晶体二极管工作原理及应用

晶体二极管工作原理及应用第1页/共59页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—稳压管第2页/共59页1.1.1半导体的导电特性1.1.2半导体的种类及其内部结构1.1半导体的基础知识1.1.3PN结及其单向导电性第3页/共59页3、掺杂特性：在纯净的半导体材料中，掺杂微量杂质，其导电能力大大增强。（可增加几十万至几百万倍）1.1.1半导体的导电特性1、热敏性：半导体受热时，其导电能力增强。利用这种特性，有些对温度反应特别灵敏的半导体可做成热电传感器2、光敏性：半导体光照时，其导电能力增强。利用这种特性，有些对光特别敏感的半导体可做成各种光敏元件。

返回第4页/共59页1.1.2半导体的种类及其内部结构：1.种类半导体P型半导体(空穴型）杂质半导体N型半导体（电子型）本征半导体第5页/共59页价电子：最外层的电子受原子核的束缚最小，最为活跃，故称之为价电子。

最外层有几个价电子就叫几价元素，半导体材料硅和锗都是四价元素。常用半导体材料硅和锗的原子结构第6页/共59页本征半导体——对半导体提纯，使之成为单晶体结构。这种纯净的晶体叫本征半导体。晶体管就是由此而来的。2.

半导体的内部结构及导电方式：SiSiSiSiSiSi共价键结构—每个价电子为两个相邻原子核所共有。l

内部结构：第7页/共59页本征激发——价电子获得一定的能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子的现象叫本征激发。SiSiSiSiSiSi自由电子——当温度升高时，一些价电子获得一定的能量后，挣脱共价键的束缚，成为自由电子。空穴:留下的空位自由电子数=空穴数自由电子和空穴统称为载流子本征半导体的特点动画动画第8页/共59页

l

导电方式SiSiSiSiSiSi电子电流空穴电流共价健中的价电子在外电场的力的作用下挣脱共价键的束缚，沿与外电场方向相反方向填补空穴，就好像空穴沿与外电场方向相同的方向作定向运动，形成电流，这个电流称为空穴电流。

外电场所以，本征半导体中有两种电流：电子电流和空穴电流，他们的方向一致，总电流为电子电流与空穴电流之和。在半导体上加电场时第9页/共59页

本征半导体中电流的大小取决于自由电子和空穴的数量，数量越多，电流越大。即本征半导体的导电能力与载流子的数量有关，而当光照和加热时，载流子的数量都会增加，这就说明了光敏性和热敏性。第10页/共59页——在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可形成

N型半导体,也称电子型半导体。3

杂质半导体：N型半导体（电子型半导体）第11页/共59页SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP热激发产生的自由电子掺杂磷产生的自由电子掺杂磷产生的自由电子数〉〉热激发产生的自由电子数N型半导体中自由电子数〉〉空穴数自由电子为N型半导体的多数载流子（简称多子），空穴为N型半导体的少数载流子（简称少子）因五价杂质原子中四个价电子与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，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。第12页/共59页N型半导体简化图SiSiSiSiSiP空间电荷多子第13页/共59页SiSiSiSiSiBl

P型半导体：往本征半导体中掺杂三价杂质硼形成的杂质半导体,P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；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。因而也称为受主杂质。第14页/共59页SiSiSiSiSiB热激发产生的空穴掺杂磷产生的空穴自由电子为P型半导体的少数载流子，空穴为P型半导体的多数载流子掺杂硼产生的空穴数>>热激发产生的空穴数P型半导体中空穴数>>自由电子数第15页/共59页P型半导体简化图SiSiSiSiSiB第16页/共59页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=1.4×1010/cm3

掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm3本征硅的原子浓度:4.96×1022/cm3

以上三个浓度基本上依次相差106/cm34

杂质对半导体导电性的影响

返回第17页/共59页

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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:PN++++++内电场PN++++++1.1.3PN结及其单向导电性1PN结的形成第18页/共59页因浓度差多子产生扩散运动

(PN)

形成空间电荷区

(NP)

形成内电场(NP)

阻止多子扩散促使少子漂移（NP）动态平衡动画第19页/共59页２PN结的特性——单向导电性当外加电压时，PN结就会显示单向导电性单向导电性：PN结加反向电压时，截止。规定：P区接电源正，N区接电源负为PN结加正向电压N区接电源正，P区接电源负为PN结加反向电压PN结加正向电压时，导通。PN++++++第20页/共59页

