3半导体二极管及其基本电路课件讲义.ppt

1、3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识3.3 半导体二极管半导体二极管3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法3.5 特殊二极管特殊二极管3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1谢谢观赏2019-8-12 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。1、其能力容易受环境因素影响、其能力容易受环境因素影响 （温度温度

2、、光照等）、光照等）2、掺杂可以显著提高导电能力、掺杂可以显著提高导电能力+4 2谢谢观赏2019-8-12+4+4+4+4+4+4+4+4+4 +4 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构原子结构原子结构简化模型简化模型 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体晶体。3.1.3 本征半导体本征半导体在在T=0K和无外界激发时，没有和无外界激发时，没有载流子载流子，不导电，不导电两个价电子的两个价电子的共价键共价键正离子核正离子核3谢谢观赏2019-8-12 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体、空穴及其导电作用+4+4+4+4+4+4+4+4+4 温

3、度温度 光照光照自由电子自由电子空穴空穴本征激发本征激发空穴空穴 共价键中的空位共价键中的空位空穴的移动空穴的移动空穴的运空穴的运动是靠相邻共价键中的价电动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。子依次充填空穴来实现的。由热激发或光照而产生由热激发或光照而产生自由电子和空穴对自由电子和空穴对。温度温度 载流子载流子浓度浓度 4谢谢观赏2019-8-12 空穴的移动空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的空穴的运动是靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的价电子依次充填空穴来实现的*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影

4、响 温度温度载流子载流子浓度浓度导电能力导电能力5谢谢观赏2019-8-123.1.4 杂质半导体杂质半导体N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷）P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼）自由电子自由电子 多子多子 空穴空穴 少子少子 空穴空穴 多子多子自由电子自由电子 少子少子由热激发形成由热激发形成它主要由杂质原子提供它主要由杂质原子提供空间电荷空间电荷6谢谢观赏2019-8-12 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大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的影响，一些典型的数据如下:T=300 K室温下室温下,本征硅

5、的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度:4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度:n=51016/cm3杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响7谢谢观赏2019-8-12 本征半导体、本征激发本征半导体、本征激发本节中的有关概念本节中的有关概念自由电子自由电子空穴空穴N型半导体、施主杂质型半导体、施主杂质(5价价)P型半导体、受主杂质型半导体、受主杂质(3价价)多数载流子、少数载流子多数载流子、

6、少数载流子杂质半导体杂质半导体复合复合*半导体导电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响其能力容易受温度、光照等环境因素影响温度温度载流子浓度载流子浓度导电能力导电能力*半导体导电特点半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力：掺杂可以显著提高导电能力8谢谢观赏2019-8-12 3.2.1 PN结的形成结的形成 3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性*3.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.4 PN结的电容效应结的电容效应9谢谢观赏2019-8-12 3.2.1 PN结的形成结的形成1.浓度差浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动2.扩散扩散空间电荷区空间电荷

7、区内电场内电场3.内电场内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散4、扩散与漂移达到、扩散与漂移达到动态平衡动态平衡载流子的载流子的运动：运动：扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动P区区N区区扩散：空穴扩散：空穴电子电子漂移：电子漂移：电子空穴空穴形成过程可分成形成过程可分成4步步(动画动画)P 型N 型内电场内电场10谢谢观赏2019-8-12PN结形成的物理过程：结形成的物理过程：因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移

8、内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导体结合面，离子薄层形成的形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。扩散扩散 漂移漂移否否是是宽宽11谢谢观赏2019-8-123.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将定义：

9、定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子）低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子）高电阻高电阻 反向截止反向截止12谢谢观赏2019-8-12 3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性2、PN结方程结方程iD/mA1.00.50.51.00.501.0 D/VPN结的伏安特性结的伏安特性iD/mA1.00.5iD=IS0.51.00.501.0 D/V陡峭陡峭电阻小电阻小正向导通正向导通1、PN结的伏安特性结的伏安

10、特性特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一一定的温度条件下，由本征激发定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的决定的少子浓度是一定的非线性非线性其中其中)1(/SDD TVveIiIS 反向饱和电流反向饱和电流VT 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026.0 qkTVTmV 26 近似近似估算估算正向：正向：TVveIi/SDD 反向：反向：SDIi 13谢谢观赏2019-8-12 3.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电结的反向电压增加到一定数值时，压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，反向电流突然快速增加，此现象称为此现象称

11、为PN结的结的反反向击穿。向击穿。iDOVBR D热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿p66 电击穿电击穿可逆可逆14谢谢观赏2019-8-12 3.2.4 PN结的电容效应结的电容效应(1)势垒电容势垒电容CB势垒电容示意图势垒电容示意图扩散电容示意图扩散电容示意图(2)扩散电容扩散电容CD15谢谢观赏2019-8-12 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的参数二极管的参数 阴极阴极 k 阳极阳极 a PN结结加上引线和封装加上引线和封装 二极管二极管按结构按结构分类分类点接触型点接触型

