半导体二极管及其基本电路.ppt
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,2.1半导体的基本知识,2.3半导体二极管,2.4二极管基本电路及其分析方法,2.5特殊二极管,2.2PN结的形成及特性,2半导体二极管及其基本电路,小结,2.6二极管的应用,学习指导,作业,学习指导,电子技术是当代高新技术的龙头。半导体器件是电子技术的重要组成部分。PN结是半导体器件的核心环节。半导体二极管是由一个PN结构成的半导体器件,在电子电路中有广泛的应用。主要内容:1、半导体的基本知识;2、PN结的形成及特点;3、半导体二极管的结构、特性、参数、模型及应用电路。,学习目标:1、掌握以下基本概念:半导体材料的特点、空穴、自由电子、多数载流子、少数载流子、扩散运动、漂移运动、PN结正偏、PN结反偏;2、了解PN结的形成过程及半导体二极管的单向导电性;3、掌握半导体二极管的伏安特性及其电路的分析方法;4、正确理解半导体二极管的主要参数;5、掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项,了解选管的一般原则。,2.1半导体的基本知识,2.1.1半导体特性,2.1.2半导体的共价键结构,2.1.3本征半导体,2.1.4杂质半导体,2.1.1半导体特性,物体分类,导体,如:金属,绝缘体,如:橡胶、云母、塑料等。,导电能力介于导体和绝缘体之间。,半导体,半导体特性,掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,热敏特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光敏特性,常用的半导体材料有:元素半导体:硅(Si)、锗(Ge)化合物半导体:砷化镓(GaAs)掺杂材料:硼(B)、铟(In);磷(P)、锑(Sb)。,硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构,价电子是我们要研究的对象,2.1.2半导体的共价键结构,硅晶体的空间排列,2.1.3本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯度:99.9999999%,“九个9”它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,Si,+14,Ge,+32,+4,共价键内的电子称为束缚电子,挣脱原子核束缚的电子称为自由电子,价带中留下的空位称为空穴,外电场E,自由电子定向移动形成电子流,束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流,本征半导体,两种载流子动画一,1.本征半导体中有两种载流子,自由电子和空穴,2.在外电场的作用下,产生电流,电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的运动与外电场方向相同,始终在价带内载流子在电场力作用下的定向运动叫漂移运动,本征半导体,空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。,用空穴移动产生的电流代表束缚电子移动产生的电流,电子浓度ni=空穴浓度pi,2.1.4杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半导体。掺杂后半导体的导电率大为提高,掺入三价元素如B、Al、In等,形成P型半导体,也称空穴型半导体,掺入五价元素如P、Sb等,形成N型半导体,也称电子型半导体,杂质半导体,N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子,因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子,杂质半导体,P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空穴很容易俘获电子,使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。,本征半导体、杂质半导体,本节中的有关概念,自由电子、空穴,N型半导体、P型半导体,多数载流子、少数载流子,施主杂质、受主杂质,2.2PN结的形成及特性,2.2.1PN结的形成,2.2.2PN结的单向导电性,2.2.3PN结的反向击穿,2.2.4PN结的电容效应,2.2.1PN结的形成,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时达到动态平衡,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散,称扩散运动扩散运动产生扩散电流,漂移运动,载流子在电场力作用下的定向运动,称漂移运动,漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流,PN结内总电流=0。,PN结,稳定的空间电荷区,又称高阻区,也称耗尽层,PN结的形成动画二,PN结的接触电位,内电场的建立,使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V,接触电位V决定于材料及掺杂浓度硅:V=0.7锗:V=0.2,2.2.2PN结的单向导电性,1.PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响。PN结呈现低阻性。,P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏;,内,外,PN结的单向导电性,2.PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同,增强内电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强,扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流。PN结呈现高阻性,P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏;,内,外,由此可以得出结论:PN结具有单向导电性。,PN结加正向电压时,呈现低电阻,具有较大的正向扩散电流;,PN结加反向电压时,呈现高电阻,具有很小的反向漂移电流。,PN结的单向导电性动画三,式中Is饱和电流;UT=kT/q等效电压k波尔兹曼常数;T=300k(室温)时UT=26mv,PN结电流方程,由半导体物理可推出:,当加反向电压时:,当加正向电压时:,(UUT),PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式,2.2.3PN结的反向击穿,反向击穿,PN结上所加的反向电压达到某一数值时,反向电流激增的现象,雪崩击穿,当反向电压增高时,少子获得能量高速运动,在空间电荷区与原子发生碰撞,产生碰撞电离。形成连锁反应,象雪崩一样,使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时,强电场直接从共价键中将电子拉出来,形成大量载流子,使反向电流激增。,击穿是可逆。掺杂浓度小的二极管容易发生,击穿是可逆。掺杂浓度大的二极管容易发生,不可逆击穿,热击穿,PN结的电流或电压较大,使PN结耗散功率超过极限值,使结温升高,导致PN结过热而烧毁,势垒电容CB,势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时,离子薄层的厚度也相应地随之改变,这相当PN结中存储的电荷量也随之变化,犹如电容的充放电。