(1)PN结加正向电压时的导电情况

PN结加正向电压时，外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。其理想模型：开关闭合内电场外电场

动画1-4PN结正偏第21页/共59页

(2)PN结加反向电压时的导电情况

外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流是少子形成的电流，故反向电流非常小，PN结呈现高阻性。PN结加反向电压时内电场外电场

动画1-5PN结反偏第22页/共59页

在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。

PN结加反向电压时的导电情况第23页/共59页PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。PN结加反向电压时的导电情况图01.07PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时，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。第24页/共59页1.2半导体二极管及其特性1.2.1半导体二极管的结构与类型1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线1.2.3半导体二极管的主要参数1.2.4半导体二极管的温度特性第25页/共59页1.2.1半导体二极管的结构与类型

在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图所示。(1)点接触型二极管—

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型结构图第26页/共59页(c)平面型结构图(3)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。(2)面接触型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型结构图返回第27页/共59页1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线

半导体二极管的伏安特性曲线如图01.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。U/V第28页/共59页

式中IS为反向饱和电流，UD为二极管两端的电压降，UT

为温度的电压当量。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示U/V第29页/共59页(1)正向特性硅二极管的死区电压约为：Uth=0.5V左右，锗二极管的死区电压约为：Uth=0.1V左右。

当0＜U＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压，管子截止。

当U＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：

当U＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。管子导通。U/VU第30页/共59页(2)反向特性当U＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：

当UBR＜U＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS

，IS

≈0。管子截止。

当U≥UBR时，反向电流急剧增加，管子击穿。UBR称为反向击穿电压。U/VUBR第31页/共59页1.2.3半导体二极管的主要参数主要参数极限参数：使器件损坏的参数特征参数：使器件的某个特性消失的参数第32页/共59页1.最大整流电流

在测试温度下，二极管允许通过的最大平均电流2.最大反向峰值电压二极管允许承受的最大反向电压3.反向电流在室温下，二极管未击穿时的反向电流4.反向恢复时间

二极管两端电压从正电压变化为反向电压时要延迟一段时间，这段时间称为反向恢复时间。第33页/共59页半导体二极管图片第34页/共59页半导体二极管图片第35页/共59页半导体二极管图片返回第36页/共59页

二极管的单向导电性应用很广，可用于：检波、整流、限幅、钳位、开关、元件保护等。例1：设二极管得导通电压为0.6V，求UO-6V-12V解：D导通，UO=-

6.6V1.3二极管基本应用电路及其分析方法第37页/共59页例2：设二极管的导通电压忽略，已知ui=Asinwt(V)，画出uO的波形。tuituo第38页/共59页例3：设二极管的导通电压忽略，已知ui=10sinwt(V)，E=5V，画uo的波形。tui10v5vtuo5v第39页/共59页

例4：电路如下图，已知u=10sin(t)(V)，E=5V，试画出uo的波形解：uuot

u

uot

第40页/共59页例5：VA=3V,VB=0V，求VF

(二极管的导通电压忽略)返回第41页/共59页例6教材p55题1.4.6（b）例7教材p55题1.4.9作业：p54题1.4.3；题1.4.5；题1.4.7第42页/共59页1.4特殊的二极管——稳压二极管第43页/共59页

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。一、稳压二极管的伏安特性曲线及稳压原理：(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路(c)(a)(b)U/VUZ第44页/共59页从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数

(1)稳定电压UZ

——

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。二、主要参数

(2)最大稳定工作电流

IZmax

和最小稳定工作电流IZ

—————

稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。若IDZ＜IZmin则不能稳压。UZ∆UZU第45页/共59页

(3)耗散功率

PZM

——

稳压管的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=UZIZ，由

PZM和UZ可以决定IZmax。∆UZ第46页/共59页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。三、稳压管稳压电路的工作原理第47页/共59页应用举例例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。第48页/共59页例2：电路如图，IZmax=50mA，R=0.15KΩ,

UI

=24V,IZ=5mA,UZ=12V，问当RL=0.2KΩ

时，电路能否稳定，为什么？当RL

=0.8KΩ

时，电路能否稳定，为什么？解：