二极管及其基本电路演示文稿

二极管及其基本电路演示文稿当前1页，总共45页。第三章二极管及其基本电路

§3.1半导体的基本知识

§3.2PN结的形成及特性§3.4二极管的基本电路及其分析方法

§3.5特殊二极管

§3.3二极管当前2页，总共45页。§3.1半导体基本知识半导体器件特点：

体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。3.1.1半导体材料：（Semiconductormaterials)ρ(Ω-cm)10+910-3导体

如金属等绝缘体

如橡皮、塑料等典型半导体：硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs等

半导体当前3页，总共45页。半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。当前4页，总共45页。3.1.2半导体的共价键结构

简化模型最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性；Si硅原子Ge锗原子1、Si、Ge的原子结构

价电子：惯性核当前5页，总共45页。3.1.2半导体的共价键结构

2、共价键硅和锗的晶体结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示惯性核§3.1半导体基本知识

当前6页，总共45页。本征半导体、空穴及其导电作用完全纯净的、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。SiSiSiSi价电子当前7页，总共45页。SiSiSiSi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这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。当前8页，总共45页。本征半导体的导电机理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）自由电子作定向运动电子电流2）价电子递补空穴空穴电流当前9页，总共45页。1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差；2.温度愈高，载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。

自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：当前10页，总共45页。3.1.4杂质半导体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。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。§3.1半导体基本知识

当前11页，总共45页。1.N型半导体多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。多余电子硅原子SiPSiSi五价杂质原子只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键硅(锗)+磷N型半导体

杂质半导体当前12页，总共45页。2.P型半导体在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。因缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiB三价杂质原子在与硅原子形成共价键硅(锗)+硼P型半导体3.1.4杂质半导体当前13页，总共45页。杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++3.1.4杂质半导体P型半导体N型半导体§3.1半导体基本知识当前14页，总共45页。3.2.1载流子的漂移与扩散§3.2PN结的形成及特性漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区域移动的现象空穴的移动方向与电场方向相同电子的移动方向与电场方向相反当前15页，总共45页。P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动3.2.2PN结的形成当前16页，总共45页。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E§3.2PN结的形成及其特性内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。当前17页，总共45页。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。3.2.2PN结的形成

3.2PN结的形成及其特性当前18页，总共45页。

因浓度差空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。3.2.1PN结的形成

§3.2PN结当前19页，总共45页。一、PN结外加正向偏置电压时的导电情况：电源VF+P-N空间电荷区厚度

内电场εI扩>>

I漂扩散漂移正向导通状态、小电阻，正向导通电流IF＝

I扩IF3.2.3PN结单向导电性:当前20页，总共45页。二、PN结加反向偏置电压时的导电情况：空间电荷区厚度

内电场ε漂移

扩散I漂>>

I扩反向截止状态，大电阻

反向电流IR=

I漂IR电源VR+N-P反向饱和电流IS当前21页，总共45页。PN结正偏PN结反偏当前22页，总共45页。三、结论：PN结具有单向导电性。PN结加正向电压时，正向导通：

电阻值很小，具有较大的正向导通电流，

开关闭合PN结加反向电压时，反向截止：

呈现高电阻，具有较小反向饱和电流，

开关断开当前23页，总共45页。流过PN结电流A反向饱

和电流A加在PN结

两端电压VVT=KT/q=26mVT=300KVD<0反向截止VD>0正向导通四、PN结V-I特性表示式：（二极管特性方程）发射系数(12)当前24页，总共45页。

PN的反向击穿（P65自学熟悉）

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。反向击穿段3.2.5PN结电容效应（P66自学了解）当前25页，总共45页。一、符号：阳极+-阴极二、结构：（1）点接触型二极管：阳极+-阴极（2）面接触型二极管：（3）平面型二极管：3.3.1二极管结构:§3.3二极管（Diode)当前26页，总共45页。3.3.2伏安特性（V-I特性）(P70)硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压VBR导通压降外加电压大于死区电压二极管才能导通。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。正向特性反向特性特点：非线性硅0.7V,锗0.2V。UI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。当前27页，总共45页。一、最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大正向平均电流。二、反向击穿电压VBR

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。

3.3.3二极管主要参数（P71自学熟悉）当前28页，总共45页。三、反向电流IR在室温及规定的反向电压下的反向电流值。

硅管：(<0.1A)；

锗管：(<几十A)。四、结电容Cd

反映二极管中PN结结电容效应的参数。在高频

和开关状态时运用时必须考虑。五、最高工作频率fM

二极管工作上限频率。六、反向恢复时间TRR

二极管由正向导通过渡到反向截止时所需的时间。当前29页，总共45页。§3.4二极管的基本电路

及其分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析法

(P73自学了解)当前30页，总共45页。3.4.2二极管电路的简化模型分析法：1理想模型：(理想二极管)

(vD＞0正偏)二极管导通VD

=0rD

=0(vD

<0反偏)二极管截止iD

=0rD=∞一、二极管V-I特性的建模：当前31页，总共45页。2恒压降模型：(vD＞VF)二极管导通vD

=VFr=0开关闭合(vD

<VF)二极管截止iD

=0r=∞开关断开当前32页，总共45页。3折线模型：(P74自学、了解)4小信号模型:(P76自学、了解)当前33页，总共45页。二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.7V锗0.2V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正(正向偏置)，二极管导通若V阳<V阴或UD为负(反向偏置)，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。当前34页，总共45页。Eg.1简单硅二极管电路：

R=10K解：分析可知二

极管正偏：1理想模型：2恒压降模型：求:VDD=

10V时

ID及VD二、模型分析法应用举例：当前35页，总共45页。Eg.2电路如图，(设D为理想二极管）

判断二极管工作状态，并求输出电压。D导通

D2导通、D1截止

D2优先导通D1截止a1a2b1b2vA0

=-15VvA0

=0VvA0

=－4V参考点当前36页，总共45页。ui>3V，二极管导通，可看作短路uo=3V

ui<3V，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。3VEg.3限幅电路：(P80)

思考：若用恒压降模型分析二极管，输出波形应为什么？ui6V二极管阴极电位为3VD3VRuoui++––当前37页，总共45页。Eg.4全波整流电路（P97题3.4.2）2.工作原理u

正半周，Va>Vb，二极管D1、D3

导通，D2、D4

截止。3.工作波形1.电路结构－uRLuiouo1234ab+–+–－当前38页，总共45页。Eg.4全波整流电路（P97题3.4.2）2.工作原理3.工作波形1.电路结构RLuiouo1234ab+–+–u

正半周，Va>Vb，二极管1、3导通，2、4截止。u

负半周，Va<Vb，二极管2、4导通，1、3截止。u－－当前39页，总共45页。

作业题

必做

(P97)：3.4.5、3.4.6(a)3.4.9(用理想模型分析)选做3.4.7

当前40页，总共45页。§3.5特殊二极管（P84）光电二极管发光二极管激光二极管齐纳二极管变容二极管光电