,2.2.4PN结的电容效应,动画,扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时,由N区扩散到P区的电子,与外电源提供的空穴相复合,形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲线。,扩散电容CD,PN结电容效应,当外加正向电压不同时,扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同,这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,2.3半导体二极管,2.3.1半导体二极管的结构,2.3.2二极管的伏安特性,2.3.3二极管的参数,实物图片,2.3.1半导体二极管的结构,在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。二极管按结构分为点接触型、面接触型和平面型三大类。,(1)点接触型二极管,PN结面积小,结电容小,用于检波和变频等高频电路。,(3)平面型二极管,往往用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。,(2)面接触型二极管,PN结面积大,用于工频大电流整流电路。,(b)面接触型,(4)二极管的代表符号,晶体二极管,1.正向起始部分存在一个死区或门坎,称为门限电压。硅:Vr=0.5-0.6v;锗:Vr=0.1-0.2v2.加反向电压时,反向电流很小即Is硅(nA)Is锗(A)硅管比锗管稳定3.当反压增大VB时再增加,反向电流激增,发生反向击穿,VB称为反向击穿电压。,二极管的伏安特性可用下式表示,2.3.2二极管的伏安特性,晶体二极管,晶体二极管的电阻,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻),交流电阻r,(又称动态电阻或微变电阻),一、直流电阻,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,D,晶体二极管,二、交流电阻r,或,实质是特性曲线静态工作点处的斜率,交流电导:g=dI/dU=I/UT交流电阻:r=1/g=UT/I室温下:UT=26mv交流电阻:r=26mv/ID(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出:,由此可得:,晶体二极管的电阻,2.3.3二极管的参数,二极管的型号命名,2.4二极管基本电路及其分析方法,2.4.1二极管V-I特性的建模,2.4.2应用举例,2.4.1二极管V-I特性的建模,1.理想模型,3.折线模型,2.恒压降模型,正偏时导通,管压降为0V;反偏时截止,电流为0。,管子导通后,管压降认为是恒定的,典型值为0.7V。,管压降不是恒定的,而是随电流的增加而增加。,4.小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时,其正向特性可以等效成一个微变电阻。,即,根据,得Q点处的微变电导,则,常温下(T=300K),2.4.1二极管V-I特性的建模,5.指数模型,较完整且较准确,2.4.2应用举例,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,例2.4.2提示,2.4.2应用举例,2.限幅电路,2.5特殊二极管,2.5.1稳压二极管,2.5.2变容二极管,2.5.3光电子器件,1.光电二极管,2.发光二极管,2.5.1稳压二极管,稳压特性,稳压原理:在反向击穿时,电流在很大范围内变化时,只引起很小的电压变化。,正向部分与普通二极管相同,当反向电压加到一定值时,反向电流急剧增加,产生反向击穿。,(1)稳定电压VZ,(2)动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。,rZ=VZ/IZ,(3)最大耗散功率PZM,(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin,(5)稳定电压温度系数VZ,特性参数,2.5.1稳压二极管,稳压管工作时应反接,并串入一只电阻。电阻的作用一是起限流作用,以保护稳压管。二是当输入电压或负载电流变化时,通过电阻上压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。,应用方法,2.5.1稳压二极管,稳压电路,2.5.2变容二极管,变容二极管是利用结势垒电容C随外加电压V的变化而变化的特点制成的二极管。,符号:,注意:使用时应外加反向电压,1、光电二极管,光电二极管是有光照射时会产生电流的二极管。,其结构和普通的二极管基本相同,它利用光电效应工作,PN结工作在反偏状态,当光照射在PN结上时,束缚电子获得光能变成自由电子,产生电子空穴对,在外电场的作用下形成光电流。,2.5.3光电子器件,应在反压状态工作,2、发光二极管,发光二极管是将电能转换成光能的特殊半导体器件,它只有在加正向电压时才发光。,一、整流电路,整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路,,1、半波整流,iD,uL,整流电路中的二极管是作为开关运用,具有单向导电性。,2.6二极管的应用,二极管应用,2、全波整流,一、整流电路,二极管应用,3、桥式整流,一、整流电路,二极管应用,二、LED显示器,a,b,c,d,f,g,+5V,共阳极电路,共阴极电路,控制端为高电平对应二极管发光,控制端为低电平对应二极管发光,e,小结,1、半导体中有两种载流子:电子和空穴。载流子有两种运动方式:扩散运动和漂移运动。本征激发使半导体中产生电子-空穴对,但它们的数目很少,并与温度有密切关系。2、在本征半导体中掺入不同的杂质,可分别形成P型和N型半导体,它们是各种半导体器件的基本材料。3、PN结是各种半导体器件的基本结构形式,如二极管由一个PN结加引线组成。因此,掌握PN结的特性对于了解和使用各种半导体器件有着十分重要的意义。PN结的重要特性是单向导电性。,4、为合理选择和正确使用各种半导体器件,必须熟悉它们的参数。这些参数大至可分为两类,一类是性能参数,如稳压管的稳定电压VZ、稳定电流IZ、温度系数等;另一类是极限参数,如二极管的最大整流电流、最高反向工作电压等。必须结合PN结特性及应用电路,逐步领会这些参数的意义。5、二极管的伏安特性是非线性的,所以它是非线性器件。为分析计算电路方便,在特定条件下,常把二极管的非线性伏安特性进行分段线性化处理,从而得到几种简化的模型,如理想模型、恒压降模型、折线模型和小信号模型。在实际应用中,应根据工作条件选择适当的模型。,小结,6、对二极管伏安特性曲线中不同区段的利用,可以构成各种不同的应用电路。组成各种应用电路时,关键是外电路(包括外电源、电阻等元件)必须为器件的应用提供必要的工作条件和安全保证。,小结,重点难点,重点:(1)半导体二极管的V-I特性及主要参数(2)二极管的基本电路及分析方法(3)稳压管工作原理及应用难点:两种载流子、PN结的形成、单向导电性、二极管的基本电路及分析方法。,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下:,附录,半导体二极管图片,附录,半导体二极管图片,附录,半导体二极管图片,附录,作业,2.4.1、2.4.3、2.4.4a、2.4.7、2.4.10,2.5.1、2.5.3,- 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