入电路中，重新分析其它二极管的工作状态。,假设管子开路时，所分析出的电位，并不是电路的实际电位。b、利用上述分析结果，将截止的D开路，导通的D用直流简化电路模型代替，然后分析求解。,注意,47,例：二极管电路如图，判断图中二极管是导通还是截止？并确定各电路的输出电压VO。设二极管的导通压降为0.7V。,解:首先将二极管D1和D2断开，求两管将承受的电压。对D1管：VB1A=VB1-VA=0-（-12）V=12V；对D2管：VB2A=VB2-VA=(-15)-（-12）V=-3V。二极管接入后，D1正偏电压大而处优先导通状态，,VA被D1钳位在-0.7V，故VO=VA=-0.7V。而VB2A=-15-（-0.7）V=-14.3V，所以D2截止。,48,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,49,3.4.2二极管电路的简化模型分析方法,2模型分析法应用举例,（1）整流电路,（a）电路图（b）vs和vo的波形,50,例1：,1.静态（工作情况）分析,求VDD=10V时，二极管的电流ID、电压VD值。,解：,1.理想模型,正向偏置时：管压降为0，电阻也为0。反向偏置时：电流为0，电阻为。,2.恒压降模型,3.实际模型,当iD1mA时，vD=0.7V。,51,2模型分析法应用举例,（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,52,例2：,解：ViVR时，二极管导通，vo=vi,ViVR时，二极管截止，vo=VR。,理想二极管电路中vi=VmsintV，求输出波形v0。,限幅电路（削波电路P49）,注意：输出波形：传输特性：,53,例4：,P81用理想和恒压降模型求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V时，输出v0的值。(2).Vi=6sintV时，输出v0的波形。,解：(1).理想模型恒压降模型,vI=4V/6V，D导通。,vI=0V时，D截止。v0=vI=0V,(2).Vi=6sintVa.理想模型,54,b.恒压降模型:,单向限幅电路,55,例4：,用理想和恒压降模型求(1).vI=0V,vI=4V,vI=6V时，输出v0的值。(2).Vi=6sintV时，输出v0的波形。,解：(1).,vI=4V时，D导通。,vI=0V时，D截止。v0=vI,vI=6V时，D导通。,(2).Vi=6sintVa.理想模型,折线模型,实际模型,56,c.恒压降模型:,b.折线模型:,单向限幅电路,57,例5：,ViV1时，D1导通、D2截止，Vo=V1。,ViV2时，D2导通、D1截止，Vo=V2。,V2Vi137.5V，D1、D2均导通。,VO=25V,VO=100V,137.5,画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,59,例9：开关电路P81,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V0V,导通导通,导通截止,截止导通,截止截止,0V5V,5V0V,5V5V,0V,0V,0V,5V,求vI1和vI2不同值组合时的v0值（二极管为理想模型）。,解：,60,例11低电压稳压电路P82例3.4.12,61,小信号分析法,小信号分析法是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。,（1）将直流电源短路，画交流通路。（2）用小信号电路模型代替二极管，画出小信号等效电路。（3）利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,分析步骤：,62,end,2模型分析法应用举例,（6）小信号工作情况分析,图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。,直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。,P83例3.4.6,63,已知二极管D的正向导通管压降VD=0.6V，C为隔直电容，vi(t)为小信号交流信号源。试求二极管的静态工作电流IDQ，以及二极管的直流导通电阻R直。求在室温300K时，D的小信号交流等效电阻r交。,解：,例12：,64,3，若vi(t)=10sint（mV），当信号试求输出电压。,因为C对交流信号呈短路，E=0视短路，,交流通路,65,特殊二极管,2.5特殊二极管,2.5.1稳压二极管(齐纳二极管),稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,反偏电压UZ反向击穿,稳压管的稳定电压,66,(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。