半导体二极管及其基本应用电路PPT学习教案

1、会计学1 半导体二极管及其基本应用电路半导体二极管及其基本应用电路PPT课课 件件 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 根据导电能力的不同，物质可分为导体、半根据导电能力的不同，物质可分为导体、半 导体和绝缘体。导体和绝缘体。 半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性：半导体材料具有与导体和绝缘体不同的导电特性： 1.1.热敏特性热敏特性 2.2.光敏特性光敏特性 半导体材料及其导电特性半导体材料及其导电特性 3.3.掺杂特性掺杂特性 第1页/共35页 本征半导体本征半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 本征半导体是完全纯净的、晶格结构完整的半导体。本征半导体是

2、完全纯净的、晶格结构完整的半导体。 硅原子结构示意图硅原子结构示意图 锗原子结构示意图锗原子结构示意图 硅原子和锗原子结构简化模型。硅原子和锗原子结构简化模型。 第2页/共35页 1. 1. 本征半导体中的共价键结构本征半导体中的共价键结构 本征半导体本征半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 第3页/共35页 空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。 电子空穴对电子空穴对由热激发而由热激发而 产生的自由电子和空穴对。产生的自由电子和空穴对。 2. 2. 本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子 自由电子自由电子电子挣脱共价键的束电子挣脱共价键的束 缚，参与导电成为自由电

3、子。缚，参与导电成为自由电子。 本征半导体中有两种载流子本征半导体中有两种载流子带负电的自由电子和带正带负电的自由电子和带正 电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导电的空穴，它们均参与导电。这是半导体导电区别与导体导 电的一个重要特点。电的一个重要特点。 本征半导体本征半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 第4页/共35页 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 杂质半导体杂质半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 1. N1. N型半导体型半导体 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多

4、数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂它主要由杂 质原子提供；质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。 第5页/共35页 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 杂质半导体杂质半导体 2.1 2.1半导体的基础知识半导体的基础知识 2. P2. P型半导体型半导体 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成； 自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 第6页/共35页 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电

5、结的形成及其单向导电 性性 在内电场的作用下产生的漂移运动在内电场的作用下产生的漂移运动 由载流子浓度差产生的扩散运动由载流子浓度差产生的扩散运动 2.2.PNPN结的形成结的形成 空穴的漂移速度空穴的漂移速度 ： 电子的漂移速度：电子的漂移速度： nn VE pp VE 1. 1. 载流子的扩散运动和漂移运动载流子的扩散运动和漂移运动 第7页/共35页 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电 性性 1. PN1. PN结外加正向电压结外加正向电压 将将PNPN结的结的P P区接电源正极，区接电源正极， N N区接电源负极，这种连接方区接电源负极，这种连接方 式称为式

6、称为PNPN结外加正向电压，又称结外加正向电压，又称PNPN结正向偏置。结正向偏置。 PNPN结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称结正向偏置时，呈现低阻特性，此时称PNPN结结导通导通。 第8页/共35页 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电 性性 2. PN2. PN结外加反向电压结外加反向电压 将将PNPN结的结的P P区接电源负极，区接电源负极，N N区接电源正极，这种连接区接电源正极，这种连接 方式称为方式称为PNPN结外加反向电压，又称结外加反向电压，又称PNPN结反向偏置。结反向偏置。 PNPN结反向偏置时，呈现高阻特性，此时称结反向偏置时，呈现高阻特性，

7、此时称PNPN结结截止截止。 第9页/共35页 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电 性性 1. PN1. PN结的电流方程结的电流方程 D T DS (1) u U iIe 其中其中 I IS S 反向饱和电流 反向饱和电流 U UT T 温度的电压当量温度的电压当量 其表达式为其表达式为 0.026V T kT U q 2 2. PN. PN结的伏结的伏- -安特性曲线安特性曲线 第10页/共35页 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电 性性 1. 1. 势垒电容势垒电容C Cb b 这种由空间电荷区的宽度随外加电压变化所等这种由空间

8、电荷区的宽度随外加电压变化所等 效的电容称为势垒电容，通常用效的电容称为势垒电容，通常用C Cb b表示。表示。 第11页/共35页 2.2 PN2.2 PN结的形成及其单向导电结的形成及其单向导电 性性 2. 2. 扩散扩散电容电容C Cd d 这种非平衡少子的这种非平衡少子的 浓度随外加正向电压的浓度随外加正向电压的 变化所等效的电容效应变化所等效的电容效应 称为扩散电容称为扩散电容，通常用，通常用 C Cd d表示。表示。 PNPN结的结的结电容结电容是势垒电容和扩散电容之和：是势垒电容和扩散电容之和： jbd CCC 第12页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 半导体

9、二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接半导体二极管按其结构的不同，可分为点接触型、面接 触型和平面型。触型和平面型。 点接触型二极管点接触型二极管面接触型二极管面接触型二极管平面型二极管平面型二极管 第13页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 硅二极管和锗二极管伏安特性曲线对比硅二极管和锗二极管伏安特性曲线对比 温度对二极管伏安特性曲线的影响温度对二极管伏安特性曲线的影响 第14页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 1.1.最大整流电流最大整流电流IF 允许通过二极管的最大正向平均电流允许通过二极管的最大正向平均

10、电流. . 2 2. . 最高反向工作电压最高反向工作电压URM 二极管安全工作时所能承受的最大反向电压 二极管安全工作时所能承受的最大反向电压. . 3 3. . 反向电流反向电流IR 二极管未击穿时的反向电流。 二极管未击穿时的反向电流。 4 4. . 最高工作频率最高工作频率fM 二极管工作的上限频率。 二极管工作的上限频率。 第15页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 1.1.理想模型理想模型 2.2.恒压降模型恒压降模型3. 3. 折线模型折线模型 第16页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 4.4.小信号模型小信号模型 vs =0 时时, Q点称

