二极管及其基本应用学习教案

1、会计学1二极管及其基本二极管及其基本(jbn)应用应用第一页，共29页。3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识3.2 3.2 半导体二极管半导体二极管3.3 3.3 稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管第1页/共28页第二页，共29页。一、本征半导体一、本征半导体二、杂质二、杂质(zzh)(zzh)半导体半导体三、三、PNPN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其单向导及其单向导电性电性四、四、PNPN结的电容结的电容(dinrng)(dinrng)效应效应第2页/共28页第三页，共29页。 导电性介于导体导电性介于导体(dot)与绝缘体之间的物质称为半导体与绝

2、缘体之间的物质称为半导体(dot)。本征半导体是纯净本征半导体是纯净(chnjng)的晶体结构的半导体。的晶体结构的半导体。1、什么(shn me)是半导体？什么(shn me)是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（半导

3、体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构第3页/共28页第四页，共29页。由于由于(yuy)热运动，具有足够能热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子为自由电子自由电子的产生使共价键中留自由电子的产生使共价键中留有一个空位置有一个空位置(wi zhi)，称为，称为空穴空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自

4、由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。加大。动态平衡动态平衡第4页/共28页第五页，共29页。两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向与导电，且运动方向(fngxing)相反。由于载流相反。由于载流子数目很少，故导电性很差子数目很少，故导电性很差。为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？运载运载(ynzi)电荷的粒子称为载电荷的粒子称为

5、载流子。流子。 温度升高，热运动加剧，载流温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大子浓度增大(zn d)，导电性增强，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。第5页/共28页第六页，共29页。5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电子导电(dodin)。掺入杂质越。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电多，多子浓度越高，导电(dodin)性越强，实现导电性越强，实现导电(dodin)性可控。性可控。多数多数(dush)载流子载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？第6页/共28页第七页，共29页。3硼（硼

6、（B）多数多数(dush)载流子载流子 P型半导体主要靠空穴导电型半导体主要靠空穴导电(dodin)，掺入杂质越多，空穴浓度，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电越高，导电(dodin)性越强，性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子(du z)变化的数目相同吗？少子与多子(du z)浓度的变化相同吗？第7页/共28页第八页，共29页。 物质因浓度差而产生(chnshng)的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴(kn xu)浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动

7、使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自区的自由电子浓度降低，产生内电场。由电子浓度降低，产生内电场。第8页/共28页第九页，共29页。 因电场作用(zuyng)所产生的运动称为漂移运动。 参与扩散(kusn)运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。第9页/共

8、28页第十页，共29页。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧耗尽层变窄，扩散运动加剧(jij)，由于外电源的作用，由于外电源的作用，形成扩散电流，形成扩散电流，PN结处于导结处于导通状态。通状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似。由于电流很小，故可近似(jn s)认为其截止。认为其截止。必要吗？必要吗？第10页/共28页第十一页，共29页。1. 势垒电容(dinrng) PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电

9、荷的积累和释放的过程，与电容(dinrng)的充放电相同，其等效电容(dinrng)称为势垒电容(dinrng)Cb。2. 扩散电容 PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容过程，其等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！去单向导电性！第11页/共28页第十二页，共29页。第12页/共28页第十三

10、页，共29页。一、二极管的组成一、二极管的组成(z chn)二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性(txng)及电流方程及电流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数第13页/共28页第十四页，共29页。将将PN结封装，引出两个电极结封装，引出两个电极(dinj)，就构成了二极，就构成了二极管。管。小功率小功率(gngl)二极管二极管大功率二大功率二极管极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管第14页/共28页第十五页，共29页。将将PN结封装，引出结封装，引出(yn ch)两个电极，就构成了二极管。两个电极，就构成了二极管。点接触型：结面积小

11、，结点接触型：结面积小，结电容小，故结允许电容小，故结允许(ynx)的电流小，最高工作频率的电流小，最高工作频率高。高。面接触型：结面积大面接触型：结面积大，结电容大，故结允，结电容大，故结允许的电流大，最高工许的电流大，最高工作频率低。作频率低。平面型：结面积可小平面型：结面积可小、可大，小的工作频、可大，小的工作频率高，大的结允许的率高，大的结允许的电流大。电流大。第15页/共28页第十六页，共29页。材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十几十A开启开启(kiq)电压电压反向反向(fn x

12、in)饱和电饱和电流流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第16页/共28页第十七页，共29页。2. 伏安伏安(f n)特性受温度影响特性受温度影响T（）在电流不变情况在电流不变情况(qngkung)下管压下管压降降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10第17页/共28页第十八页，共29页。理想理想(lxing)二极管二极管近似近似(jn

13、s)分析中分析中最常用最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应根据不同情况应根据不同情况(qngkung)选择不同的等效电路！选择不同的等效电路！1. 将伏安特性折线化？100V？5V？1V？第18页/共28页第十九页，共29页。Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为(chn wi)动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用(zuyng)小信号小信号(xnho)作用作用静态电流静态电流第19页/共28页第

14、二十页，共29页。第20页/共28页第二十一页，共29页。一、伏安一、伏安(f n)特性特性二、主要参数二、主要参数三、基本电路三、基本电路(dinl)的组成的组成第21页/共28页第二十二页，共29页。进入稳压进入稳压(wn y)区的最区的最小电流小电流不至于损坏不至于损坏(snhui)的最的最大电流大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。二、 主要参数稳定电压稳定电压UZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ稳定电流稳定电流IZ第22页/共28页第二

15、十三页，共29页。 若稳压若稳压(wn y)管的电流太小则不稳压管的电流太小则不稳压(wn y)，若稳压，若稳压(wn y)管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压(wn y)管电路中必管电路中必需有限制稳压需有限制稳压(wn y)管电流的限流电阻！管电流的限流电阻！限流电阻限流电阻(dinz)必不可必不可少！少！第23页/共28页第二十四页，共29页。UOH UZ1 UD2 UOH UOL UZ输入端保护输入端保护电路电路(dinl)使使净输入电压净输入电压最大值为最大值为UD必要吗？必要吗？ UOL( UZ2 UD1)第24页/共28页第二十五页

16、，共29页。UOH UZ UOL UD 为使为使UOL更接近更接近(jijn)0，怎么办？，怎么办？锗锗管管UOH UOL UZ输出输出(shch)低电平接近零低电平接近零的限幅电路的限幅电路第25页/共28页第二十六页，共29页。OMUOMUOMUOMU 当当uIURH时，时，uO1= uO2= UOM，D1导通，导通，D2截止截止(jizh)； uO= UZ。 当当uIURL时，时，uO2= uO1= UOM，D2导通，导通，D1截止截止(jizh)； uO= UZ 。 当当URLuI URH时，时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截止；均截止； uO= 0。第26页/共28页第二十七页，共29页。第27页/共2