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1、模电半导体二极管及其基本(jbn)电路第一页，共56页。1.1半导体的半导体的基础知识基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质(zzh)半导体1.1.3PN结第1页/共56页第二页，共56页。半导体的特点(tdin)1.热敏性：半导体的导电能力(nngl)与温度有关利用该特性可做成热敏电阻2.光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关系利用该特性(txng)可做成光敏电阻3.掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导电能力利用该特性可做成半导体器件第2页/共56页第三页，共56页。1.1.1本征半导体半导体 导电(dodin)能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体 纯净(chnjng)的半导体
2、。如硅、锗单晶体。第3页/共56页第四页，共56页。硅(锗)的原子结构简化(jinhu)模型 惯性核价电子(束缚电子)1、半导体的原子结构第4页/共56页第五页，共56页。2、本征半导体的晶体结构硅(锗)的共价键结构(jigu)共价键 相邻原子共有(n yu)价电子所形成的束缚。第5页/共56页第六页，共56页。3、本征半导体的导电(dodin)情况自由电子空穴空穴空穴(kn xu)可在共价键内移动当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体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(chngwi)自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)第6页/共56页第七页，共56页。本征激发本征激发
3、(jf)(jf)：复 复 合：合：自由电子和空穴在运动(yndng)中相遇重新结合成对消失的过程。漂 漂 移：移：自由电子(zyudinz)和空穴在电场作用下的定向运动。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，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。载流子 载流子：自由与动的带电粒子第7页/共56页第八页，共56页。两种载流子电子(dinz)(自由电子(dinz)空穴(knxu)两种载流子的运动(yndng)自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动结论：1.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导电；3.本征半导体导
4、电能力弱，并与温度有关。第8页/共56页第九页，共56页。1.1.2杂质(zzh)半导体一、N型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子(yunz)自由电子(zyudinz)电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数第9页/共56页第十页，共56页。二、P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子(yunz)空穴(knxu)空穴(kn xu)多子电子 少子载流子数 空穴数第10页/共56页第十一页，共56页。三、杂质半导体的导电(dodin)作用IIPINI=I P+I NN型半导体 I I NP型半导体I I P第11页/共56页第十二页，共56页。四、P型、N型半导体的简化(jinh
5、u)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P型：N型：第12页/共56页第十三页，共56页。1.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成(xngchng)1.载流子的浓度差引起多子(duz)的扩散2.复合(fh)使交界面形成空间电荷区产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子的扩散促进少子产生漂移内建电场此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流第13页/共56页第十四页，共56页。3.继续(jx)扩散和漂移达到动态平衡扩散电流(dinli)等于漂移电流(dinli)，总电流(dinli)I=0。二、PN结的单向导电性1）.外加正向电压(正向偏置)forwardbias
6、此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）1.定性分析第14页/共56页第十五页，共56页。P区 N区内电场(dinchng)外电场(dinchng)外电场使多子向PN结移动(ydng),中和部分离子使空间电荷区变窄。I F限流电阻扩散运动加强形成正向电流IF。IF=I多子I少子 I多子2）.外加反向电压(反向偏置)reversebiasP区 N区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。I RPN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。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子 0第15页/共56页第十六页，共56页。2、定量(dnglin
7、g)估算反向(fnxin)饱和电流温度的电压(diny)当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27 C)：U T=26mV加正向电压时加反向电压时iIS第16页/共56页第十七页，共56页。3、伏安(fn)特性Ou/VI/mA反向(fnxin)击穿正向(zhnxin)特性第17页/共56页第十八页，共56页。1.2半导体二半导体二极管极管1.2.1半导体二极管的结构(jigu)和类型1.2.2二极管的伏安(fn)特性1.2.3二极管的主要参数第18页/共56页第十九页，共56页。1.2.1半导体二极管的结构(jigu)和类型构成(guchng)：PN结+引线(ynxin)+管壳=二极管(Dio
8、de)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型第19页/共56页第二十页，共56页。点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20页/共56页第二十一页，共56页。第21页/共56页第二十二页，共56页。1.2.2二极管的伏安(fn)特性一、PN结的伏安(fn)方程反向(fnxin)饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27 C)：U T=26mV第22页/共56页第二十三页，共56页。二、二极管的伏安(fn)
9、特性OuD/ViD/mA正向(zhnxin)特性U th死区电压(diny)i D=0U th=0.5V0.1V(硅管)(锗管)U U th i D 急剧上升0 U U th U D(on)=(0.6 0.8)V硅管0.7V(0.1 0.3)V锗管0.2V反向特性I SU(BR)反向击穿U(BR)U 0 i D=I S 0.1 A(硅)几十 A(锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)第23页/共56页第二十四页，共56页。反向(fnxin)击穿类型：电击穿(jchun)热击穿反向击穿(jchun)原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 6V，正温度
