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1、第五章 半导体器件与二极管电路第1页，共38页，编辑于2022年，星期三第五第五 章半导体器件基础章半导体器件基础与二极管电路与二极管电路5.1 5.1 半导体二极管的工作原理与特性半导体二极管的工作原理与特性5.2 5.2 二极管整流电路二极管整流电路5.3 5.3 二极管峰值采样电路二极管峰值采样电路5.4 5.4 二极管检波电路二极管检波电路第2页，共38页，编辑于2022年，星期三5.1 半导体二极管的工作原理与特性半导体二极管的工作原理与特性导体：体：自然界中很容易自然界中很容易导电的物的物质称称为导体体，金属一般，金属一般都是都是导体。体。绝缘体：体：有的物有的物质几乎不几乎不导电
2、，称，称为绝缘体体，如橡皮、陶瓷、，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。塑料和石英。半半导体：体：另有一另有一类物物质的的导电特性特性处于于导体和体和绝缘体之体之间，称称为半半导体体，如，如锗、硅、砷化、硅、砷化镓和一些硫化物、和一些硫化物、氧化物等。氧化物等。根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。导体、绝缘体和半导体。5.1.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性第3页，共38页，编辑于2022年，星期三一、半导体的导电特性一、半导体的导电特性 典型的半导体有硅典型的半导体有硅Si和锗和锗Ge以及砷化镓以及砷化镓GaAs等。等。半导体有温敏
3、、光敏和掺杂等导电特性。半导体有温敏、光敏和掺杂等导电特性。热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。当环境温度升高时，导电能力显著增强。（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化。（可当受到光照时，导电能力明显变化。（可做成各种光电元件，如光电电阻、光电二极管、光电做成各种光电元件，如光电电阻、光电二极管、光电晶体管）晶体管）掺杂性：掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变。（可做成各种不同用途的半导体器件，明显改变。（可做成各种不同用途的半导体器件，如二如二
4、极管、晶体管和晶闸管等）极管、晶体管和晶闸管等）第4页，共38页，编辑于2022年，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+4 完完全全纯纯净净的的、不不含含其其他他杂杂质质且且具具有有晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为为本本征半导体征半导体 将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体，它它的的原原子子结结构构为为共价键结构。共价键结构。价价电电子子共共价价键键二二、本征半、本征半导体的体的晶体晶体结构构当当温温度度 T=0 K 时时，半半导导体体不导电，如同绝缘体。不导电，如同绝缘体。第5页，共38页，编辑于2022年，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由
5、电子空穴空穴 若若 T ，将将有有少少数数价价电电子子克克服服共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，在在原原来来的的共共价价键键中中留留下下一个空位一个空位空穴。空穴。T 自自由由电电子子和和空空穴穴使使本本征征半半导导体体具具有有导导电电能能力力，但但很很微微弱。弱。空空穴穴可可看看成成带带正正电电的的载载流流子。子。三三、本征半、本征半导体体中的两种载流子中的两种载流子第6页，共38页，编辑于2022年，星期三杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体1、N 型半导体型半导体(Negative)在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的
6、5 价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、锑、砷等，即构成锑、砷等，即构成 N 型半导体型半导体(或称电子型半导体或称电子型半导体)。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。价杂质元素有磷、锑、砷等。四四、杂质半半导体体第7页，共38页，编辑于2022年，星期三 本本征征半半导导体体掺掺入入 5 价价元元素素后后，原原来来晶晶体体中中的的某某些些硅硅原原子子将将被被杂杂质质原原子子代代替替。杂杂质质原原子子最最外外层层有有 5 个个价价电电子子，其其中中 4 个个与与硅硅构构成成共共价价键键，多多余余一一个个电电子子只只受受自自身身原原子子核核吸吸引引，在在室温下即可成为自由电子。室温下即可成为
