《半导体二极管修改》PPT课件

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1、5/4/2021 3:17:10 AM 半导体二极管 主 讲 ： 蔡 小 莲电 话 ： 020-82907072 5/4/2021 3:17:11 AM 本章基本要求o 了 解 半 导 体 的 基 本 知 识o 原 理 、 掌 握 二 极 管 的 特 点 、 伏 安 特性 、 应 用 电 路 及 其 分 析 方 法 。 5/4/2021 3:17:11 AM 1、 半 导 体 及 其 特 性 一 般 金 属 电 阻 率 为 10-9 10-6cm， 绝 缘 体 的 电 阻 率 为1010 1020cm， 半 导 体 的 电 阻 率 为 10-3 109cm。由 于 半 导 体 的 导 电 能

2、力 介 于 导 体 和 绝 缘 体 之 间 ， 故 称为 半 导 体 。 半 导 体 具 有 以 下 特 性 ：（ 1） 热 敏 特 性（ 2） 光 敏 特 性（ 3） 杂 敏 特 性一、 半导体基础与PN结 5/4/2021 3:17:11 AM 2、 二 极 管 的 结 构 、 类 型 及 符 号 将 一 个 PN结 封 装 起 来 ， 引 出 两 个 电 极 ， 就 构 成 半 导 体 二 极 管 ， 也 称晶 体 二 极 管 。 其 电 路 中 的 表 示 符 号 如 图 2-11a所 示 。 二 极 管 的 外 形如 图 2-1b所 示 。 (a) 二 极 管 的 表 示 符 号 (

3、b) 二 极 管 的 外 型 阳 极阴 极 图 2-11 半 导 体 二 极 管 (a) (b)阴 极阴 极 阳 极阳 极 5/4/2021 3:17:11 AM 二 极 管 的 伏 安 特 性 就 是 二 极 管 流 过 的 电 流 i和 两 端 电 压 u之 间的 关 系 ， 如 图 2-13。 1 正 向 特 性 当 正 向 电 压 足 够 大 ， 超 过 开 启 电 压后 ， 内 电 场 的 作 用 被 大 大 削 弱 ， 电 流 很快 增 加 ， 二 极 管 正 向 导 通 ， 如 图 2-13(1)段 。 此 时 硅 二 极 管 的 正 向 导 通 压 降 在0.60.8V， 典

4、型 值 取 0.7V； 锗 二 极 管 的正 向 导 通 压 降 在 0.10.3V， 典 型 值 取0.2V。 v/u O 图 2-13 二 极 管 伏 安 特 性 (1) (2) 硅管 锗 管RMU 0.2 0.6 30 20 10 20406080 mA/i (3) 二 、 二 极 管 的 伏 安 特 性 5/4/2021 3:17:11 AM o 二 极 管 的 反 向 特 性 对 应 图 2-13曲线 的 （ 2） 段 ， 此 时 二 极 管 加 反向 电 压 ， 阳 极 电 位 低 于 阴 极 电 位 。 o 在 二 极 管 两 端 加 反 向 电 压 时 ， 其 外 加 电 场

5、和 内 电 场 的 方 向 一 致 ，当 反 向 电 压 小 于 反 向 击 穿 电 压 时 ， 由 图 中 可 以 看 出 ， 反 向 电 流 基本 恒 定 ， 而 且 电 流 几 乎 为 零 ， 这 是 由 少 数 载 流 子 漂 移 运 动 所 形 成的 反 向 饱 和 电 流 。 硅 管 的 反 向 电 流 要 比 锗 管 小 得 多 ， 小 功 率 硅 管的 反 向 饱 和 电 流 一 般 小 于 0.1A， 锗 管 约 为 几 个 微 安 。 v/u O 图 2-13 二 极 管 伏 安 特 性 (1) (2) 硅管 锗 管RMU 0.2 0.6 30 20 10 20406080

6、 mA/i (3) 2 反 向 特 性 5/4/2021 3:17:11 AM 3 击 穿 特 性 当 二 极 管 反 向 电 压 过 高 超 过 反 向 击 穿 电 压 时 ， 二 极 管 的 反向 电 流 急 剧 增 加 ， 对 应 图 2-13图 中 的 （ 3） 段 。 由 于 这 一 段 电 流大 、 电 压 高 ， 所 以 PN结 消 耗 的 功 率 很 大 ， 容 易 使 PN结 过 热 烧 坏 ，一 般 二 极 管 的 反 向 电 压 在 几 十 伏 以 上 。 v/u O 图 2-13 二 极 管 伏 安 特 性 (1) (2) 硅管 锗 管RMU 0.2 0.6 30 20