12、面接触型面接触型平面型平面型16谢谢观赏2019-8-12半导体二极管图片半导体二极管图片阴极阴极引线引线阳极阳极引线引线PNP 型支持衬底型支持衬底点接触型点接触型 面接触型面接触型平面型平面型17谢谢观赏2019-8-12 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）结方程（近似）)1(/SDD TVveIi0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20

13、30 40iD/AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP15的的V-I 特性特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性Vth=0.5V（硅）硅）Vth=0.1V（锗）锗）注注意意1.死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压）2.反向饱和电流反向饱和电流硅：硅：0.1 A；锗：锗：10 A18谢谢观赏2019-8-12 3.3.3 二极管的参数二极管的参数(1)最大整流电流最大整流电流IF(2)反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM(3)反向电流反向电流IR(4)正向压降正向压降VF(5)极间电容极间电容CB0 D/V0.2 0.4 0.6

14、 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性19谢谢观赏2019-8-12 3.4.1 二极管二极管V-I 特性的建模特性的建模 3.4.2 应用举例应用举例 5、应用电路分析举例、应用电路分析举例 2、二极管状态判断、二极管状态判断 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 3、图解分析法、图解分析法 4、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法讲课思路：讲课思路：20谢谢观赏2019-8-12 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述应用电路举例应用电路举例 D

15、vO R iD vI +iD vO R vI +vO +D VREF +R vi 例例3.4.2（习题（习题3.4.12）习题习题3.4.5整流整流限幅限幅习题习题3.4.6初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性D导通：导通：vO=vI-vDD截止：截止：vO=0D导通：导通：vO=vDD截止：截止：vO=vI左图左图中图中图显然，显然，vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定决定而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！21谢谢观赏2019-8-12 分析思路分析思路n分析任务：求分析任务：求vD、iDn目的目的1:确定电路功能，即信号确定电

16、路功能，即信号vI传递到传递到vO，有何变化？有何变化？n目的目的2:判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。n首先，判断首先，判断D的状态？的状态？n若若D反向截止，则相当于开路（反向截止，则相当于开路（iD 0，ROFF ）；）；n若若D正向导通，则？正向导通，则？n正向导通分析方法：正向导通分析方法：n图解法图解法n等效电路（模型）法等效电路（模型）法 将非线性将非线性 线性线性n先静态（直流），后动态（交流）先静态（直流），后动态（交流）n静态：静态：vI=0（正弦波过正弦波过0点）点）n动态：动态：vI 01、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述22谢谢观赏2019-8-12

17、 2、二极管状态判断、二极管状态判断例例1:2CP1（硅），硅），IF=16mA，VBR=40V。求求VD、ID。+ID VD R=10k VI +10V +ID VD R=10k VI +10V +ID VD R=1k VI +20V +ID VD R=10k VI +100V(a)(b)(c)(d)正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏iD IF？D反向截止反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿反向击穿iD=？vD=？二极管状态判断方法二极管状态判断方法假设假设D截止截止(开路开路)，求求D两端开路电压两端开路电压普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏齐纳：电击穿齐纳：电击穿VD=-VBR=-40V

18、VD 0VD正向导通？正向导通？-VBR IF？D反向截止反向截止ID=0VD=-10VD反向击穿反向击穿iD=？vD=？普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏齐纳：电击穿齐纳：电击穿VD=-VBR=-40VD正向导通？正向导通？D正向导通！正向导通！33谢谢观赏2019-8-12例例3.4.2（习题（习题3.4.12）D vO R iD vI +iD vO R vI +vO +D VREF +R vi 习题习题3.4.5整流整流 限幅限幅例例6.2习题习题 例例6.3 5、应用电路分析举例、应用电路分析举例例例6:画出画出vO波形波形。初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性D

19、导通：导通：vO=vI-vDD截止：截止：vO=0D导通：导通：vO=vDD截止：截止：vO=vI左图左图中图中图例例6.1习题习题34谢谢观赏2019-8-12VI=10V，vi=1Vsin t例例4:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。iD D +D+VI R=10k vi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 5、应用电路分析举例、应用电路分析举例iD=ID+D DiD=0.95mA+0.1mAsin tvD=VD+D DvD 0.7V R=10k VI +10V ID+VD 静态分析静态分析 vi=0 DiD DD +rd

