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1、第二章半导体二极管及其基本电路第1页，本讲稿共63页2.1半导体的基础知识半导体的基础知识2.2PN结的形成及特性结的形成及特性2.3半导体二极管半导体二极管2.4二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小结小结2.5特殊二极管特殊二极管第第第第 2 2 2 2章章章章 半导体二极管及其基本半导体二极管及其基本电路电路第2页，本讲稿共63页2.1半导体的基础知识半导体的基础知识2.1.1本征半导体本征半导体2.1.2杂质半导体杂质半导体第3页，本讲稿共63页2.1.1 本征半导体本征半导体半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导
2、体半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。纯净的半导体。如硅、锗单晶体。载流子载流子 自由运动的带电粒子。自由运动的带电粒子。共价键共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。相邻原子共有价电子所形成的束缚。第4页，本讲稿共63页硅(锗)的原子结构简化模型惯性核硅硅(锗锗)的共价键结构的共价键结构价电子自自由由电电子子(束缚电子束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第5页，本讲稿共63页本征激发：本征激发：本征激发：本征激发：复复复复 合：合：合：合：自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇重重新新结结合合成对消失的过程。成对消失的过程。漂漂漂漂 移：移：移：移：自由电子和空穴在电场作用
3、下的定向运自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位中留下一个空位(空穴空穴)的过程。的过程。第6页，本讲稿共63页两种载流子两种载流子电子电子(自由电子自由电子)空穴空穴两种载流子的运动两种载流子的运动自由电子自由电子(在共价键以外在共价键以外)的运动的运动空穴空穴(在共价键以内在共价键以内)的运动的运动 结论结论：1.本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少；2.半导体中有电子和空穴两种载流子参与
4、导电；半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电；3.本征半导体导电能力弱，并与温度有关本征半导体导电能力弱，并与温度有关。第7页，本讲稿共63页2.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体N 型型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为电子为多多数载流数载流子子空穴为空穴为少少数载流数载流子子载流子数载流子数 电子数电子数第8页，本讲稿共63页2.1.2 杂质半导体杂质半导体一、一、N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体P 型型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴空穴 多子多子电子电子 少子少子载流子数载流子数 空穴数空穴数第9页，本讲稿共
5、63页二、杂质半导体的导电作用二、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN 型半导体型半导体 I INP 型半导体型半导体 I IP第10页，本讲稿共63页三、三、P 型、型、N 型半导体的简化图示型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子 少数载流子第11页，本讲稿共63页2.2 PN 结结一、一、PN 结结(PN Junction)的形成的形成1.载流子的载流子的浓度差浓度差引起多子的引起多子的扩散扩散2.复合使交界面复合使交界面形成空间电荷区形成空间电荷区(耗尽层耗尽层)空间电荷区特点空间电荷区特点:无载流子，无载流子，阻止扩散进行，阻止扩散进行，利于少子的漂移。
6、利于少子的漂移。内建电场内建电场第12页，本讲稿共63页3.扩散和漂移达到扩散和漂移达到动态平衡动态平衡扩散电流扩散电流 等于漂移电流，等于漂移电流，总电流总电流 I=0。二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性1.外加外加正向正向电压电压(正向偏置正向偏置)forward bias第13页，本讲稿共63页P 区N 区内电场内电场外电场外电场外电场使多子向外电场使多子向 PN 结移动结移动,中和部分离子中和部分离子使空间电荷区变窄。使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电流扩散运动加强形成正向电流 IF。IF=I多子多子 I少子少子 I多子多子2.外加外加反向反向电压电压(反向偏