7、自由电子。见下页见下页 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p。电子称为多数载流子电子称为多数载流子(简称多子简称多子)，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子(简称少子简称少子)。5 价杂质原子称为价杂质原子称为施主原子。施主原子。第8页，共38页，编辑于2022年，星期三+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子施主原子施主原子第9页，共38页，编辑于2022年，星期三2、P 型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入少少量量的的 3 价价杂杂质质元元素素，如如硼硼、镓、铟等，即构成镓、铟等，即
8、构成 P 型半导体型半导体。+3空空穴穴浓浓度度多多于于电电子子浓浓度度，即即 p n。空空穴穴为为多多数数载载流流子子，电电子子为为少少数数载载流子。流子。3 价价杂杂质质原原子子称称为为受受主主原子。原子。受主受主原子原子空穴空穴第10页，共38页，编辑于2022年，星期三 在在一一块块半半导导体体单单晶晶上上一一侧侧掺掺杂杂成成为为 P 型型半半导导体体，另另一一侧侧掺掺杂杂成成为为 N 型型半半导导体体，两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了了一一个个特特殊殊的的薄薄层层，称为称为 PN 结结。PNPN结结五五、PN结的形成及其的形成及其单向向导电性性第11页，共38页，编辑于
9、2022年，星期三1、PN 结中载流子的运动结中载流子的运动耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN.扩散运动扩散运动.扩扩散散运运动动形形成空间电荷区成空间电荷区电电子子和和空空穴穴浓浓度度差差形形成成多多数数载载流流子子的的扩散运动。扩散运动。PN 结结，耗耗尽尽层。层。PN第12页，共38页，编辑于2022年，星期三.空间电荷区产生内电场空间电荷区产生内电场PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho空间电荷区正负离子之间电位差空间电荷区正负离子之间电位差 Uho 电位壁垒电位壁垒；内电场内电场；内电场阻止多子的扩散；内电场阻止多子的扩散 阻挡层阻挡层。.漂移运动漂移运动内内电电场场有有利利于
10、于少子运动少子运动漂移。漂移。少少子子的的运运动动与与多多子子运运动动方方向向相相反反 阻挡层阻挡层第13页，共38页，编辑于2022年，星期三.扩散与漂移的动态平衡扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当当扩扩散散电电流流与与漂漂移移电电流流相相等等时时，PN 结结总总的的电电流流等等于于零零，空间电荷区的宽度达到稳定。空间电荷区的宽度达到稳定。对称结对称结即即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。扩散运动与漂移运动达到动态平衡。PN不对称结不对称结第14页
11、，共38页，编辑于2022年，星期三2、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.PNPN结结结结 外加正向电压时处于导通状态外加正向电压时处于导通状态又称正向偏置，简称正偏。又称正向偏置，简称正偏。外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层VRI空间电荷区变窄，有利空间电荷区变窄，有利于扩散运动，电路中有于扩散运动，电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。PN第15页，共38页，编辑于2022年，星期三在在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防止电流过大，可接入电阻流，为防止电流过大，可接入电阻 R。2.PN PN
12、结结结结外加反向电压时处于截止状态外加反向电压时处于截止状态(反偏反偏)反反向向接接法法时时，外外电电场场与与内内电电场场的的方方向向一一致致，增增强强了了内内电电场场的的作作用；用；如下图如下图外电场使空间电荷区变宽；外电场使空间电荷区变宽；不不利利于于扩扩散散运运动动，有有利利于于漂漂移移运运动动，漂漂移移电电流流大大于于扩扩散散电流，电路中产生反向电流电流，电路中产生反向电流 I；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第16页，共38页，编辑于2022年，星期三耗尽层耗尽层反向电流又称反向电流又称反向饱和电流反向饱和电流。对温度十分敏感对
13、温度十分敏感，随着温度升高，随着温度升高，IS 将急剧增大将急剧增大。PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向VRIS第17页，共38页，编辑于2022年，星期三综上所述：综上所述：当当 PN 结结正正向向偏偏置置时时，回回路路中中将将产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN 结处于结处于 导通状态导通状态；当当 PN 结结反反向向偏偏置置时时，回回路路中中反反向向电电流流非非常常小小，几几乎乎等等于零，于零，PN 结处于结处于截止状态截止状态。可见，可见，PN 结具有结具有单向导电性单向导电性。第18页，共38页，编辑于2022年，星期三在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二