7、 1020406080 mA/i (3) v/uO 0.720 mA/i C20C60C20 C60 图 2-14 温 度 对 二 极 管 伏 安 特 性 的 影 响 DI温 度 对 二 极 管 伏 安 特 性 的 影 响 如 图 2-14所 示 。 温 度 升 高 时 ， 正 向特 性 左 移 ， UBE下 降 ； 反 向 特 性 下 移 ， 反 向 饱 和 电 流 增 大 。 5/4/2021 3:17:11 AM解 ： 若 要 判 断 二 极 管 是 导 通 还 是 截 止 ， 则 可 先 假 设 二 极 管 移 开 ，计 算 二 极 管 的 阳 极 和 阴 极 之 间 的 电 位 差

8、。 若 该 电 位 差 大 于 零 ，则 表 明 二 极 管 可 能 导 通 ； 若 该 电 位 差 小 于 或 等 于 零 ， 则 二 极 管截 止 。 D1 D2 9V12V A 0 例 2-1图 R 9V12V A 0 (b) 移 去 二 极 管 后 的 电 路 UD1 UD2 R (a) 原 理 电 路 图 9V12V A 0 (c)二 极 管 D1导 通 时 的 等 效 电 路 D1 D2 R 5/4/2021 3:17:11 AM对 于 例 2-1图 a所 示 电 路 ， 移 开 二 极 管 后 的 电 路 如 图 例 2-1图 b所 示 ，两 个 二 极 管 的 阳 极 和 阴

9、极 之 间 的 电 位 差 分 别 为 D1 D2 9V12V A 0 例 2-1图 R 9V12V A 0 (b) 移 去 二 极 管 后 的 电 路 UD1 UD2 R (a) 原 理 电 路 图 9V12V A 0 (c)二 极 管 D1导 通 时 的 等 效 电 路 D1 D2 R0V 9V 9)(0 D1 U 0V3)9(12D2 U 5/4/2021 3:17:11 AM D1 D2 9V12V A 0 例 2-1图 R 9V12V A 0 (b) 移 去 二 极 管 后 的 电 路 UD1 UD2 R (a) 原 理 电 路 图 9V12V A 0 (c)二 极 管 D1导 通

10、时 的 等 效 电 路 D1 D2 R故 二 极 管 D1导 通 ， D2截 止 。 由 于 二 极 管 为 理 想 二 极 管 ， 所 以 D1做短 路 处 理 ， D2做 开 路 处 理 ， 其 等 效 电 路 如 例 2-1图 c所 示 。 则 输出 电 压 为 ： V0 AO U 5/4/2021 3:17:11 AM 例 2-2 例 2-2图 所 示 电 路 中 的 二 极 管 是 硅 管 ， 若 二 极 管 为 理想 二 极 管 ， 则 流 过 二 极 管 中 的 电 流 是 多 少 ？ 如 果 二 极 管 正 向导 通 压 降 为 0.7V， 则 流 过 二 极 管 中 的 电

11、流 又 是 多 少 ？ 若 U20V， 且 二 极 管 正 向 导 通 压 降 为 0.7V， 则 流 过 二 极 管 中 的 电 流又 是 多 少 ？ U10V R1k7.4 R2003 D 例 2-2图 DUDI U20V R1k7.4 R2003 D (b)二 极 管 导 通 时 等 效 电 路 DUDI (a)原 理 电 路 图 5/4/2021 3:17:11 AM U10V R1k7.4 R2003 D 例 2-2图 DUDI U20V R1k7.4 R2003 D (b)二 极 管 导 通 时 等 效 电 路 DUDI (a)原 理 电 路 图 解 ： 由 例 2-2图 a所 示