11、为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。 vs =Vmsin t 时（时（VmVDD）, 将将Q点附近小范围内的点附近小范围内的V-I 特性线性化，得到特性线性化，得到 小信号模型，即以小信号模型，即以Q点为切点的一条直线。点为切点的一条直线。 第17页/共35页 过过Q点的切线点的切线可以等效成一可以等效成一 个微变电阻个微变电阻 D d D r i u 即即 D/ DS(e 1) T U iI u 根据根据 得得Q点处的微变电导点处的微变电导 D d D d d Q i g u D/ S e T V Q T I U v D T I U d d 1 g

12、r 则则 D T U I 常温下（常温下（T T=300K=300K） d DD 26(mV) (mA) T U r II D Q T i U （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 4.4.小信号模型小信号模型 第18页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 4.4.小信号模型小信号模型 Rs d s R d R uu Rr u i Rr 根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并根据二极管的小信号模型画出电路的交流通路，并 求出电阻求出电阻R R两端的电压和电流的表达式。两端的电压和电流的表达式。 电路的交流通路电路的交流通

13、路 第19页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 1. 1. 二极管整流电路二极管整流电路 （a）电路图）电路图 （b）输入、输出输入、输出波形波形 第20页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 2.2.二极管限幅电路二极管限幅电路 【例例2.2】 图示为二极管限幅电路图示为二极管限幅电路R=1K，VREF=2V ，二极管为硅二极管，二极管为硅二极管， 输入信号为输入信号为uI 。 （1）若）若uI为为5V的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流的直流信号，分别采用理想模型、恒压降模型计算电流 和输和输 出电压出电压 。 （2）若）若uI =10sint

14、V ，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形，分别采用理想模型和恒压降模型求输出电压的波形 。 第21页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 解：解： （1 1）理想模型：）理想模型： 恒压降模型：恒压降模型： IREF D 5V2V 3mA 1 UV I RK OREF 2VUV OREFD 2V 0.7V 2.7VUVU IREFD D 5V2V0.7V 2.3mA 1 UVU I RK （2 2） 采用理想模型采用理想模型 采用恒压降模型采用恒压降模型 第22页/共35页 解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳

15、极的电位为阳极的电位为-6V，接阴，接阴 极的电位为极的电位为-12V。 阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通接入时正向导通 。 导通后，导通后，D的压降等于的压降等于0.7V，所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 【例例2.32.3】二极管限幅电路如图所示，求输出电压二极管限幅电路如图所示，求输出电压UAO。 第23页/共35页 2.3 2.3 半导体二极管半导体二极管 3.3.二极管开关电路二极管开关电路 【例例2.4】 二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型，当二极管开关电路如图所示，采用二极管理想模型，当UA

16、 和和 UB分分 别为别为0V或或3V时，求解时，求解 UA 和和UB不同组合时，输出电压不同组合时，输出电压 的值。的值。 UAUB 二极管工作状态 UO D1D2 0V0V导通导通0V 0V3V导通截止0V 3V0V截止导通0V 3V3V导通导通3V 第24页/共35页 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管 稳压管符号和等效电路稳压管符号和等效电路 稳压管的伏安特性曲线稳压管的伏安特性曲线 稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。 第25页/共35页 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管 1 稳定电压稳定电压UZ 4 动态电阻动态电阻rZ 在规定的工作电

17、流在规定的工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 rZ = UZ / IZ 3 额定功耗额定功耗 PZmax 2 最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin 5 温度系数温度系数 第26页/共35页 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管 1. 1. 稳压原理稳压原理 输入电压变化时：输入电压变化时： 负载变化时：负载变化时： 第27页/共35页 maxmin 6V, 20mA, 5mA zzz UII 稳压管的技术参数稳压管的技术参数: : 负载电阻负载电阻RL600，求限流，求限流电阻电阻R取值范围取值范围 。 解

18、：由电路可得：解：由电路可得： + VZ - IZ DZ R IL IR + Vi - RL 15V ZLR III /6/60010 Z LL IURmA mAIII mAIII zLR zLR 15510 302010 minmin maxmax minimax maximin ()/(156)/300.3k ()/(156)/150.6k ZR ZR RUUIVmA RUUIVmA 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管 2.2.稳压管应用举例稳压管应用举例 第28页/共35页 2.4 2.4 稳压二极管稳压二极管 3. 3. 稳压管和普通二极管的区稳压管和普通二极管的区 分分 普通二极管

19、一般在正向电压下工作，而稳压管则在反普通二极管一般在正向电压下工作，而稳压管则在反 向击穿状态下工作，二者用法不同。向击穿状态下工作，二者用法不同。 普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百普通二极管的反向击穿电压一般较大，高的可达几百 伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即伏至上千伏，而且反向击穿区的伏安特性曲线不陡，即 反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压反向击穿电压的范围较大，动态电阻也比较大。当稳压 管的反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大管的反向电压超过其工作电压时，反向电流将突然增大 ，而端电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非，而端电压基本保持恒定，对应的反向伏安特性曲线非 常陡，动态电阻很小。常陡，动态电阻很小。 第29页/共35页 2.5 2.5 其它类型的二极管其它类型的二极管 符号符号 【例例2.7】 电路如图所示，已知发光二极管的导通电压电路如图所示，已知发光二极管的导通电压 UD 1.6V ， 正向电流为正向电流为520mA时才能发光。试问：时才能发光。试问： （1）开关处于何种位置时发光二极管可能发光？）开关处于何种位置时发光二极管可能发光