14、极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型点接触型、面接触型和平面型5.1.2 半导体二极管的基本结构半导体二极管的基本结构第19页，共38页，编辑于2022年，星期三1 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第20页，共38页，编辑于2022年，星期三3 平面型二极管平面型二极管 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 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。
15、(b)(b)面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型4二极管的代表符号二极管的代表符号D第21页，共38页，编辑于2022年，星期三5.1.3 5.1.3 半导体二极管的伏安特性及主要参数半导体二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.7一、半导体二极管的伏安特性一、半导体二极管的伏安特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2
16、V第22页，共38页，编辑于2022年，星期三1.正向特性正向特性外加正向外加正向电压时电压时，正向特性的起始部分，正向，正向特性的起始部分，正向电电流几乎流几乎为为零。零。这这一段称一段称为为“死区死区”。对应对应于二极管开始于二极管开始导导通通时时的外加的外加电压电压称称为为“死区死区电压电压”。锗锗管管约为约为0.2V,硅管硅管约约0.5V。2.反向特性反向特性外加反向外加反向电压电压不超不超过过一定范一定范围时围时通通过过二极管的二极管的电电流是少流是少数数载载流子漂移运流子漂移运动动所形成的很小的反向所形成的很小的反向电电流，称流，称为为反向反向饱饱和和电电流流或或漏漏电电流流。该电
17、该电流受温度影响很大。流受温度影响很大。3.击击穿特性穿特性 外加反向外加反向电压电压超超过过某一数某一数值时值时，反向，反向电电流会突然增大，流会突然增大，这这种种现现象称象称为击为击穿（穿（击击穿穿时时，二极管失去，二极管失去单单向向导电导电性）。性）。对应对应的的电压电压称称为为击击穿穿电压电压。第23页，共38页，编辑于2022年，星期三 1.理想模型理想模型 2.折线模型折线模型3.斜线模型斜线模型二、半导体二极管的电路模型二、半导体二极管的电路模型第24页，共38页，编辑于2022年，星期三(1)最大整流电流最大整流电流IOM(2)反向工作峰值电压反向工作峰值电压UDMR(3)反向
18、电流反向电流I IR R(4)最高工作频率最高工作频率f fM M三、半导体二极管的主要参数三、半导体二极管的主要参数 二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流。由PN结结面结结面积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。积和散热条件决定，超过此值工作可能导致过热而损坏。为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压，一般为反向击穿电压的一半。压的一半。二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。此值越小，单向导电性越好。二极管未被击穿时，流过二极管的反向电流。此
19、值越小，单向导电性越好。硅管优于锗管。硅管优于锗管。二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当二极管维持单向导电性的最高工作频率。由于二极管中存在结电容，当频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。频率很高时，电流可直接通过结电容，破坏二极管的单向导电性。第25页，共38页，编辑于2022年，星期三四、温度对二极管伏安特性的影响四、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。下移。二极管的特性对温度很二极管的特性对温度很敏感敏感 50I/mAU/V0.20.4 255
20、10150.010.020温度增加温度增加 在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承在实际应用中，应根据管子所用的场合，按其所承受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、受的最高反向电压、最大正向平均电流、工作频率、环境温度等条件，选择满足要求的二极管。环境温度等条件，选择满足要求的二极管。第26页，共38页，编辑于2022年，星期三5.1.4 稳压二极管稳压二极管一、稳压管的伏安特性一、稳压管的伏安特性(a)符号符号(b)2CW17 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，反向电压应大于稳压电