12、 电 路 mA13.2107.4 10 31D RUI(2) 如 果 二 极 管 正 向 导 通 压 降 为 0.7V先 判 断 二 极 管 是 导 通还 是 截 止 。 假 设 将 二 极 管 移 开 ， 则 R2两 端 的 电 压 为 5/4/2021 3:17:11 AM U10V R1k7.4 R 2003 D 例 2-2图 DUDI U20V R1k7.4 R2003 D (b)二 极 管 导 通 时 等 效 电 路 DUDI (a)原 理 电 路 图 由 于 硅 二 极 管 的 死 区 电 压 为 0.5V， 故 二 极 管 截 止 ， ID 0 VURR RU 48.083.07

13、.4 3.021 2D V2.1203.07.4 3.0 21 2D URR RU(3) 如 例 2-2图 b所 示 电 路 ， 若 U 20V， 且 二 极 管 正 向 导 通 压 降 为 0.7V， 则 假 设 移 开 二 极 管 后 R2两 端 的 电 压 为 5/4/2021 3:17:11 AM U10V R1k7.4 R2003 D 例 2-2图 DUDI U20V R1k7.4 R2003 D (b)二 极 管 导 通 时 等 效 电 路 DUDI (a)原 理 电 路 图 由 于 二 极 管 两 端 电 压 大 于 死 区 电 压 ， 故 D导 通 ， 二 极 管 用 恒 压

14、源 代 替 ， 其 等 效 电 路 如 图 2-16c所 示 ， 恒 压 源 两 端 电 压 为 U D 0.7V， 则 二 极 管 中 的 电 流 为 mA16.23.07.07.4 7.0202D1 DD RURUUI二 极 管 的 应 用 范 围 很 广 泛 ， 主 要 是 由 于 二 极 管 具 有 单 向 导 电 性 ，所 以 利 用 二 极 管 可 以 进 行 整 流 、 限 幅 、 保 护 、 检 波 、 钳 位 及 开关 电 路 等 。 5/4/2021 3:17:11 AM o 在 负 载 变 化 不 大 的 场 合 ， 稳 压 管 常 用 来 做 稳 压 电 源 ， 由 于

15、 负 载 和稳 压 管 并 联 ， 又 称 为 并 联 稳 压 电 源 。 稳 压 管 在 实 际 工 作 时 要 和 电阻 相 配 合 使 用 ， 其 电 路 如 图 2-18所 示 。 R D Z RLIU oUZU 图 2-18 稳 压 管 稳 压 电 路 RI ZI oI 选 择 稳 压 管 一 般 取 UZ Uo IZM (1.5 3) Iom (2-7) UI = (23) Uo 三、稳压管稳压电路 5/4/2021 3:17:11 AM R D Z RLIU oUZU 图 2-18 稳 压 管 稳 压 电 路 RI ZI oI LZZmin ZILZZM ZI RUI UURRU

16、I UU ZMLZZImin IRURUUIZ 可 得 电 阻 R的 取 值 范 围 为 当 负 载 电 阻 RL和 输 入 电 压 UI一 定 时 ， 电 阻 R 的 选 择 是 根 据 稳 压 管 的 电 流 不 超 过 正 常 工 作 范 围 来 选 的 。 稳 压 管 的 电 流 是 在 IZmin IZ IZM之 间 ， 5/4/2021 3:17:11 AM R DZ R LIU oUZU 图 2-18 稳 压 管 稳 压 电 路 RI ZI oI 5/4/2021 3:17:12 AM 例 2-3 如 图 2-18所 示 电 路 中 ， UI 12V ， 稳 压 管 稳 定 电

17、压 UZ 6V， 稳 定 电 流 zI 10mA， 电 阻 R 100， RL 150 。 (1)求 oU 、 IR和 稳 压 管 实 际 工 作 电 流 I Z； (2)若 稳 压 管 最 大 稳 定 电 流 ZMI =50mA， 试 问 UI允 许 波 动 的 范 围 是 多 少 ？ (3)若 U I =12V， UZ=6V,稳 压 管 稳 定 电 流 IZ 10mA， 最 大 稳 定 电 流 zI =50mA， 问 负 载 电 阻 R L允 许 变 化 的 范 围 是 多 少 ？ 解 ： (1) 由 电 路 可 知 ， V6Zo UU mA 06100612ZIR RUUI mA 041

