半导体二极管及其电路分析备.ppt

温故知新,1、电流方向（），电压方向（）,2、并联总电阻和分电阻的关系。,3、电解电容在电路中如何连接。,4、基尔霍夫电压定律的内容与解题方法。,温故知新,内容：回路总电压和为零。,方法：1、选择合适回路。2、标出回路中各元件电压方向3、若元件电压方向和回路绕行方向相同则电压为正，反之为负。4、列回路方程解题。,5、学会用工程观点解决问题（估算法）,第一章半导体二极管及其电路分析,半导体器件是构成电路的基本元件，构成半导体器件的材料是经过加工的半导体材料，因此半导体材料的性质在很大程度上决定了半导体器件的性能。,新语新知,1.1半导体的基础知识,1.2半导体二极管及其特性,1.3二极管基本应用电路及其分析方法,1.4特殊二极管,1.1半导体的基础知识,自然界中的物体，根据导电能力(电阻率)可分为：导体、绝缘体、半导体。,常见的半导体材料为硅（Si）和锗（Ge）。,价电子,1.1.1本征半导体,共价键：,半导体的基础知识,对电子束缚较强,电子-,空穴,2、半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电,3、本征半导体导电能力弱，并与光照和温度有关。,制造半导体器件的材料不是本征半导体，而是人为的掺入杂质的半导体，目的是为了提高半导体的导电能力,1.1.2杂质半导体,1、掺入5价元素（磷、砷、锑）2、掺入3价元素（硼、铝、铟）,1掺入5价元素（磷）,自由电子,电子为多数载流子多子,空穴为少数载流子少子,掺杂磷产生的自由电子数本征激发产生的电子数,自由电子数空穴数,N型半导体,载流子数电子数,磷原子：施主原子,杂质半导体,N型半导体的简化图示,多子,少子,2掺入3价元素（硼）,掺杂硼产生的空穴数热激发产生的空穴,空穴数自由电子,空穴为多子,电子为少子,P型半导体,硼原子：受主原子,载流子数空穴数,P型半导体的简化图示,多子,少子,3半导体的导电性,I=IP+IN,本征半导体电流很弱。,N型半导体：IIN,P型半导体：IIP,掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响。,一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm3掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3以上两个浓度基本上依次相差106/cm3,4杂质对半导体导电性的影响,N型半导体：电子为多子，空穴为少子载流子数自由电子数施主原子提供电子，不能移动，带正电。,总结：,P型半导体：空穴为多子，电子为少子载流子数空穴数受主原子提供空穴，不能移动，带负电。,1.1.3PN结及其单向导电性,一PN结的形成,P,N,由于载流子的浓度差引起多子的扩散运动,由于复合使交界面形成空间电荷区（耗尽区）,空间电荷区,阻碍多子的扩散运动,有利于少子的漂移运动,引起载流子定向移动的类型,1、扩散电流：载流子的浓度差引起,2、漂移电流：由于电场引起的定向移动,在PN结中扩散和漂移最后达到动态平衡即扩散电流漂移电流，总电流0,PN结,PN结,二、PN结的单向导电性,1正向偏置（P区接电源正极，N区接电源负极）,外电场的作用使空间电荷区变窄，扩散运动加剧，漂移运动减弱，从而形成正向电流。,此时PN结呈现低阻态，PN结处于导通状态，理想模型为闭合开关。,PN结,2反向偏置（P区接电源负极，N区接电源正极）,外电场的作用使空间电荷区变宽，扩散运动变弱，漂移运动加强，从而形成反向电流，也称为漂移电流。,此时PN结呈现高阻态，漂移电流很小，此时PN结处于截止状态，模型相当于开关打开。,结论,PN结反向偏置时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，且和温度有关。,PN结正向偏置时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结,1、N型半导体带负电，P型半导体带正电。这种说法是否正确？,3、N型半导体的多子是（），P型半导体的多子是（）。,4、PN结中扩散电流的方向是从（）区指向（）区，漂移电流的方向是（）区指向（）区。,温故知新,2、Si参杂（）形成N型半导体，掺杂（）形成P型半导体。,5、解释PN结正向偏置。,9、PN结单向导电性是指什么？,PN结,温故知新,6、PN结正向偏置后所具有的特点。,7、解释PN结反向偏置。,8、PN结反向偏置后所具有的特点。,1.2.1二极管的结构与类型,构成：,PN结+管壳+引线=二极管(Diode),1.2半导体二极管及其特性,二极管的符号：,正极（阳极）,负极（阴极）,半导体二极管,分类：,按结构分,点接触型,面接触型,平面型,半导体二极管的类型,点接触型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频小电流电路。