20、+i R DiD DD +rd+i R 动态分析动态分析 VI=0小信号模型小信号模型(小信号等效电路小信号等效电路)35谢谢观赏2019-8-12 5、应用电路分析举例、应用电路分析举例例例7:(小信号分析小信号分析)例例4中求中求D DvD、D DiD。VI=10V，vi=1Vsin t iD D +D+VI R=10k vi 解题步骤解题步骤:(1)静态分析静态分析(令令vi=0）R=10k VI +10V ID+VD 由恒压降模型得由恒压降模型得VD 0.7V;ID 0.93mA(2)动态分析动态分析(令令VI=0）由小信号模型得由小信号模型得 DiD DD +rd+i R 28)mA

21、(93.0)mV(26)mA()mV(26DDdIIVrTmAkrRvii1.028101VdD D D2.8mVdDD D D D Driv36谢谢观赏2019-8-12 分析方法小结分析方法小结假设假设D截止（开路）截止（开路）求求D两端开路电压两端开路电压VD 0.7VD正向导通正向导通-VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID=0 (开路开路)VD -VBRD反向击穿反向击穿VD=-VBR (恒压恒压)VD=0.7V(恒压降恒压降)状态状态等效电路等效电路条件条件将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的关系关系画

22、出电压波形和电画出电压波形和电压传输特性压传输特性特殊情况：求特殊情况：求D DvD（波动）波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理恒压降模型恒压降模型37谢谢观赏2019-8-12 3.5.1 稳压二极管（齐纳）稳压二极管（齐纳）3.5.2 变容二极管变容二极管 3.5.3 光电子器件光电子器件1.光电二极管光电二极管2.发光二极管发光二极管3.激光二极管激光二极管 a +k a k a k a k 反向击穿状态反向击穿状态反向截止，利用势垒电容反向截止，利用势垒电容反向截止，少子漂移电流反向截止，少子漂移电流特殊材料，正向导通发光特殊材料，正向导通发光必须掌握必须掌握“齐纳二极管齐纳

23、二极管”，其它了解。，其它了解。请自学！请自学！38谢谢观赏2019-8-123.5.1 稳压二极管稳压二极管1.符号及稳压特性符号及稳压特性(a)符号符号(b)伏安特性伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。压时工作在反向电击穿状态（齐纳击穿）。39谢谢观赏2019-8-12(1)稳定电压稳定电压VZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向在规定的稳压管反向工作电流工作电流IZ下，所对应的下，所对应的反向工作电压。反向工作电压。rZ=D DVZ/D DIZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZ

24、M(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2.稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数3.5.1 稳压二极管稳压二极管40谢谢观赏2019-8-123.5.1 稳压二极管稳压二极管3.稳压电路稳压电路+R-IR+-RLIOVOVIIZDZ正常稳压时正常稳压时 VO=VZIZmin IZ IZmaxend41谢谢观赏2019-8-12 例：（东南大学例：（东南大学19981998年研究生入学试题）如右年研究生入学试题）如右 图所示为一稳压电路，已知稳压管的图所示为一稳压电路，已知稳压管的 zmax

25、zmax=20mA,=20mA,zminzmin=5mA,R=5mA,Rz z=10=10,V Vz z =6V,=6V,负载电阻的最大负载电阻的最大 值值R RLmAXLmAX=10K=10K。（1 1）确定确定R;R;（2 2）确定最小允许的确定最小允许的R RL L值值;（3 3）若）若R RL L=1k=1k,当当V V 增加增加1 1V V 时，求时，求D DV V0 0值。值。10VVIRRLoV42谢谢观赏2019-8-12RRZ10RL6VVZ+-+Vo10V10)106(6maxmaxmaxmaxRRRRLzzzzz232R 解解:运用稳压管反向击穿特性，若负载运用稳压管反向

26、击穿特性，若负载电阻增大，则电阻增大，则V V0 0增大，通过调整增大，通过调整 z z大大小使小使V V0 0稳定在一定的范围内。等效电路稳定在一定的范围内。等效电路如图所示。如图所示。(1)(1)当当R RL L=R RLmaxLmax时，时，z z=zmaxzmax 根据电路基本定理，有根据电路基本定理，有 43谢谢观赏2019-8-12 将将 R=232R=232 和和 zminzmin=5mA=5mA代入，代入，可解得可解得 0 0=12=12mAmA。所以最小允许的所以最小允许的R RL L的值为：的值为：(2)(2)当当R RL L最小时，最小时，minmin0min0min)106(10106,zzLzzzRV50400VRLVVRRRRRVLzLz04.0)|(|0DD,1)3(kRL44谢谢观赏2019-8-12nP97习题：两次作业n3.4.2n3.4.3n3.4.5n3.4.7n3.5.1n3.5.245谢谢观赏2019-8-12