18、506Loo RUI R DZ RLIU oUZU 图 2-18 稳 压 管 稳 压 电 路 RI ZI oI 5/4/2021 3:17:12 AM R DZ RLIU oUZU图 2-18 稳 压 管 稳 压 电 路 RIZI oI则 稳 压 管 的 实 际 工 作 电 流 为 mA 024060oRZ III (2)若 稳 压 管 最 大 稳 定 电 流 IZM=50mA， 而 稳 定 电 流 IZ 10mA， 则 由 电 路 可 知 ZoZZRI )( URIIURIU 当 I Z 10mA时 V11610010)4010()( 3 ZoZImin URIIU 当 I ZM 50mA时

19、 V15610010)4050()( 3 ZoZMImax URIIU 故 U I允 许 波 动 的 范 围 是 （ 11 15） V。 5/4/2021 3:17:12 AM (3)若 UI =12V， UZ =6V,稳 压 管 稳 定 电 流 IZ 10mA， 最 大 稳 定 电 流 ZI =50mA， 由 电 路 可 知 ZR oooL II UIUR 当 IZ 10mA时 12010606ZR oLmin II UR 当 IZM 50mA时 60050606ZMR oLmax II UR 故 RL允 许 变 化 的 范 围 是 （ 120 600） ， 取 其 中 合 适 的 标 称

20、值 电 阻 。 R D Z RLIU oUZU 图 2-18 稳 压 管 稳 压 电 路 RI ZI oI 5/4/2021 3:17:12 AM 1 、 发 光 二 极 管 发 光 二 极 管 也 叫 LED， 它 是 由 砷 化 镓 GaAs） 、 磷化 镓 （ GaP） 、 磷 砷 化 镓 （ GaAsP） 等 半 导 体 制 成的 ， 因 此 不 仅 具 有 一 般 PN结 的 单 向 导 电 性 ， 而 且 在一 定 条 件 下 ， 它 还 具 有 发 光 特 性 。 在 正 向 电 压 下 ，电 子 由 N区 注 入 P区 ， 空 穴 由 P区 注 入 N区 。 进 入 对方 区

21、域 的 少 数 载 流 子 （ 少 子 ） 一 部 分 与 多 数 载 流 子（ 多 子 ） 复 合 而 发 光 。 故 发 光 二 极 管 工 作 时 要 加 正向 电 压 。 四 、 半 导 体 光 电 器 件 5/4/2021 3:17:12 AM（ a） 外 形图 2-19 发 光 二 极 管 的 外 形 和 符 号 D R U（ c） 应 用 电 路（b）电路符号 5/4/2021 3:17:12 AM 2、 光 电 二 极 管 VD（ 也 叫 光 敏 二 极 管 ） 是 将 光信 号 变 成 电 信 号 的 半 导 体 器 件 ， 与 光 敏 电 阻 器相 比 具 有 灵 敏 度

22、高 、 高 频 性 能 好 ， 可 靠 性 好 、体 积 小 、 使 用 方 便 等 优 点 。 它 的 核 心 部 分 也 是一 个 PN结 ， 和 普 通 二 极 管 相 比 ， 在 结 构 上 不 同的 是 ， 为 了 便 于 接 受 入 射 光 照 ， 在 光 电 二 极 管的 管 壳 上 有 一 个 能 射 入 光 线 的 窗 口 ， 窗 口 上 镶着 玻 璃 透 镜 ， 光 线 可 通 过 透 镜 照 射 到 管 芯 ， 而且 PN结 面 积 尽 量 做 的 大 一 些 ， 电 极 面 积 尽 量 小些 ， PN结 的 结 深 很 浅 ， 一 般 小 于 1微 米 ， 这 主要 是

23、 为 了 提 高 光 的 转 换 效 率 。 其 外 形 和 符 号 分别 如 图 2-20a,b所 示 。 5/4/2021 3:17:12 AM图 2-20 光 电 二 极 管 的 外 形 、 符 号 及 应 用 电 路 U VD UoVD (a) (b) (c) 5/4/2021 3:17:12 AM 3、 变 容 二 极 管 VCD（ Variable Capacitance Diode） 是 利 用外 加 反 向 电 压 改 变 二 极 管 结 电 容 容 量 的 特 殊 二 极 管 ， 与 普 通 二极 管 相 比 ， 其 结 电 容 变 化 范 围 较 大 。 (a) VR (b

