第三章 半导体二极管及其基本电路,返回,第三章 半导体二极管及其本电路,对你的期望：,3、掌握二极管外特性、基本电路及分析方法、应用；,4、正确理解二极管工作原理、主要参数、使用方法；,1、了解PN结的形成；,2、掌握以下基本概念： 空穴、多子、少子、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏；,5、掌握稳压管工作原理及使用；,第三章 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成及特性,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.3 二极管,半导体二极管的特性：半导体二极管具有单向导电性。 为什么会具有单向导电性？,什么叫PN结？它是如何形成的？,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体,3.1.2 本征半导体,3.1.3 掺杂半导体,3.1.4 杂质半导体示意图,3.1.1 半导体,导体 如金属等,绝缘体 如橡皮、塑料等,半导体器件特点： 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻),掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管等)。,热敏性： 当环境温度升高时，导电能力显著增强。,(可做成各种不同用途的半导体器件， 如二极管、三极管和晶闸管等）。,3.1.2 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,本征半导体的导电机理,空穴,自由电子,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流： 1）自由电子作定向运动 电子电流 2）价电子递补空穴 空穴电流,注意： 1. 本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差； 2. 温度愈高， 载流子的数目愈多，半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。,本征激发,粒子运动,3.1.3 掺杂半导体(N型半导体和P型半导体）,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,N 型半导体： 多子自由电子 少子空穴,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,P 型半导体： 多子空穴 少子自由电子,3.1.3 掺杂半导体,3.1.4 N型半导体和 P 型半导体示意表示法,P 型半导体,N 型半导体,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,第三章 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成及特性,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.3 二极管,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 PN 结的形成,3.2.2 PN 结的单向导电性,3.2.3 PN 结的反向击穿,3.2.4 PN 结的结电容效应(自学了解),P 型半导体,N 型半导体,3.2.1 PN 结的形成,形成空间电荷区,PN结形成,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,3.2.1 PN 结的形成,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,3.2.1 PN 结的形成,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,由杂质离子形成空间电荷区 ,在一块本征半导体的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。,PN结的形成,3.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,P接正、N接负,IF,PN 结加正向电压时，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN正偏,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,IR,P接负、N接正,P,N,+,+,+,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,PN反偏,3.结论：,PN结具有单向导电性。, PN结加正向电压时，正向导通： 电阻值很小，具有较大的正向导通电流， 开关闭合, PN结加反向电压时，反向截止： 呈现高电阻，具有较小反向饱和电流， 开关断开,4.PN结V-I特性表示式：,（二极管特性方程）,3.2.3 PN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。,3.2.4 PN结电容效应 （自学 了解）,第三章 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成及特性,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.3 二极管,3.3 半导体二极管,3.3.1 基本结构,3.3.2 伏安特性,3.3.3 主要参数,3.3 半导体二极管,3.3.1 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,3.3 半导体二极管,二极管的结构示意图,符号：,D,3.3 半导体二极管,伏安特性实验电路,3.3.2 伏安特性,3.3.2 伏安特性,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V, 锗0.20.3V。,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,3.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压 VBR,3. 反向电流 IR,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。 最大反向工作电压VRM实际工作时，为安全： VRM VBR /2 ，,在室温及规定的反向电压下的反向电流值。 硅管：(nA)级； 锗管： (A)级。,思考:如何判断二极管的好坏以及它的极性?,使用万用表的R1K 档先测一下它的电阻， 黑红表笔分别搭在二极管的两端， 若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。 如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷， 说明二极管已损坏。,第三章 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成及特性,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.3 二极管,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.4.1 简单二极管电路的图解分析法 ( P73 自学了解),3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1 理想模型：,理想二极管,2 恒压降模型：,3 折线模型：,4 小信号模型:,二极管工作在正向特性的某个小范围内，等效为一小电阻：,常温下，（T=300K）,3.4.3 二极管电路分析,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位。,若 V阳 V阴，二极管导通 若 V阳 V阴，二极管截止,若 V阳 V阴+VF，二极管导通 若 V阳 V阴+VF ，二极管截止,理想模型：,恒压模型：,电路如图，二极管为硅管,求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴+VF 二极管导通,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,（1）理想模型：UAB = 6V （2）恒压降模型：UAB = 6.7V,+,-,V1阳 =6 V，V2阳=0 V， V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通,例2:,D1、D2为理想二极管，求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,V1阴 =0 V,D1截止,UAB=0V,例 3：电路如图， (设D为理想二极管） 判断管子工作状态，并求输出电压。,v a =12V v b =-15V,v ab = v a - v b = 27V0,D导通 v AO =-15V,v a1 = v a2 = 12V v b1 =15V v b2 =0V,v ab1 = -3V0,D2导通、 D1截止 v AO =0V,v a1 = v a2 = 12V v b1 =0V v b2 =-4V,v ab1 = 12V0 v ab2 = 16V0,D2导通,v ab1 = -4V0,D1截止,ui 8V，二极管导通,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例4：限幅电路,参考点,VD阴 =8 V; VD阳 = ui,uo = 8V,uo = ui,ui 8V，二极管截止,思考：若用恒压降模型分析二极管，输出波形应为什么？,若是双限幅电路又待怎样？见P97 3.4.9,例5 全波整流电路（P97 题3.4.2）,2. 工作原理,u 正半周，VaVb，二极管 D1、 D3 导通， D2、 D4 截止 。,3. 工作波形,1. 电路结构,例5 全波整流电路（P97 题3.4.2）,2. 工作原理,3. 工作波形,1. 电路结构,u 正半周，VaVb，二极 管 1、3 导通，2、4 截止 。,u 负半周，VaVb，二极 管 2、4 导通，1、3 截止 。,第三章 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.2 PN结的形成及特性,3.4 二极管的基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.3 二极管,3.5 特殊二极管,利用二极管电容效应。多用于高频技术,光电二极管,特点： 抗干扰能力强，传输信息量大、传输损耗小且工作可靠。 在信号传输和存储等环节中多用。,导通电流为2mA-10mA （20mA）导通电压为1V -2V,发光二极管,常见有红、绿、 黄三种颜色。 主要用于显示,主要应用于小功率光电设备中。 如：光盘驱动器和激光打印机的打印头等。,激光二极管,3.5.1 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,+ ,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,4. 基本稳压电路,稳压管工作必要条件： 工作在反向击穿状态 串入电阻R IZmin IZ IZmax,3.上述电路VI为