电子技术基础第1章.ppt

1、1.1 半导体的基本知识1.2 半导体二极管1.3 特殊用途的二极管本章小结习题,第1章 半导体二极管及其应用,本章重点,1、PN结的特性 2、二极管的基本电路及分析方法和应用,本章难点1、PN结的形成及其特性,1.1.1 半导体的导电特性1. 本征半导体导电能力受环境的影响 半导体的导电特性是由它的内部结构和导电机理决定的，常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均是四价元素，其原子结构如图1.1.1所示。,1.1 半导体的基本知识,图1.1.1 本征半导体的结构示意图,本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时自由电子和空穴在运动中相遇重新结合成对消失，形成复合，如图1.1.2所示。,

2、图1.1.2 本征半导体中的自由电子和空穴,2. 杂质半导体导电能力的可控性在纯净的硅晶体中掺入磷或其他五价元素，磷原子在取代硅晶体结构中的原子并构成共价键时，多余的第五个价电子很容易摆脱磷原子核的束缚而成为自由电子，于是半导体中的自由电子数目大量增加，自由电子成为多数载流子，空穴则成为少数载流子，这样就形成了N型半导体，如图1.1.3所示。,图1.1.3 N型半导体,在纯净的硅晶体中掺入硼或其他三价元素，硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴，于是半导体中的空穴数目大量增加，空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子，这样就形成了P型半导体，如图1

3、.1.4所示。,图1.1.4 P型半导体,动画演示,1.1.2 PN结及其单向导电性 1. PN结的形成如图1.1.5(a)所示，在一块晶片两边分别形成P型和N型半导体。根据物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方扩散的原理，空穴要从浓度高的P区向N区扩散，自由电子要从浓度高的N区向P区扩散，并在交界面发生复合(耗尽)，形成载流子极少的正负空间电荷区，也就是PN结，又叫耗尽层，如图1.1.5(b)所示。,图1.1.5 PN结的形成 (a) P区与N区载流子的运动；(b) 平衡状态下的PN结,动画演示,2. PN结的单向导电性当PN结的P区接外电源的正极，N区接外电源的负极时，称为“正向连接”，也叫

4、做“正向偏置”，此时外电场与内电场的方向相反，扩散与漂移运动的平衡被破坏。外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时N区的自由电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷，于是空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流(由P区流向N区的正向电流)，如图1.1.6所示。,图1.1.6 正向偏置的PN结,将PN结的P区接外电源的负极，N区接外电源的正极，称为“反向连接”，也叫做“反向偏置”，此时外电场与内电场的方向一致，扩散与漂移运动的平衡同样被破坏。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走，于是空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动难于

5、进行，同时加强了少数载流子的漂移运动，形成由N区流向P区的反向电流，如图1.1.7所示。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，PN结的反向电阻很高，即PN结处于截止状态。,图1.1.7 反向偏置的PN结,动画演示,在PN结的外面接上相应的电极引线和管壳，就制作出了半导体二极管，简称二极管。P区对应的电极称为阳极(或正极)，N区对应的电极称为阴极(或负极)，其常见外形如图1.2.1(a)所示，二极管电路符号如图1.2.1(b)所示。二极管最重要的特性就是单向导电性。,1.2 半导体二极管,图1.2.1 常见二极管 (a) 外形；(b) 电路符号,1.2.1 二极管的结构和类型二极管的种类有很

6、多：按照所用的半导体材料，可分为锗二极管(Ge管)和硅二极管(Si管)；根据其不同用途，可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等；按照管芯结构，可分为点接触型二极管、面接触型二极管和平面型二极管等。,1.2.2 二极管的伏安特性及等效电路1 二极管的伏安特性二极管既然是一个PN结，就当然具有单向导电性，其伏安特性如图1.2.2所示。,图1.2.2 二极管的伏安特性,2. 二极管的等效电路图1.2.3所示为二极管伏安特性折线化得到的等效电路, 图中实线为折线化的伏安特性，虚线为实际的伏安特性，各分图的底端为不同折线方式所对应的等效电路图。,图1.2.3 二极管伏安特性折线化的等效电

