电子技术基础 二极管及其基本电路 课件

1、2半导体二极管及其基本电路,2.1半导体的基本知识,2.3半导体二极管,2.4二极管基本电路及其分析方法,2.5特殊二极管,2.2PN结的形成及特性,2,教学内容：本章首先简单介绍半导体的基本知识，着重讨论半导体器件的核心环节-PN结，并重点讨论半导体二极管的物理结构、工作原理、特性曲线和主要参数以及二极管基本电路及其分析方法与应用；在此基础上对齐纳二极管、变容二极管和光电子器件的特性与应用也给予了简要的介绍。,3,教学要求：本章需要重点掌握二极管模型及其电路分析，特别要注意器件模型的使用范围和条件。对于半导体器件，主要着眼于在电路中的使用，关于器件内部的物理过程只要求有一定的了解。,4,2.

2、1半导体的基本知识,2.1.1半导体材料,2.1.2半导体的共价键结构,2.1.3本征半导体,2.1.4杂质半导体,半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的重要特点,1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）,2、掺杂可以显著提高导电能力,5,2.1.2半导体的共价键结构,原子结构简化模型,完全纯净、结构完整的半导体晶体。,2.1.3本征半导体,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,两个价电子的共价键,正离子核,6,2.1.3本征半导体、空穴及其导电作用,温度,光照,自由电子,空穴,本征激发,空穴共价键中的空位,空穴的移动空穴的运

3、动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。,温度载流子浓度,7,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力,2.1.4杂质半导体,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）,自由电子多子空穴少子,空穴多子自由电子少子,9,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:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,杂质对半导体导电性的影响,10,本征半导体、本征激发,本节中的有关概念,自由电子空穴,N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数

4、载流子,杂质半导体,复合,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力,*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力,11,2.2PN结的形成及特性,2.2.1PN结的形成,2.2.2PN结的单向导电性*,2.2.3PN结的反向击穿,2.2.4PN结的电容效应,12,2.2.1PN结的形成,1.浓度差多子的扩散运动,2.扩散空间电荷区内电场,3.内电场少子的漂移运动阻止多子的扩散,4、扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步(动画),13,PN结形成的物理过程：,

5、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,杂质离子形成空间电荷区,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,14,2.2.2PN结的单向导电性,只有在外加电压时才扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散漂移大的正向扩散电流（多子）低电阻正向导通,漂移扩散很小的反向漂移电流（少子）高电阻反向截止,15,2.2.2PN结的单向导电性,PN结特性描述,2、PN结方程,陡峭电阻小正向导通,1、PN结的

6、伏安特性,特性平坦反向截止一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,非线性,其中,IS反向饱和电流,VT温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,近似估算,正向：,反向：,16,2.2.3PN结的反向击穿,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。,热击穿不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿,电击穿可逆,17,2.2.4PN结的电容效应,(1)势垒电容CB,势垒电容示意图,扩散电容示意图,(2)扩散电容CD,18,2.3半导体二极管,2.3.1半导体二极管的结构,2.3.2二极管的伏安特性,2.3.3二极管的参数,PN结加上引线和封装二极管,按结构

7、分类,点接触型,面接触型,平面型,19,半导体二极管图片,点接触型,面接触型,平面型,20,半导体二极管图片,21,22,23,2.3.2二极管的伏安特性,3.PN结方程（近似）,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）,注意,1.死区电压（门坎电压）,2.反向饱和电流硅：0.1A；锗：10A,24,2.3.3二极管的参数,(1)最大整流电流IF,(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3)反向电流IR,(4)正向压降VF,(5)极间电容CB,25,2.4二极管基本电路及其分析方法,2.4.1二极管V-I特性的建模,2.4.2模型分析法应用举例

8、,4、应用电路分析举例,2、二极管状态判断,1、二极管电路的分析概述,3、等效电路（模型）分析法,讲课思路：,26,1、二极管电路的分析概述,应用电路举例,例2.4.2（习题2.4.12）,习题2.4.5,整流限幅,习题2.4.6,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通：vO=vI-vD,D截止：vO=0,D导通：vO=vD,D截止：vO=vI,左图,中图,显然，vO与vI的关系由D的状态决定,而且，D处于反向截止时最简单！,27,分析思路,分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（

9、iD0，ROFF）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法将非线性线性先静态（直流），后动态（交流）静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI0,1、二极管电路的分析概述,28,2、二极管状态判断,例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏,正偏,反偏,反偏,iDIF？,D反向截止,D反向击穿,二极管状态判断方法,假设D截止(开路)，求D两端开路电压,D正向导通？,D正向导通！,29,习题2.4.4试判断图题2.4.4中二极管导通还是截止，为什么?,图题2.4.4(a),例2:,习题2.4.3电路如下图所示，判

