二极管及其基本应用改学习教案

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1、会计学1二极管及其基本二极管及其基本(jbn)应用改应用改第一页，共31页。3.1 3.1 半导体基础知识半导体基础知识3.2 3.2 半导体二极管及其基本半导体二极管及其基本(jbn)(jbn)电电路路3.3 3.3 稳压稳压(wn y)(wn y)二极管二极管第1页/共30页第二页，共31页。一、本征半导体一、本征半导体二、杂质二、杂质(zzh)(zzh)半导体半导体三、三、PNPN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)及其单向导及其单向导电性电性四、四、PNPN结的电容结的电容(dinrng)(dinrng)效应效应第2页/共30页第三页，共31页。 导电性介于导体导电性介

2、于导体(dot)与绝缘体之间的物质称为半导体与绝缘体之间的物质称为半导体(dot)。本征半导体是纯净本征半导体是纯净(chnjng)的晶体结构的半导体。的晶体结构的半导体。1、什么(shn me)是半导体？什么(shn me)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。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。核的束缚力很强，只有在

3、外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层），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。电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构第3页/共30页第四页，共31页。由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量(nngling)的价电子挣脱共价键的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留自由电子的产生使共价键中留有一个有一个(y )空位置，称为空空位置，称为空穴穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰

4、同时消失，称为复合。共价键共价键 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。剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡动态平衡第4页/共30页第五页，共31页。两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动与导电，且运动(yndng)方向相反。由于载流子数目方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。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？载流

5、子浓度随温度(wnd)升高而增大，半导体器件温度(wnd)稳定性差。运载电荷的粒子运载电荷的粒子(lz)称为载流子。称为载流子。 温度升高，热运动加剧，载流子浓温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。第5页/共30页第六页，共31页。5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数杂质半导体主要靠多数(dush)载流子导电。掺入杂质载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。强，实现导电性可控。多数多数(dush)载流子载流子 空穴比未加杂质时的数目多了？少空穴比未加杂质时的数目

6、多了？少了？为什么？了？为什么？第6页/共30页第七页，共31页。3硼（硼（B）多数多数(dush)载流子载流子 P型半导体主要靠空穴导电型半导体主要靠空穴导电(dodin)，掺入杂质越多，空穴浓度，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电越高，导电(dodin)性越强，性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目(shm)变化吗？少子与多子变化的数目(shm)相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？第7页/共30页第八页，共31页。 物质因浓度差而产生的运动(yndng)称为扩散运动(yndng)。气体、液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴区空穴(kn xu)浓度浓度远高于远高于N区。区。N

7、区自由电子区自由电子浓度远高于浓度远高于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的区的自由电子浓度降低，产生内电场。自由电子浓度降低，产生内电场。第8页/共30页第九页，共31页。 因电场作用所产生的运动称为(chn wi)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(d do)动态平衡，就形成了PN结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而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。内电场使空穴从阻止扩散运动的进行。内电场使空穴

8、从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区区运动。运动。第9页/共30页第十页，共31页。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加剧，耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成由于外电源的作用，形成(xngchng)扩散电流，扩散电流，PN结处于结处于导通状态。导通状态。PN结加反向电压截止结加反向电压截止(jizh)： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于耗尽层变宽，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很小，故可近似认为其截止(jizh)。必要吗？必要吗？第10页/共30页第十一

9、页，共31页。2. 伏安特性受温度伏安特性受温度(wnd)影影响响T（）在电流在电流(dinli)不变情况下管压降不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流(dinli)IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为指正向特性为指数曲线数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10UT是温度的电压当量，T=300K时， UT约为26mV。Uon是开启电压第11页/共30页第十二页，共31页。1. 势垒电容(dinrng) 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(dinrng)的充放电相

10、同，其等效电容(dinrng)称为势垒电容(dinrng)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等效电容称为扩散电容Cd。dbjCCC结电容：结电容： 结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！去单向导电性！第12页/共30页第十三页，共31页。第13页/共30页第十四页，共31页。一、二极管的组成一、二极管的组成(z c