7、路 (a) 理想二极管；(b) 正向压降为常量；(c) 考虑动态电阻,1.2.3 二极管的主要参数 1. 最大整流电流IFIF是二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。它由PN结结面积和散热条件决定，超过此值，二极管会因过热而被损坏。2. 最高反向工作电压URMURM是二极管的最大反向工作电压，一般手册上给出的最高反向工作电压URM为反向击穿电压UBR的一半，以保证二极管使用时有一定的安全裕度。,3. 反向电流IRIR是二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。IR值越小，则二极管的单向导电性越好。此参数对温度非常敏感。4. 最高工作频率fMfM是二极管维持单向导电性的最高工作频率。工

8、作频率超过fM值时，由于结电容的作用，二极管的单向导电性会变差。,1.2.4 二极管的应用1. 整流电路利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉动直流电, 这一变换过程称为整流。图1.2.4所示为二极管半波整流电路。,图1.2.4 二极管半波整流电路,【例1.2.1】 用软件Multisim(其应用简介见附录A)仿真图1.2.4所示简单的单向半波整流电路，观察其输入信号ui和输出信号uo的波形及其变化，并说明变化原因。解：在Multisim工作界面中，连接仿真电路如图1.2.5(a)所示，输入信号ui采用信号源中的正弦交流电压信号源，其幅值为2 V，频率为50 Hz,

9、 整流二极管选用1N4001， 负载电阻RL的阻值选用1 k，示波器的两路输入信号分别接到电路的输入与输出端。,图1.2.5 二极管整流电路的Multisim仿真实验电路及实验结果波形 (a) 实验电路；(b) 实验结果波形,2. 限幅电路【例1.2.2】 用软件Multisim仿真图1.2.6所示双向限幅电路，观察其输入信号ui和输出信号uo的波形及其变化，并说明变化原因。,图1.2.6 二极管双向限幅电路,解：在Multisim工作界面中， 连接仿真电路如图1.2.7(a)所示，输入信号ui采用信号源中的正弦交流电压信号源，其幅值为2.5 V，频率为50 Hz, 二极管选用1N4001，限

10、流负载电阻R的阻值选用1 k，直流电源E1和E2采用信号源中的直流电压信号源，其值为1 V, 示波器的两路输入信号分别接到电路的输入与输出端。,图1.2.7 二极管限幅电路的Multisim仿真实验电路及实验结果波形 (a) 实验电路；(b) 实验结果波形,1.3.1 稳压二极管（利用了二极管的）1. 稳压二极管的伏安特性稳压二极管的伏安特性和符号如图1.3.1所示。由图可见，其特性和普通二极管类似，但它的反向击穿是可逆的，不会发生“热击穿”，而且其反向击穿后的特性曲线比较陡直，很大的电流变化量IZ只引起很小的电压变化量UZ, 即反向电压基本不随反向电流变化而变化，击穿特性越陡峭，稳压性就越好

11、，这就是稳压二极管的稳压特性。,1.3 特殊用途的二极管,图1.3.1 稳压二极管的伏安特性与符号 (a) 伏安特性；(b) 符号,2. 稳压二极管的主要参数及其应用稳压二极管使用时一般需串联限流电阻，以确保工作电流不超过最大稳定电流IZmax 。在图1.3.2所示的稳压二极管稳压电路中，R为限流电阻，RL为负载电阻，只要输入反向电压在超过UZ的范围内变化，负载电压则一直稳定在UZ。,【例1.3.1】 在图1.3.2所示电路中，已知稳压二极管的稳定电压UZ=6 V，最小稳定电流IZmin=5 mA，最大稳定电流IZmax=25 mA, 负载电阻RL=600 。求解限流电阻R的取值范围。,图1.

12、3.2 稳压二极管稳压电路,解：由图1.3.2所示电路可知，R上的电流IR等于稳压二极管中的电流IZ和负载电流IL之和，即IR=IZ+IL由题意知IZ=525mA，,所以 IR=1535 mAUR=UIUO=106=4V故限流电阻R的取值范围为114267 ，实用中可取R为200 。,1.3.2 发光二极管1. 发光二极管的外形及符号发光二极管的外形及符号如图1.3.3所示。发光二极管的发光类型分为可见光和不可见光，发光颜色同构成PN结的材料有关，可见光通常有红、黄、绿、蓝和紫等颜色。发光二极管的外形有直径为3 mm或5 mm圆形的，也有规格为2 mm5 mm长方形的，七段 LED和点阵 LE