21、压。压时工作在反向电击穿状态，反向电压应大于稳压电压。DZ第27页，共38页，编辑于2022年，星期三(1)稳定电压稳定电压UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作在规定的稳压管反向工作电流电流IZ下，所对应的反向工下，所对应的反向工作电压。作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(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)温度系数温度系数 VZ二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数第28页，共38页，编辑于2022年，星期三一、发光二极管一、发光二极管 LED(Light Emitting D
22、iode)1.符号和特性符号和特性工作条件：工作条件：正向偏置正向偏置一般工作电流几十一般工作电流几十 mA，导通电压导通电压(1 2)V符号符号u/Vi /mAO2特性特性5.1.5 其它类型的二极管其它类型的二极管第29页，共38页，编辑于2022年，星期三发光类型：发光类型：可见光：可见光：红、黄、绿红、黄、绿显示类型：显示类型：普通普通 LED，不可见光：不可见光：红外光红外光点阵点阵 LED七段七段 LED,第30页，共38页，编辑于2022年，星期三二、光电二极管二、光电二极管符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiOE=200 lxE=400 lx工作原理：工作原理：三、变容二极
23、管三、变容二极管四、隧道二极管四、隧道二极管五、肖特基二极管五、肖特基二极管无光照时，与普通二极管一样。无光照时，与普通二极管一样。有光照时，分布在第三、四象限。有光照时，分布在第三、四象限。第31页，共38页，编辑于2022年，星期三对整流电路要研究清楚以下问题：对整流电路要研究清楚以下问题：1.电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析电路的工作原理：二极管工作状态、波形分析2.输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压输出电压和输出电流的平均值：输出为脉动的直流电压3.整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作整流二极管的选择：二极管承受的最大整流平均电流和最高反向
24、工作电压电压 为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为为分析问题简单起见，设二极管为理想二极管，变压器内阻为0。整流二极管的伏安特性：整流二极管的伏安特性：实际特性理想化特性正向导通电压为正向导通电压为0，正，正向电阻为向电阻为0。5.2二极管整流电路二极管整流电路第32页，共38页，编辑于2022年，星期三一、工作原理一、工作原理u2的正半周，的正半周，D导通，导通，ADRLB，uO=u2。u2的负半周，的负半周，D截止，承受反向电压，为截止，承受反向电压，为u2；uO=0。5.2.1 单相半波整流电路的分析方法及其基本参数单相半波整流电路的分析方法及其基本参数优点：使用元件少
25、。优点：使用元件少。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。缺点：输出波形脉动大；直流成分小；变压器利用率低。第33页，共38页，编辑于2022年，星期三二、输出电压平均值二、输出电压平均值 UO（AV）和负载电流的平均值和负载电流的平均值IL（AV）的估算的估算 已知变压器副边电压有效值为已知变压器副边电压有效值为U2 考虑到电网电压波动范围为考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：二极管的极限参数应满足：三、二极管的选择三、二极管的选择第34页，共38页，编辑于2022年，星期三5.2.2单相桥式整流电路单相桥式整流电路一、单向桥式整流一、单向桥式整流电路的组成电路
26、的组成在实用电路中，多采用全波整在实用电路中，多采用全波整流电路，最常用的是单向桥式流电路，最常用的是单向桥式整流电路整流电路第35页，共38页，编辑于2022年，星期三二、工作原理二、工作原理1.u2 0时，电流由时，电流由+流出，经流出，经D1、RL、D2流入流入-。2.u2 0时，电流由时，电流由-流出，经流出，经D3、RL、D4流入流入+。第36页，共38页，编辑于2022年，星期三三、输出电压平均值三、输出电压平均值 UO(AV)和输出电流的平均值和输出电流的平均值IO(AV)第37页，共38页，编辑于2022年，星期三四、二极管的选择四、二极管的选择 考虑到电网电压波动范围为考虑到电网电压波动范围为10，二极管的极限参数应满足：二极管的极限参数应满足：第38页，共38页，编辑于2022年，星期三