24、) RC 图 2-21 变 容 二 极 管 0 DujCj0C (c) 5/4/2021 3:17:12 AM 1 整 流 电 路 整 流 电 路 就 是 利 用 二 极 管 单 向 导 电 性 将 方 向 双 向 交 替 变 化 的 正 弦 波 变 换 成 单 一 方 向 脉 动 的 直 流 电 ， 如 图 2-22 所 示 为 半 波 整 流 电 路 及 其 输 入 输出 波 形 。 设 二 极 管 为 理 想 二 极 管 。 在 输 入 电 压 u 正 半 周 ， 二 极 管 D 导 通 ， 则 输 出 电 压 uu o ； 在 输 入 电 压 u 负 半 周 ， 二 极 管 D截 止

25、， 则 输 出 电 压 0o u 。 u D RL 图 2-22 二 极 管 整 流 电 路 (a) 0 u 0 ou (b) ou tt (a) 电 路 (b) 波 形 五 、 半 导 体 二 极 管 的 应 用 实 例 5/4/2021 3:17:12 AM 由 于 二 极 管 正 向 导 通 电 阻 小 ， 理 想 情 况 下 可 以 看 成 零 ， 相 当 开 关 接 通 ；而 反 向 电 阻 很 大 ， 理 想 情 况 下 可 以 看 成 无 穷 大 ， 相 当 开 关 断 开 。 故 在 数 字 电 路 中 ， 利 用 二 极 管 的 开 关 特 性 ， 构 成 各 种 逻 辑 电

26、 路 。 如 图 2-23为 二 极 管 与 门 电 路 ， 若 二 极 管 为 理 想 的 ， 则 若 A、 B两 端 加 3V电 压 （ 高 电 平 ） 时 ， 两 个 二 极 管 DA、 DB 同 时 导 通 ， 则 输 出 电 压 为 Fu 3V， 为高 电 平 ； 当 A 点 加 3V 电 压 、 B 点 加 0V 电 压 时 ， D B所 加 的 正 电 压 要比 DA大 ， 故 DB优 先 导 通 ， 使 得 输 出 电 压 为 Fu 0V， 为 低 电 平 ； 当 A点 加 0V电 压 、 B点 加 3V电 压 时 ， 结 论 同 上 ， Fu 0V， 为 低 电 平 ； 当A

27、和 B点 同 时 加 0V电 压 时 ， DA、 DB同 时 导 通 ， Fu 0V， 为 低 电 平 。也 就 是 说 A、 B两 端 只 要 有 一 个 是 低 电 平 ， 输 出 为 低 电 平 ； 只 有 A、 B 两 端 同 时 为 高 电 平 ， 输 出 才 为 高 电 平 。 DA DB A B +5V F 图 2-23 二 极 管 与 门 电 路 R 2 开 关 电 路 5/4/2021 3:17:12 AM 例 2-4电 路 如 例 2-4图 所 示 。 设 输 入 V， 设 二 极 管 是理 想 的 ， 试 画 出 输 出 电 压 的 波 形 。 例 2-4图 双 向 限

28、幅 电 路 -5V 5V t t 5Vou iu (b)-5V 0 0 把 输 出 电 压 的 最 高 电 平 限 制 在 某 一 数 值 或 某 一 范 围 内 ， 称 为 限 幅 电 路 。 R+ - + - D1 D2 5V 5Viu ou (a) tu sin10i ou3 限 幅 电 路 5/4/2021 3:17:12 AM 例 2-4图 双 向 限 幅 电 路 -5V 5V t t 5Voui u (b)-5V 0 0 R+ - + - D1 D2 5V 5Viu ou (a) 解 ： 由 图 a可 以 看 出 ， 当 V5iu 时 ， D1导 通 ， D2截 止 ， 输 出 电

29、 压 V5o u ； 当 V5iu 时 ， D1截 止 ， D2导 通 ， 输 出 电 压 V5o u ； 当 V5V5 i u 时 ， D1、 D2都 截 止 ， 输 出 电 压 io uu ， 其 输 出 波 形 如 例 2-4 图 b 所 示 ， 将 输 出 电 压 的 幅 度 限 定 在 5V之 内 ， 故 为 双 向 限 幅 电 路 。 5/4/2021 3:17:12 AM o 小 结 ：o 1、 掌 握 二 极 管 的 伏 安 特 性 ；o 2、 掌 握 稳 压 二 极 管 的 特 性 ；o 3、 学 会 分 析 二 极 管 应 用 电 路祝 各 位 同 学 开 心 快 乐 ！