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1,模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic,第3章 半导体二极管及其基本应用,2,第3章 半导体二极管及其基本应用,3.1 半导体基础知识,3.2 半导体二极管,3.3 稳压二极管,3,2.1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,4,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体?什么是本征半导体?,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素,其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动,形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等,其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强,只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅(Si)、锗(Ge),均为四价元素,它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,稳定的结构,5,2、本征半导体的结构,由于热运动,具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置,称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失,称为复合。,共价键,一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定;温度升高,热运动加剧,挣脱共价键的电子增多,自由电子与空穴对的浓度加大。,6,外加电场时,带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电,且运动方向相反。由于载流子数目很少,故导电性很差。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体?,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高,热运动加剧,载流子浓度增大,导电性增强。 热力学温度0K时不导电。,7,二、杂质半导体 1. N型半导体,磷(P),杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。,多数载流子,空穴比未加杂质时的数目多了?少了?为什么?,8,2. P型半导体,硼(B),多数载流子,P型半导体主要靠空穴导电,掺入杂质越多,空穴浓度越高,导电性越强,,在杂质半导体中,温度变化时,载流子的数目变化吗?少子与多子变化的数目相同吗?少子与多子浓度的变化相同吗?,9,三、PN结的形成及其单向导电性,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,P区空穴浓度远高于N区。,N区自由电子浓度远高于P区。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低,产生内电场。,10,PN 结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同,达到动态平衡,就形成了PN结。,由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子,形成内电场,从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动。,11,PN结加正向电压导通: 耗尽层变窄,扩散运动加剧,由于外电源的作用,形成扩散电流,PN结处于导通状态。,PN结加反向电压截止: 耗尽层变宽,阻止扩散运动,有利于漂移运动,形成漂移电流。由于电流很小,故可近似认为其截止。,PN 结的单向导电性,必要吗?,12,四、PN 结的电容效应,1. 势垒电容,PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容Cb。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容:,结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定程度,则失去单向导电性!,13,讨论一,为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体,导电性能极差,又将其掺杂,改善导电性能? 为什么半导体器件的温度稳定性差?是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素? 为什么半导体器件有最高工作频率?,14,3.2 半导体二极管,一、二极管的组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,15,一、二极管的组成,将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,16,一、二极管的组成,将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。,点接触型:结面积小,结电容小,故结允许的电流小,最高工作频率高。,面接触型:结面积大,结电容大,故结允许的电流大,最高工作频率低。,平面型:结面积可小、可大,小的工作频率高,大的结允许的电流大。,17,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,18,从二极管的伏安特性可以反映出: 1. 单向导电性,2. 伏安特性受温度影响,T()在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS,U(BR) T()正向特性左移,反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,增大1倍/10,19,三、二极管的等效电路,理想 二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路!,1. 将伏安特性折线化,?,100V?5V?1V?,20,2. 微变等效电路,Q越高,rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时,则可将二极管等效为一个电阻,称为动态电阻,也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,21,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF:最大平均值 最大反向工作电压UR:最大瞬时值 反向电流 IR:即IS 最高工作频率fM:因PN结有电容效应,22,我国晶体管得型号命名方法,23,应用举例,例题1:二极管的静态工作情况分析,理想模型,恒压模型,(硅二极管典型值),折线模型,(硅二极管典型值),设,24,例题2 :整流,解:采用理想电路模型 ui和uo的波形如图所示,电路如图所示,已知ui10sint(v),试画出ui与uO的波形。设二极管正向导通电压可忽略不计。,25,例题3:写出图示各电路的输出电压值,设二极管导通电压UD0.7V。,26,例题 4 :电路如图所示,已知ui5sint (V),二极管导通电压UD0.7V。试画出ui与uO的波形,并标出幅值。,27,例5:图中二极管为理想器件,D1、 D2工作在何种状态;UA=?。,28,例6:图示电路中,发光二极管导通电压UD1.5V,正向电流在515mA时才能正常工作。试问: (1)开关S在什么位置时二极管才能发光? (2)R的取值范围是多少?,29,例7:图中D1-D3为理想二极管,A,B,C灯都相同,试问哪个灯最亮?,30,3.3 稳压二极管,一、伏安特性,二、主要参数,三、基本电路的组成,31,一、稳压二极管的伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成,反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,为稳定电压。,二、 主要参数,稳定电压UZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,稳定电流IZ,32,三、基本电路的组成,若稳压管的电流太小则不稳压,若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏,因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻!,限流电阻必不可少!,33,例题4:已知稳压管的稳压值UZ6V,稳定电流的最小值Izmin5mA。求图所示电路中Uo1和Uo2各为多少伏。,34,例题5: 已知图所示电路中稳压管的稳定电压Uz6V,最小稳定电流 Izmin5mA,最大稳定电流Izmax25mA。 (1)分别计算Ui为10V、15V、35V三种情况下输出电压 UO的值; (2)若UI35V时负载开路,则会出现什么现象?为什么?,35,讨论一:二极管和稳压管组成的限幅电路 在电压比较器中,为保护运放输入端,需限制其输入电压幅值;为适应负载对电压幅值的要求,输出端需加限幅电路。,UOH UZ1 UD2,UOH UOL UZ,输入端保护电路使净输入电压最大值为UD,UOL( UZ2 UD1),36,滞回比较器输出端加限幅电路,UOH UZ UOL UD,为使UOL更接近0,怎么办?,锗管,UOH UOL UZ,输出低电平接近零的限幅电路,37,讨论二:窗口比较器的工作原理,当uIURH时,uO1= uO2= UOM,D1导通,D2截止; uO= UZ。,当uIURL时,uO2= uO1= UOM,D2导通,D1截止; uO= UZ 。,当URLuI URH时, uO1= uO2= UOM,D1、D2均截止; uO= 0。,38,讨论三,判断二极管工作状态的方法? 什么情况下应选用二极管的什么等效电路?,39,讨论四,什么情况下应选用二极管的什么等效电路? 如何求解回路电流?,uD=V-iR,ID,UD,若V与uD可比,如V=2V,R=500,则需图解:,实测特性,个人观点供参考,欢迎讨论,
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