半导体二极管课件1

半導體二極體

1.1.1本征半導體半導體—

導電能力介於導體和絕緣體之間的物質。本征半導體

—純淨的半導體。如矽、鍺單晶體。載流子—自由運動的帶電粒子。共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的束縛。+4+4+4+4矽(鍺)的原子結構Si284Ge28184簡化模型+4慣性核矽(鍺)的共價鍵結構價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內移動本征激發：複合：自由電子和空穴在運動中相遇重新結合成對消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，並在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內)的運動

結論：1.本征半導體中電子空穴成對出現，且數量少；

2.半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電；

3.本征半導體導電能力弱，並與溫度有關。1.1.2雜質半導體一、N型半導體和P型半導體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數載流子空穴為少數載流子載流子數

電子數P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—

多子電子—

少子載流子數

空穴數施主離子施主原子受主離子受主原子二、雜質半導體的導電作用IIPINI=IP+INN型半導體I

INP型半導體

I

IP三、P型、N型半導體的簡化圖示負離子多數載流子少數載流子正離子多數載流子少數載流子+–1.1.3

PN結一、PN結(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴散2.複合使交界面形成空間電荷區(耗盡層)

空間電荷區特點:無載流子，阻止擴散進行，利於少子的漂移。3.擴散和漂移達到動態平衡擴散電流等於漂移電流，

總電流I=0。內建電場二、PN結的單向導電性1.外加正向電壓(正向偏置)—forwardbiasP區N區內電場+

UR外電場外電場使多子向PN結移動,中和部分離子使空間電荷區變窄。IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流IF。IF=I多子

I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)—reversebias

P

區N

區

+UR內電場外電場外電場使少子背離PN結移動，空間電荷區變寬。IRPN結的單向導電性：正偏導通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流IRIR=I少子

01.2

半導體二極體的特性和主要參數1.2.1半導體二極體的結構和類型1.2.2二極體的伏安特性1.2.3二極體的主要參數1.2.1半導體二極體的結構和類型構成：PN結+引線+管殼=二極體(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分矽二極體鍺二極體按結構分點接觸型面接觸型點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負極引線負極引線

面接觸型N型鍺PN結

正極引線鋁合金小球底座金銻合金平面型正極

引線負極

引線積體電路中平面型PNP型支持襯底1.2.2二極體的伏安特性一、PN結的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當量電子電量玻爾茲曼常數當T=300(27

C)：UT

=26mV二、二極體的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性Uth死區電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(矽管)(鍺管)U

UthiD急劇上升0

U

Uth

UD(on)

=(0.6

0.8)V矽管0.7V(0.1

0.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD=IS<0.1

A(矽)

幾十

A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負溫度係數)雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數突增。—PN結未損壞，斷電即恢復。—PN結燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度係數)擊穿電壓在6V左右時，溫度係數趨近零。矽管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020溫度對二極體特性的影響604020–0.0200.4–25–50iD

/mAuD/V20C90CT

升高時，UD(on)以(2

2.5)mV/

C下降1.2.3二極體的主要參數1.

IF—

最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—

最高反向工作電壓，為U(BR)/23.

IR

—

反向電流(越小單向導電性越好)4.

fM—

最高工作頻率(超過時單向導電性變差)iDuDU(BR)IFURMO影響工作頻率的原因—PN結的電容效應

結論：1.低頻時，因結電容很小，對PN結影響很小。高頻時，因容抗增大，使結電容分流，導致單向導電性變差。2.結面積小時結電容小，工作頻率高。第1章半導體二極體1.3

二極體電路的分析方法1.3.1理想二極體及二極體特性的折線近似1.3.2圖解法和微變等效電路法1.3.1理想二極體及二極體特性的折線近似一、理想二極體特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=

二、二極體的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)UD(on)三、二極體的折線近似模型uDiDUD(on)

U

I斜率1/rDrDUD(on)UD(on)例1.3.1

矽二極體，R=2k

，分別用二極體理想模型和恒壓降模型求出VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。UOVDDIORUOVDDIOR[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒壓降UO=VDD–UD(on)=2

0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒壓降UO=10

0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)UOVDDIORVDD大，

採用理想模型VDD小，

採用恒壓降模型例1.3.2

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO的值。解：假設二極體斷開UP=15VUP>UN二極體導通等效為0.7V的恒壓源UO=VDD1