11、hn)二、二极管的伏安二、二极管的伏安(f n)特性及电特性及电流方程流方程三、二极管的等效电路三、二极管的等效电路四、二极管的主要参数四、二极管的主要参数第14页/共30页第十五页，共31页。将将PN结封装，引出两个结封装，引出两个(lin )电极，就构成了二极管。电极，就构成了二极管。小功率小功率(gngl)二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管第15页/共30页第十六页，共31页。将将PN结封装，引出两个电极结封装，引出两个电极(dinj)，就构成了二极管。，就构成了二极管。点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许

12、(ynx)的电流小，最的电流小，最高工作频率高。高工作频率高。面接触型：结面积大，结面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。大，最高工作频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大，大的结允许的电流大。第16页/共30页第十七页，共31页。材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十几十A开启开启(kiq)电电压压反向反向(fn xin)饱饱和电流和电流击穿击穿电压电压温度的温度的电压当量电

13、压当量二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。第17页/共30页第十八页，共31页。2. 伏安特性受温度伏安特性受温度(wnd)影响影响T（）在电流不变情况在电流不变情况(qngkung)下管压降下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴的平行线反向特性为横轴的平行线增大增大1倍倍/10第18页/共30页第十九页，共31页。理想理想(lxing)二极管二极管近似分析近似分析(fnx)中最中最常用常用理想开关理想开关导通时导通时 UD

14、0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成线成线性关系性关系应根据不同情况应根据不同情况(qngkung)选择不同的等效电路！选择不同的等效电路！1. 将伏安特性折线化？100V？5V？1V？第19页/共30页第二十页，共31页。Q越高，越高，rd越小。越小。 当二极管在静态基础上有一动态信号(xnho)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时直流电源作用时直流电源作用(zuyng)小信号小信号(xnho)作用作用静态电流静态电流第20页/共30页第二十一页，共31页。第21页/共30页第二十二页，共31页。一、伏

15、安一、伏安(f n)特性特性二、主要参数二、主要参数三、基本三、基本(jbn)电路的组成电路的组成第22页/共30页第二十三页，共31页。进入稳压进入稳压(wn y)区的最小区的最小电流电流不至于损坏不至于损坏(snhui)的的最大电流最大电流 由一个由一个PN结组成结组成，反向击穿后在一定，反向击穿后在一定的电流范围内端电压的电流范围内端电压基本不变，为稳定电基本不变，为稳定电压。压。二、 主要参数稳定电压稳定电压UZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ稳定电流稳定电流IZ第23页/共30页第二十四页，共31页。 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大

16、则会因功耗过大而损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坏，因而稳压管电路中必需(bx)有限制稳压管电流的限流电阻！有限制稳压管电流的限流电阻！限流电阻限流电阻(dinz)必不可少！必不可少！第24页/共30页第二十五页，共31页。UOH UZ1 UD2 UOH UOL UZ输入输入(shr)端端保护电路保护电路使净输入使净输入(shr)电电压最大值压最大值为为UD必要吗？必要吗？ UOL( UZ2 UD1)第25页/共30页第二十六页，共31页。UOH UZ UOL UD 为使为使UOL更接近更接近(jijn)0，怎么办？，怎么办？锗管锗管U

17、OH UOL UZ输出低电平接近输出低电平接近(jijn)零的限零的限幅电路幅电路第26页/共30页第二十七页，共31页。OMUOMUOMUOMU 当当uIURH时，时，uO1= uO2= UOM，D1导通，导通，D2截截止止(jizh)； uO= UZ。 当当uIURL时，时，uO2= uO1= UOM，D2导通，导通，D1截止截止(jizh)； uO= UZ 。 当当URLuI URH时，时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截止；均截止； uO= 0。第27页/共30页第二十八页，共31页。第28页/共30页第二十九页，共31页。uD=V-iRQIDUD若若V与与uD可比，如可比，如V=2V，R=500，则需图解则需图解(tji)：实测特性实测特性第29页/共30页第三十页，共31页。NoImage内容(nirng)总结会计学。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定。载流子浓度随温度升高而增大，半导体器件温度稳定性差。P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。T（）正向特性左移，反向特性下移。T（）正向特性左移，反向特性下移。是多子还是少子是影响(yngxing)温度稳定性的主要因素。导通时 UD0截止时IS0。最大反向工作电压UR：最大瞬时值。输入端保护电路使净输入电压最大值为UD。什么情况下应选用二极管的什么等效电路第三十一页，共31页。