7、置反向偏置)reverse bias P 区N 区内电场外电场外电场使少子背离外电场使少子背离 PN 结移动，结移动，空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流漂移运动加强形成反向电流 IRIR=I少子少子 0第14页，本讲稿共63页三、三、PN 结的伏安特性结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mVOu/VI/mA正向特性正向特性反反向向击击穿穿加正
8、向电压时加正向电压时加反向电压时加反向电压时iIS第15页，本讲稿共63页2.3半导体二极管半导体二极管2.3.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性2.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数第16页，本讲稿共63页2.3.1 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型构成：构成：PN 结结+引线引线+管壳管壳=二极管二极管(Diode)符号：符号：A(anode)C(cathode)分类：分类：按材料分按材料分硅二极管硅二极管锗二极管锗二极管按结构分按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型第17页，本讲稿共63页点
9、接触型正极引线触丝N 型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN 结 正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP 型支持衬底第18页，本讲稿共63页第19页，本讲稿共63页2.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性一、一、PN 结的伏安方程结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当当 T=300(27 C)：UT =26 mV第20页，本讲稿共63页二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特性正向特性Uth死区电压iD=0Uth=0.5 V 0.1 V(硅管硅管)(锗管锗管)U UthiD 急剧上升急剧上升0 U Uth
10、 UD(on)=(0.6 0.8)V硅管硅管 0.7 V(0.1 0.3)V锗管锗管 0.2 V反向特性反向特性ISU(BR)反反向向击击穿穿U(BR)U 0 iD=IS 0.1 A(硅硅)几十几十 A(锗锗)U U(BR)反向电流急剧增大反向电流急剧增大(反向击穿反向击穿)第21页，本讲稿共63页反向击穿类型：反向击穿类型：电击穿电击穿热击穿热击穿反向击穿原因反向击穿原因：齐纳击穿齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压击穿电压 6 V，正，正温度系数温度系数)击穿电压在击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。左右时，温度
11、系数趋近零。第22页，本讲稿共63页硅管的伏安特性硅管的伏安特性锗管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.20.4 25 50510150.010.020第23页，本讲稿共63页温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响iD/mAT 升高时，升高时，UD(on)以以(2 2.5)mV/C 下降下降604020 0.0200.42550uD/V20C90C第24页，本讲稿共63页2.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.IF 最大整流电流最大整流电流(最大正向平均电流最大正向平均电流)2.URM 最高反向
12、工作电压最高反向工作电压，为为 U(BR)/2 3.IR 反向电流反向电流(越小单向导电性越好越小单向导电性越好)4.fM 最高工作频率最高工作频率(超过时单向导电性变差超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)I FURMO第25页，本讲稿共63页影响工作频率的原因影响工作频率的原因 PN 结的电容效应结的电容效应 结论：结论：1.低频低频时，因结电容很小，对时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。结影响很小。高频高频时，因容抗增大，使时，因容抗增大，使结电容分流结电容分流，导致导致单向单向 导电性变差。导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。结面积小时结电容小，工作频率高。第26页，
13、本讲稿共63页2.4二极管基本电路二极管基本电路 及其分析方法及其分析方法2.4.1 理想二极管及二极管理想二极管及二极管 特性的折线近似特性的折线近似2.4.2 图解法和微变等效电路法图解法和微变等效电路法第27页，本讲稿共63页2.4.1 理想二极管及二极管特性的折线近似理想二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0；反偏截止，；反偏截止，iD=0 U(BR)=第28页，本讲稿共63页二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.2 V(Ge)