,rZ=VZ/IZ，rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡,稳压性能越好。,(3)最大耗散功率PZM,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,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZIZmin则不能稳压。,(1)稳定电压VZ,稳定电压,67,稳压管的稳压过程,RL,Io,IR,VR,IZ,IR,Vo,Vo,VZ,VR,并联式稳压电路(P54),典型应用:直流稳压电源,68,限流R的选择原则：解出R的范围：,69,举例,移动式收音机,由题知:直流输入电压系汽车上一铅酸电池供电，求(1)直流输出电压.(2)为保证通过稳压管的电流小于最大电流,R的最小值.(3)为保证稳压管可靠击穿，问负载的最小值。（4）若稳压D的耗散P=1W，R=47欧，试检验稳压管功率定额？,1213.6V,解:(1)Vo=Vz=9V,(2),70,（4）稳压D的耗散P=1W，R=47欧，检验稳压管的最大耗散功率,.(3)为保证稳压管可靠击穿，问负载的最小值。,71,2.5.2变容二极管,结电容随反向电压的增大而减小的电容效应制成的D。主要是得用PN结的势垒电容效应做成的。（C较小）广泛应用于高频调频电路中、常用其组成压控电容,72,3.5.3肖特基二极管,（a）符号（b）正向V-I特性,73,2.5.3光电子器件,一、光电二极管光敏二极管（光电能的器件）在光照射下，外加反偏时D的反向电流入射光强度光流，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。用在光纤通信系统接收机前端部分。,74,3.5.4光电子器件,1.光电二极管,（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线,75,二、发光二极管（LED）：（电光能的器件）PN结外加正偏时，发光亮度正向工作电流（多子复合而发光），不同的半导体材料，辐射不同颜色的光。如磷砷化镓：红光或黄光。磷化镓：红光或绿光。氮化镓：蓝光。砷化镓：不可见的红外光等。,广泛应用在显示设备中；也用在光纤通信系统发射部分。,76,3.5.4光电子器件,2.发光二极管,符号,光电传输系统,77,三、激光二极管,其结构与发光二极管的结构类似。它也是一种发光器件，发出单波长的红外线光。,广泛应用在小功率光电设备中。如：计算机上的光盘驱动器，激光打印机中的打印头等。,78,3.5.4光电子器件,3.激光二极管,（a）物理结构（b）符号,end,79,应用：7段数字显示器：光电耦合器：,光传输信号的电隔离器件。,80,第2章作业题：,2.4.12.5.12.4.3(d)2.4.4(c)2.4.112.4.12,81,注意：本章小结（P59）预习第三章内容,82,截止,解：,或断开二极管D：,83,例8：,+9V-,+1V-,+2.5V-,+12.5V-,+14V-,+1V-,截止,解：,或断开二极管D：,判别二极管是导通还是截止。,84,导通,或断开二极管D：,85,例：判断图中二极管是导通还是截止？并确定各电路的输出电压VO。设二极管的导通压降为0.7V。,解:首先将二极管D1和D2断开，求两管将承受的电压。对D1管：VAB1=VA-VB1=（12-0）V=12V；对D2管：VAB2=VA-VB2=12-（-6）V=18V。二极管接入后，D2正偏电压大而处优先导通状态，VO=0.7-6=-5.3V,VAB1=VA-VB1=-5.3-0=-5.3V,所以D1截止。,86,例:设二极管是理想的,判断图中二极管是否导通?并求VAO值.,所以,D1导通,D2也导通.,VAO=(VR4)/R1+(R2R3)+R450mv,解:同时断开D1,D2,VD1=3V,D1导通.VD2=0V,无法确定.接上D1,求出:VD2=0.74V0;,87,例3：,二极管限幅电路:已知电路的输入波形为vi,二极管的VD为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,Vi3.6V时，二极管导通，vo=3.6V。,Vi3.6V时，二极管截止，vo=Vi3.6V。,88,例7：,当VI0时D1截止D2导通,画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,89,例10,正半周：D1、D3导通D2、D4截止,负半周D2、D4导通D1、D3截止,求整流电路的输出波形(p62图题2.4.5(b)。,解：,90,一、教学要求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、熟悉二极管电路的分析方法：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。,二极管小结（一）,91,二、基本内容1、半导体的导电机理（1）自由电子和空穴（2）N型和P型半导体（3）漂移电流和扩散电流2、