13、D圆形的。发光二极管的发光颜色一般和它本身的颜色相同，但是近年来出现了透明的发光二极管，它也能发出红、黄、绿等颜色的光，其光色只有通电才能知道。,图1.3.3 发光二极管的外形及符号 (a) 外形；(b) 符号,2. 发光二极管的伏安特性 【例1.3.2】 电路如图1.3.4所示，已知发光二极管VD的正向导通电压UD为1.66 V，发光电流为520 mA，电源电压U为5 V。当开关S闭合时，若使发光二极管能正常发光，电路中R的取值范围为多少? 解：当开关闭合时发光二极管中将有电流流过，由题意可知发光电流为IDmin = 5 mA， IDmax = 20 mA,所以故电阻R的取值范围为16766

14、8 ，实用中可取R为510 。,图1.3.4 例1.3.2电路图,1.3.3 光电二极管 光电二极管是一种光能与电能进行转换的器件，它可以将可见光或红外线转换为电信号。 PN结型光电二极管充分利用PN结的光敏特性，将接收到的光的变化转换成电流的变化。图1.3.5所示为光电二极管的外形及符号。在无光照时，光电二极管与普通二极管一样，具有单向导电性。,图1.3.5 光电二极管的外形及符号 (a) 外形；(b) 符号,本章简要介绍了半导体的基本知识，重点介绍了半导体二极管的工作原理、伏安特性曲线、主要参数以及应用，同时介绍了特殊用途的二极管及其应用。其主要内容如下：,本章小结,1. 杂质半导体导电及

15、可控性在本征半导体中掺入五价元素将形成N型半导体，掺入三价元素将形成P型半导体。控制掺入这些杂质的多少即可有效地控制半导体的导电性。半导体中参与导电的有两种载流子：自由电子和空穴。2.PN结及二极管在同一个半导体基片上分别制作N型和P型半导体，在它们的交界面上就形成了PN结。PN结加正向偏置导电，反向偏置不导电。PN结经封装并在两端引出电极就构成了二极管，同样二极管也具有单向导电性。,3. 特殊用途的二极管特殊用途的二极管也是由半导体材料制成的，也具有单向导电的性质，主要有稳压二极管、发光二极管和光电二极管三种。稳压二极管利用其反向击穿后特性曲线比较陡直，即反向电压基本不随反向电流变化而变化的

16、特性，使稳压二极管的两端电压达到稳定；发光二极管是一种将电能转换为光能的电子器件；光电二极管是一种将光能转换为电能的电子器件。,学习本章后应达到下列要求：(1) 熟悉自由电子和空穴、PN结、二极管单向导电性的概念。(2) 掌握二极管、稳压二极管、发光二极管、光电二极管的工作原理、特性及其参数，了解其基本使用方法。,1.1 选择合适的答案填入空格内。(1) 在杂质半导体中，多数载流子的浓度主要取决于 。 A. 温度 B. 掺杂工艺 C. 杂质浓度 D. 晶体缺陷(2) 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 D. 本征半导体,习

17、 题,(3) PN结加反向电压时，空间电荷区将 。 A. 变窄 B. 基本不变 C. 变宽 D. 不确定 (4) 当温度升高时，二极管的反向饱和电流将 。 A. 增大 B. 不一定 C. 减小 D. 不变 (5) 二极管的主要特性是 。 A. 放大特性 B. 恒温特性 C. 单向导电特性 D. 恒流特性 (6) 在如图T1.1所示电路中，当电源电压U=5 V时，测得电流I=1 mA。若把电源电压调整到U=10 V，则电流的大小将是 。 A. I=2 mA B. I2 mA D. 不确定,图T1.1,(7) 在如图T1.1所示电路中，电源电压U=5 V不变，当温度为20时测得二极管的电压UD=0

18、.7 V; 当温度上升到40时, 则UD的大小将是 。 A. 仍等于0.7 V B. 大于0.7 V C. 小于0.7 V D. 不确定 (8) 稳压二极管的稳压区是其工作在 状态。 A. 正向导通 B. 反向截止 C. 反向击穿 D. 恒流导通 1.2 写出图T1.2所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7 V。,图T1.2,1.3 已知稳压二极管的稳压值UZ6 V，稳定电流的最小值IZmin5 mA，求图T1.3所示电路中UO1和UO2各为多少伏。,图T1.3,1.4 电路如图T1.4所示，已知ui5 sint(V)，二极管导通电压UD0.7 V,试画出ui与uo的波形，并标出幅值。,图T1.4,1.5 现有两只稳压二极管，它们的稳定电压分别为6 V和8 V，正向导通电压为0.7 V。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？1.6 已知稳压二极管的稳定电压UZ6 V，稳定电流的最小