14、第29页，本讲稿共63页三、二极管的折线近似模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率斜率1/rDrD1UD(on)第30页，本讲稿共63页第31页，本讲稿共63页UD(on)例例 1 硅硅二二极极管管，R=2 k，分分别别用用二二极极管管理理想想模模型型和和恒恒压压降降模模型型求求出出 VDD=2 V 和和 VDD=10 V 时时 IO 和和 UO 的值。的值。第32页，本讲稿共63页 解解 VDD=2 V 理想理想IO=VDD/R=2/2 =1(mA)UO=VDD=2 V恒压降恒压降UO=VDD UD(on)=2 0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2=0.65(mA
15、)VDD=10 V 理想理想IO=VDD/R=10/2=5(mA)恒压降恒压降UO=10 0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD 大，大，采用理想模型采用理想模型VDD 小，小，采用恒压降模型采用恒压降模型第33页，本讲稿共63页例例2 试求电路中电流试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压和输出电压 UO 的值的值。解：解：假设二极管断开假设二极管断开UP=15 VUP UN二极管导通二极管导通等效为等效为 0.7 V 的恒压源的恒压源 PN第34页，本讲稿共63页UO=VDD1 UD(on)=15 0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3 =4.8(m
16、A)I2=(UO VDD2)/R=(14.3 12)/1 =2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)第35页，本讲稿共63页例例 3 二二极极管管构构成成“门门”电电路路，设设 V1、V2 均均为为理理想想二二极极管管，当当输输入入电电压压 UA、UB 为为低低电电压压 0 V 和和高高电电压压 5 V 的不同组合时，求输出电压的不同组合时，求输出电压 UO 的值。的值。0 V正偏正偏导通导通5 V正偏正偏导通导通0 V第36页，本讲稿共63页输入电压理想二极管输出电压UAUBV1V20 V0 V反偏反偏导通导通反偏反偏导通导通0 V0 V5 V正偏正偏导通导通反偏反偏截
17、止截止0 V5 V0 V反偏反偏截止截止正偏正偏导通导通0 V5 V5 V正偏正偏导通导通正偏正偏导通导通5 V第37页，本讲稿共63页例例 4 画出硅二极管构成的桥式整流电路在画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sin t(V)作用下输出作用下输出 uO 的波形。的波形。(按理想模型按理想模型)Otui/V15RLV1V2V3V4uiBAuO第38页，本讲稿共63页OtuO/V15若若有有条条件件，可可切切换换到到 EWB 环环境境观观察察桥桥式式整流波形。整流波形。第39页，本讲稿共63页例例 5 ui=2 sin t(V)，分析二极管的限幅作用。，分析二极管的限幅作用。ui 较小，
18、宜采用恒压降模型较小，宜采用恒压降模型ui 0.7 VV1、V2 均截止均截止uO=uiuO=0.7 Vui 0.7 VV2 导通导通 V截止截止ui 0.7 VV1 导通导通 V2 截止截止 uO=0.7 V第40页，本讲稿共63页思考题思考题:V1、V2 支支路路各各串串联联恒恒压压源源，输出波形如何？输出波形如何？(可可切至切至 EWB)OtuO/V0.7Otui/V2 0.7第41页，本讲稿共63页2.4.2 图解法和微变等效电路法图解法和微变等效电路法一、二极管电路的直流图解分析一、二极管电路的直流图解分析 uD=VDD iDRiD=f(uD)1.2 V100 iD/mA128400
19、.30.6uD/V1.20.9MN直流负载线斜率斜率 1/R静态工作点静态工作点斜率斜率1/RDiDQIQUQ第42页，本讲稿共63页也可取也可取 UQ=0.7 VIQ=(VDD UQ)/R=5(mA)二极管直流电阻二极管直流电阻 RD第43页，本讲稿共63页iD/mAuD/VO二、交流图解法二、交流图解法电路中含直流和小信号交流电源时电路中含直流和小信号交流电源时,二极管中二极管中含交、直流含交、直流成分成分C 隔直流隔直流 通交流通交流当当 ui=0 时时iD=IQUQ=0.7 V(硅硅)，0.2 V(锗锗)设设 ui=sin tVDDVDD/RQIQwtOuiUQ斜率斜率1/rd第44页
20、，本讲稿共63页iD/mAuD/VOVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD/mAwtOid斜率斜率1/rdrd=UT/IQ=26 mV/IQ当当 ui 幅度较小时，幅度较小时，二极管伏安特性在二极管伏安特性在Q点附近近似为直线点附近近似为直线第45页，本讲稿共63页uiudRidrd三、微变等效电路分析法三、微变等效电路分析法对于交流信号对于交流信号电路可等效为电路可等效为例例 6 ui=5sin t(mV)，VDD=4 V，R=1 k，求求 iD 和和 uD。解解 1.静态分析静态分析令令 ui=0，取，取 UQ 0.7 VIQ=(VDD UQ)/R=3.3 mA第46页，本讲稿共63页2