10、断D的状态,2、二极管状态判断,30,3、等效电路（模型）分析法,（2.4.1二极管V-I特性的建模）,(1)理想模型,(3)折线模型,(2)恒压降模型,VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）,Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）,31,3、等效电路（模型）分析法,(4)小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为:,微变电阻,根据得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）,32,4、应用电路分析举例,例2.4.1求VD、ID。,（R=10k）,（a）VDD=10V时,（b）VDD=1V时,VDD,理想模型,恒压模型,折线模型,理想模型,恒压模型,折线模型,

11、33,二极管应用举例,（1）二极管整流电路,34,（2）二极管限幅电路,35,D1钳位作用D2隔离作用,(3)开关电路,36,例2.4.3一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。,37,解：(1)当V1=0V,V2=5V时,D1为正向偏置，V0=0V,此时D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向偏置，故D2截止。(2)以此类推，将V1和V2的其余三种组合及输出电压列于下表：,38,由上表可见，在输入电压V1和V2中，只要有一个为0V，则输出为0V;只有当两输入电压均为5V时，输出才为5V，这种关系在数字电路中称为

12、“与”逻辑。注意：即判断电路中的二极管处于导通状态还是截止状态，可以先将二极管断开，然后观察阴、阳两极间是正向电压还是反向电压，若是前者则二极管导通，否则二极管截止。,39,（4）低电压稳压电路稳压电源是电子电路中常见的组成部分。利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构成低电压稳压电路。,40,例：在如图所示的低电压稳压电路中，直流电源电压V的正常值为10V，R=10k,当V变化1V时，问相应的硅二极管电压(输出电压)的变化如何？,41,解：(1)当V的正常值为10V时，利用二极管恒压降模型有VD0.7V，由此可得二极管的电流为,此电流值可证实二极管的管压降为0.7V的假设。(2)在此Q点上，

13、,42,(3)按题意，V有1V的波动，它可视为峰-峰值为2V的交流信号，该信号作用于由R和rd组成得分压器上。显然，相应的二极管的信号电压可按分压比来计算，即Vd(峰-峰值),由此可知，二极管电压Vd的变化为2.79mV。,43,4、应用电路分析举例,例2.4.4求vD、iD。,VI=10V，vi=1Vsint,解题步骤:,(1)静态分析(令vi=0）,由恒压降模型得,VD0.7V;ID0.93mA,(2)动态分析(令VI=0）,由小信号模型得,44,分析方法小结,2.4二极管基本电路及其分析方法,假设D截止（开路）求D两端开路电压,VD0.7V,状态,等效电路,条件,将不同状态的等效电路（模

14、型）代入原电路中，分析vI和vO的关系,画出电压波形和电压传输特性,特殊情况：求vD（波动）,小信号模型和叠加原理,恒压降模型,45,2.5特殊二极管,2.5.1稳压二极管（齐纳）,2.5.2变容二极管,2.5.3光电子器件,1.光电二极管,2.发光二极管,3.激光二极管,反向击穿状态,反向截止，利用势垒电容,反向截止，少子漂移电流,特殊材料，正向导通发光,必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。请自学！,46,2.5.1稳压二极管,1.符号及稳压特性,(a)符号,(b)伏安特性,47,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻rZ,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。,rZ=VZ/IZ

15、,(3)最大耗散功率PZM,(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,2.稳压二极管主要参数,2.5.1稳压二极管,48,2.5.1稳压二极管,3.稳压电路,正常稳压时VO=VZ,#稳压条件是什么？,#不加R可以吗？,自动调整过程：,49,例：如图所示是一个简单的并联稳压电路。R为限流电阻，求R上的电压值VR和电流值。,R,50,解：假定输入电压在（7-10V）内变化。,R,51,习题与预习,习题2.4.12.4.32.5.4预习3.1半导体BJT,52,一、判断下列说法是否正确，用“”和“”表示判断结果填入空内。（1）在N型半导体中如果掺入足够

16、量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（）（2）因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（）（3）PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（）,自测题,解：（1）（2）（3）,53,解：（1）A（2）C（3）C,二、选择正确答案填入空内。,54,三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。,解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。,图T1.3,55,四、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。,解：UO16V，UO25V。,图T1.4,56,1

17、.1选择合适答案填入空内。（1）在本征半导体中加入元素可形成N型半导体，加入元素可形成P型半导体。A.五价B.四价C.三价（2）当温度升高时，二极管的反向饱和电流将。A.增大B.不变C.减小,习题,解：（1）A，C（2）A,57,1.2能否将1.5V的干电池以正向接法接到二极管两端？为什么？,解：不能。因为二极管的正向电流与其端电压成指数关系，当端电压为1.5V时，管子会因电流过大而烧坏。,58,1.7现有两只稳压管，它们的稳定电压分别为6V和8V，正向导通电压为0.7V。试问：（1）若将它们串联相接，则可得到几种稳压值？各为多少？（2）若将它们并联相接，则又可得到几种稳压值？各为多少？,解：（1）两只稳压管串联时可得1.4V、6.7V、8.7V和14V等四种稳压值。（2）两只稳压管并联时可得0.7V和6V等两种稳压值。,59,1.8已知稳压管的稳定电压UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA，最大功耗PZM150mW。试求图P1.8