10、系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。第24页/共56页第二十五页，共56页。硅管的伏安(fn)特性 锗管的伏安(fn)特性6040200.020.040 0.40.825 50iD/mAuD/ViD/mAuD/V0.2 0.425 50510150.010.020第25页/共56页第二十六页，共56页。温度(wnd)对二极管特性的影响6040200.020 0.42550iD/mAuD/V20 C90 CT 升高(shn o)时，UD(on)以(2 2.5)mV/C 下降(xijing)第26页/共56页第二十七页，共56页。1.2.3二极管的主要参数1.IF最大整流电流(dinli)
11、(最大正向平均电流(dinli)2.URM最高反向(fnxin)工作电压，为 U(BR)/23.IR反向(fnxin)电流(越小单向导电性越好)4.f M 最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO第27页/共56页第二十八页，共56页。影响(yngxing)工作频率的原因 PN结的电容(dinrng)效应结论：1.低频时，因结电容很小，对 PN结影响很小。高频时，因容抗(rnkn)增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。第28页/共56页第二十九页，共56页。1.31.3二极二极管的模型管的模型(mxng)(mxng)1.3.1理想
12、(lxing)二极管模型1.3.二极管恒压源模型(mxng)1.3.二极管的交流小信号模型第29页/共56页第三十页，共56页。1.3.1理想(lxing)二极管模型特性(txng)uDiD符号(fho)及等效模型S S正偏导通，u D=0；反偏截止，i D=0 U(BR)=第30页/共56页第三十一页，共56页。u D=U D(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)1.3.1二极管的恒压降模型(mxng)第31页/共56页第三十二页，共56页。1.3.二极管的交流小信号(xnho)模型图解法第32页/共56页第三十三页，共56页。公式 公式(gngsh)(gngsh)法：法：第33页/共56
13、页第三十四页，共56页。1.41.4半导体二极管的应用半导体二极管的应用(yngyng)(yngyng)二极管在电路中有着 二极管在电路中有着(yuzhe)(yuzhe)广泛的应用，利用它 广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可 的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。做元件保护以及在数字电路中作为开关元件等。1.4.1二极管在限幅电路(dinl)中的应用限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路三种。1.串联限幅电路第34页/共56页第三十五页，共56页。E 0时传输(chunsh)特性电路(d
14、inl)组成第35页/共56页第三十六页，共56页。E 0 时输出(shch)波形 E=0 时输出(shch)波形 E 0 时输出(shch)波形工作原理第36页/共56页第三十七页，共56页。2.并联(bnglin)限幅电路第37页/共56页第三十八页，共56页。3.双向限幅电路(dinl)第38页/共56页第三十九页，共56页。1.4.2 1.4.2二极管在整流电路 二极管在整流电路(dinl)(dinl)中的应用 中的应用1.单相(dnxin)半波整流电路第39页/共56页第四十页，共56页。2.全波整流(zhngli)电路第40页/共56页第四十一页，共56页。1.5特殊(tsh)二极
15、管1.5.1稳压(wny)二极管1.5.2光电二极管第41页/共56页第四十二页，共56页。1.5.1稳压(wny)二极管一、伏安(fn)特性符号(fho)工作条件：反向击穿iZ/mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性第42页/共56页第四十三页，共56页。二、主要参数1.稳定电压UZ流过规定(gudng)电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定(wndng)电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流(dinli)IZM最大耗散功率PZMP ZM=U Z I ZM4.动态电阻r Zr Z=U Z/I Z越小稳压效果越好。几 几十 第43页/共56页第四
16、十四页，共56页。5.稳定电压温度(wnd)系数CT一般(ybn)，UZ 4 V，CTV 7V，C TV 0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4VU Z 7V，C TV 很小。第44页/共56页第四十五页，共56页。例1.5.1分析简单稳压(wny)电路的工作原理，R为限流电阻。I R=I Z+I LU O=U I I R RU I U ORRLILIRIZ第45页/共56页第四十六页，共56页。1.5.2发光(fun)二极管与光敏二极管一、发光(fun)二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号(fho)和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十 mA，导通电压(1 2)V符号u
17、/Vi/mAO2特性第46页/共56页第四十七页，共56页。2.主要参数电学参数(cnsh)：IFM，U(BR)，IR光学参数(cnsh)：峰值波长 P，亮度 L，光通量 发光(fun)类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,第47页/共56页第四十八页，共56页。第48页/共56页第四十九页，共56页。二、光敏二极管1符号(fho)和特性符号(fho)特性(txng)uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片第49页/共56页第五十页，共5
18、6页。补充：选择(xunz)二极管限流电阻步骤(bzhu)：1.设定(shdn)工作电压(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确定工作电流(如1mA；10mA；5mA)3.根据欧姆定律求电阻R=(U I U D)/I D(R 要选择标称值)第50页/共56页第五十一页，共56页。小 结第 1 章第51页/共56页第五十二页，共56页。一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动(yndng)电子(dinz)自由电子(zyudinz)空穴价电子两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二、二极管1.1.特性 特性 单向导电 导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。第52页/共56页第五十三页
19、，共56页。iDO uDU(BR)IFURM2.2.主要参数 主要参数正向最大平均(pngjn)电流IF反向(fnxin)最大反向(fnxin)工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流I R(I S)(受温度影响)IS第53页/共56页第五十四页，共56页。3.二极管的等效(dnxio)模型理想模型(大信号(xnho)状态采用)uDiD正偏导通电压(diny)降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开恒压降模型U D(on)正偏电压 UD(on)时导通等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开U D(on)=(0.6 0.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.1 0.3)V 0.2V折线近似模型相当于有内阻的恒压源UD(on)第54页/共56页第五十五页，共56页。4.二极管的应用(yngyng)限幅整流(zhngli)5.特殊(tsh)二极管工作条件 主要用途稳压二极管反偏稳压发光二极管 正偏发光光敏二极管反偏光电转换第55页/共56页第五十六页，共56页。