UD(on)=15

0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)VDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12VPN例1.3.3二極體構成“门”電路，設V1、V2均為理想二極體，當輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。UAUBUOR3kW12VVDDV1V2BAY輸入電壓理想二極體輸出電壓UAUBV1V20V0V正偏導通正偏導通0V0V5V正偏導通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導通0V5V5V正偏導通正偏導通5V例1.3.4

畫出矽二極體構成的橋式整流電路在ui

=15sin

t(V)作用下輸出uO的波形。(按理想模型)RLV1V2V3V4uiBAuOOtuO/V15Otui

/V15uiBAuOS1S2S3S4uiBAuOS1S2S3S4若有條件，可切換到EWB環境觀察橋式整流波形。例1.3.5

ui=2sin

t(V)，分析二極體的限幅作用。ui較小，宜採用恒壓降模型V1V2uiuORui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VV2導通V１截止ui<

0.7VV1導通V2截止uO=

0.7V思考題:V1、V2支路各串聯恒壓源，輸出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V2

0.7小結理想二極體：正偏導通，電壓降為零，相當於開關合上；反偏截止，電流為零，相當於開關斷開。恒壓降模型：正偏電壓

UD(on)時導通，等效為恒壓源UD(on)；否則截止，相當於二極體支路斷開。1.3.2圖解法和微變等效電路法一、二極體電路的直流圖解分析

VDDuDRuD=VDD

iDRiD=f(uD)1.2V100

iD

/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流負載線斜率

1/R靜態工作點也可取UQ=0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=5(mA)二極體直流電阻RD斜率1/RDiDQIQUQiD

/mAuD/VO二、交流圖解法電路中含直流和小信號交流電源時,二極體中含交、直流成分VDDuiuDRCiDC隔直流

通交流當ui=0時iD=IQUQ=0.7V(矽)，0.2V(鍺)設ui=sin

wtVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rdrd=UT/IQ=26mV/IQ當ui幅度較小時，二極體伏安特性在Q點附近近似為直線三、微變等效電路分析法對於交流信號電路可等效為例1.3.6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k

，求iD和uD。[解]1.靜態分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=3.3mA2.動態分析rd=26/IQ=26/3.38(

)Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)，id

=0.625sin

t3.總電壓、電流=(0.7+0.005sin

t)V=(3.3+0.625sint)mAVDDuiuDRCiDuiudRidrd1.4

特殊二極體1.4.1穩壓二極體1.4.2光電二極體1.4.1穩壓二極體一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ特性二、主要參數1.

穩定電壓UZ

流過規定電流時穩壓管兩端的反向電壓值。2.穩定電流IZ

越大穩壓效果越好，小於Imin時不穩壓。3.

最大工作電流IZM

最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態電阻rZrZ=

UZ/

IZ

越小穩壓效果越好。幾

幾十

5.穩定電壓溫度係數CT一般，UZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負溫度係數；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度係數；4V<UZ<7V，CTV很小。例1.4.1

分析簡單穩壓電路的工作原理，R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRR當UI波動時(RL不變)

反之亦然當RL變化時(UI不變)反之亦然UIUORRLILIRIZ1.4.2發光二極體與光敏二極體一、發光二極體LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導通電壓(1

2)V2.主要參數電學參數：IFM

，U(BR)

，IR光學參數：峰值波長

P，亮度

L，光通量

發光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光，點陣LED符號u/Vi

/mAO2特性七段LED二、光敏二極體1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數電學參數：暗電流，光電流，最高工作範圍光學參數：光譜範圍，靈敏度，峰值波長實物照片補充：選擇二極體限流電阻步驟：1.設定工作電壓(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.確定工作電流(如1mA；10mA；5mA)3.根據歐姆定律求電阻R=(UI

UD)/ID(R要選擇標稱值)RUIUDID一、半導體體二極體使用基本知識二、半導體二極體參數選錄(參見教材)三、半導體二極體的識別與檢測1.目測判別極性觸絲半導體片1.5

半導體二極體特性的測試與應用1.用萬用表檢測二極體在R1k擋進行測量，紅表筆是(表內電源)負極，黑表筆是(表內電源)正極。測量時手不要接觸引腳。(1)

用指針式萬用表檢測一般矽管正向電阻為幾千歐，鍺管正向電阻為幾百歐。正反向電阻相差不大為劣質管