,半导体二极管,面接触型,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,半导体二极管,平面型二极管,往往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。,半导体二极管,tiao,1.2.2二极管的伏安特性,半导体二极管,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性,Uth,死区电压,反向特性,IS,-U(BR),反向击穿,U,一正向特性,iD=0,Uth=0.5V,0.1V,(硅管),(锗管),UUth,iD急剧上升,0UUth,UD(on)=(0.60.8)V,硅管0.7V,(0.10.3)V,锗管0.2V,-U(BR)U0,iD=IS,(硅)0.1A,(锗)几十A,U3.7V时D导通，UO=0.7+3=3.7V,Ui0V时D2、D3导通，UO=Ui,Ui0V时D4、D1导通，UO=-Ui,半导体二极管,半导体二极管,二极管的单向导电性应用很广，可用于：限幅、整流、开关、检波、元件保护等。,应用,半导体二极管,三、二极管的折线近似模型,UON,斜率1/rD,rD,UON,半导体二极管,三小信号模型,如果二极管工作在V-I特性的某一小范围内工作时，则可以把V-I特性看成一条直线，其斜率的倒数就是动态电阻rd,半导体二极管,例:如图所示,输入电压UI为10V,分析当UI变化1V时,输出电压UO的相应变化量和输出电压量.,1.4特殊二极管,1.4.1稳压管,稳压管又称齐纳二极管，它是一种特殊工艺制造的半导体二极管。它的符号如图所示。,当反向电压加到某一定值时UZ，产生反向击穿，反向电流急剧增加，只要控制反向电流不超过一定值，管子就不会损坏。,1、稳压管的伏安特性,工作在反向击穿特性区,_,2、稳压管的主要参数,稳定电压UZ,指规定电流下稳压管的反向击穿电压。稳压管的稳定电压低的为3V，高的可达300V，它的正向电压约为0.6V。,稳定电流IZ（Izmin-Izmax）,指稳压管工作在稳压状态时的参考电流。电流低于Izmin时稳压效果变坏，甚至根本不稳压。,_,额定功耗PZM,指稳压管的稳定电压与最大稳定电流的乘积。,温度系数,指温度每变化1时稳压值的变化量。VZ小于4V的管子具有负温度系数，VZ大于7V的管子具有正温度系数。4V至7V的管子温度系数非常小。,动态电阻rz,指稳压管两端的电压变化与电流变化之比。曲线越陡，动态电阻愈小，稳压管的稳压性能愈好。,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管；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。,注意,接法：反接,电阻R的作用：限流,RL代表：负载,工作区：反向击穿,3、稳压管的基本电路,三、应用,例1：电路如图，求流过稳压管的电流IZ，R是否合适？,解：,故，R是合适的。,例2：电路如图，IZmax=50mA，R=0.15K,UI=24V,IZ=5mA,UZ=12V，问当RL=0.2K时，电路能否稳定，为什么？当RL=0.8K时，电路能否稳定，为什么？,解：,例3、电路如图，UI=12V，UZ=6V，R=0.15K，IZ=5mA，IZMAX=30mA,问保证电路正常工作时RL的取值范围,解：,例4：已知u=10sin(t)V,UZ=6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,例5：已知u=10sin(t)V,UZ=+6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,例6：已知u=3sin(t)V,UZ=6V,IZ=10mA，Izmax=30mA,画出uo的波形，并求限流电阻R的最小值。,例7稳压电路如图所示，直流输入电压VI的电压在12V13.6V之间。负载为9V的收音机，当它的音量最大时，需供给的功率为0.5W。稳压管的VZ=9V，稳定电流IZmin=5mA，额定功率为1W，R=51。试分析稳压管电路能否正常工作。,收音机所需电流,流过R的电流为,流过稳压管的电流为,解,由于收音机音量最大时，稳压管流过的电流,稳压管的稳定电流范围为：,所以稳压管失去了稳压作用。,其它类型二极管,发光二极管,光电二极管,发光二极管,发光二极管是通过电流时发光的一种器件，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。发出的光的波长由所使用的基本材料而定。它的符号如图所示。,发光二极