21、.动态分析动态分析rd=26/IQ=26/3.3 8()Idm=Udm/rd=5/8 0.625(mA)id=0.625 sin t3.总电压、电流总电压、电流=(0.7+0.005 sin t)V=(3.3+0.625 sin t)mA第47页，本讲稿共63页2.5特殊二特殊二极管极管2.5.1 稳压二极管稳压二极管2.5.2 光电二极管光电二极管第48页，本讲稿共63页2.5.1 稳压二极管稳压二极管一、伏安特性一、伏安特性符号符号工作条件：工作条件：反向击穿反向击穿iZ/mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性特性第49页，本讲稿共63页二、主要参数二、主要参数1.稳
22、定电压稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。两端的反向电压值。2.稳定电流稳定电流 IZ 越大稳压效果越好，越大稳压效果越好，小于小于 Imin 时不稳压。时不稳压。3.最大工作电流最大工作电流 IZM 最大耗散功率最大耗散功率 PZMP ZM=UZ IZM4.动态电阻动态电阻 rZrZ=UZ/IZ 越小稳压效果越好。越小稳压效果越好。几几 几十几十 第50页，本讲稿共63页5.稳定电压温度系数稳定电压温度系数 CT一般，一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0(为雪崩击穿为雪崩击穿)具有正温度系数；具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小
23、。很小。第51页，本讲稿共63页例例 1 分析简单稳压电路的工作原理，分析简单稳压电路的工作原理，R 为限流电阻。为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UI IR RUIUORRLILIRIZ第52页，本讲稿共63页2.5.2 发光二极管与光敏二极管发光二极管与光敏二极管一、发光二极管一、发光二极管 LED(Light Emitting Diode)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特性特性第53页，本讲稿共63页2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：I FM，U(BR)，I
24、R光学参数：光学参数：峰值波长峰值波长 P，亮度亮度 L，光通量光通量 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54页，本讲稿共63页第55页，本讲稿共63页二、光敏二极管二、光敏二极管1符号和特性符号和特性符号符号特性特性uiO暗电流E=200 lxE=400 lx工作条件：工作条件：反向偏置反向偏置2.主要参数主要参数电学参数：电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照
25、片实物照片第56页，本讲稿共63页补充：补充：选择二极管限流电阻选择二极管限流电阻步骤：步骤：1.设定工作电压设定工作电压(如如 0.7 V；2 V(LED)；UZ)2.确定工作确定工作电流电流(如如 1 mA；10 mA；5 mA)3.根据欧姆定律求电阻根据欧姆定律求电阻 R=(UI UD)/ID(R 要选择标称值要选择标称值)第57页，本讲稿共63页小 结第第 1 章章第58页，本讲稿共63页一、两种半导体和两种载流子一、两种半导体和两种载流子两种载流两种载流子的运动子的运动电子电子 自由电子自由电子空穴空穴 价电子价电子两两 种种半导体半导体N 型型 (多电子多电子)P 型型 (多空穴多
26、空穴)二、二、二、二、二极管二极管1.1.特性特性特性特性 单向单向导电导电导电导电正向电阻小正向电阻小(理想为理想为 0)，反向电阻大反向电阻大()。第59页，本讲稿共63页iDO uDU(BR)I FURM2.2.主要参数主要参数主要参数主要参数正向正向 最大平均电流最大平均电流 IF反向反向 最大反向工作电压最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿超过则击穿)反向饱和电流反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响受温度影响)IS第60页，本讲稿共63页3.二极管的等效模型二极管的等效模型理想模型理想模型 (大信号状态采用大信号状态采用)uDiD正偏导通正偏导通 电压降为零电压降为零 相当于
27、理想开关闭合相当于理想开关闭合反偏截止反偏截止 电流为零电流为零 相当于理想开关断开相当于理想开关断开恒压降模型恒压降模型UD(on)正偏电压正偏电压 UD(on)时导通时导通 等效为恒压源等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.6 0.8)V估算时取估算时取 0.7 V硅管：硅管：锗管：锗管：(0.1 0.3)V0.2 V折线近似模型折线近似模型相当于有内阻的恒压源相当于有内阻的恒压源 UD(on)第61页，本讲稿共63页4.二极管的分析方法二极管的分析方法图解法图解法微变等效电路法微变等效电路法5.特殊二极管特殊二极管工作条件工作条件主要用途主要用途稳压二极管稳压二极管反反 偏偏稳稳 压压发光二极管发光二极管正正 偏偏发发 光光光敏二极管光敏二极管反反 偏偏光电转换光电转换第62页，本讲稿共63页作业：作业：P60 2.4.3 P60 2.4.3 P60 2.4.6 P60 2.4.6第63页，本讲稿共63页