半导体二极管及其应用电路课件

書式設定, 書式設定,第,2,第,3,第,4,第,5,*,半导体二极管及其应用电路,主要内容：,1.1 半导体的基础知识,1.2 半导体二极管,1.3 特殊二极管,1.4 半导体二极管的应用,1.5 小结,1.1 半导体基础知识,1.1.1 半导体的导电特性,1.1.2,PN,结,1.1.1 半导体的导电特性,自然界中的各种物质按其导电性,能的不同可划分为：导体、半导体和,绝缘体。半导体的导电性能介于导体,和绝缘体之间,.,常见的半导体材料是,硅,(Si),和,锗,(,Ge,),它们都是,+4,价元素,.,硅的热稳定性比锗好,.,1.1.1 半导体的导电特性,一、,半导体的特点,1.,热敏性,2.,光敏性,3.,掺杂性,温度、光照、是否掺入杂质元素这三方面对半导体导电性能强弱影响很大。当半导体温度升高、光照加强、掺入杂质元素，其导电能力将大大增强。,1.1.1 半导体的导电特性,二、本征,半导体,半导体按其是否掺入杂质来划分，,又可分为：本征半导体和杂质半导体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶,体称为本征半导体。,在绝对,0K,（,-273,o,C,），本征半导体基本不导电。,1.1.1 半导体的导电特性,（1）本征半导体的原子结构及共价键,共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。,价电子,4,4,4,4,4,4,4,4,4,4,共价键的两,个价电子,1.1.1 半导体的导电特性,（2）本征激发现象,当温度升高或受光照射时，共价键中的价电子获得足够能量，从共价键中挣脱出来，变成自由电子；同时在原共价键的相应位置上留下一个空位，这个空位称为空穴,电子,-,空穴对,就形成了,.,自由电子,a,b,c,4,4,4,4,4,4,4,4,4,共价键的两个价电子,空穴,1.1.1 半导体的导电特性,在外电场或其他能源的作用下，邻近的价电子和空穴产生相对的填补运动。这样，电子和空穴就产生了相对移动，它们的运动方向相反，而形成的电流方向是,一致,的。,由此可见，本征半导体中存在两种载流子：,自由电子和空穴,，而导体中只有一种载流子：自由电子，这是半导体与导体的一个本质区别,。,硼原子,+4,+4,+4,+4,+3,+4,+4,+4,+4,1.1.1 半导体的导电特性,三、杂质半导体,在本征半导体中加入,微量,杂质，可使其导电性能显著改变。根据掺入杂质的性质不同，杂质半导体分为两类：,电子型（,N,型）半导体和空穴型（,P,型）半导体。,（1）,P,型半导体,-,掺入,微量的,三价,元素（如硼）,1.1.1 半导体的导电特性,因此,+3,价元素原子获得一个电子,成为一个不能移动的负离子，而半导体仍然呈现电中性。,P,型半导体的特点：,多数载流子为空穴；,少数载流子为自由电子。,1.1.1 半导体的导电特性,（,2,）,N,型半导体,-,掺入,微量的,五价,元素,(,如磷,),N,型半导体,:,多子,-,自由电子,少子,-,空穴,磷原子,4,4,4,4,5,4,4,4,4,自由电子,1.1.1 半导体的导电特性,注意：,杂质半导体中的多数载流子的浓度与掺杂浓度有关；而少数载流子是因本征激发产生，因而其浓度与掺杂无关，只与温度等激发因素有关,.,P,区,N,区,1.1.,2 PN,结,一,PN,结的形成,在一块本征半导体的两边,分别形,成,P,型和,N,型半导体,在两种载流子交界,处会出现载流子的相对运动,.,扩散运动,-,多数载流子因浓度上的,差异而形成的运动,.,1.1.,2 PN,结,扩散的结果使,P,区和,N,区原来的电中性被破坏，在交界面靠近,P,区一侧留下了不能移动的负离子，靠近,N,区一侧留下了等量的正离子。,P,区和,N,区交界面两侧形成的正、负离子薄层，称为,空间电荷区,其中无载流子。,由于空间电荷区的出现，建立了,PN,结的内电场。,漂移运动,-,内电场的作用使载流子发生的运动,.,P,区,N,区,空间电荷区,(,耗尽区,势垒区,),内电场,1.1.,2 PN,结,当扩散和漂移两种相反作用的运动达到,动态平衡,时，形成的稳定空间电荷区就叫做,PN,结,。,P,区,N,区,PN,结,1.1.,2 PN,结,二,PN,结的单向导电性,（1）外加正向电压,正偏,当,PN,结加上正向电压，即,P,区接电源正极,(,高电位,),，,N,区接电源负极,(,低电位,),。此时，称,PN,结加正向偏置电压，简称“,正偏,”,.,变薄,空穴,(,多数,),电子,(,多数,),R,外电场,内电场,I,F,N,P,1.1.,2 PN,结,正偏时由于,PN,结变薄,空间电荷区消失,(,外加电场足够大,),能导电的区域增大,因此,PN,结呈现出的,正向电阻小,流过的正向电流大,.,因此,PN,结,正偏导通,.,1.1.,2 PN,结,（,2,）外加反向电压,反偏,当,PN,结加上反向电压，即,P,区接电源负极,(,低电位,),，,N,区接电源正极,(,高电位,),。此时，称,PN,结加反向偏置电压，简称“,反偏,”,.,N,P,变 厚,I,R,0,R,外电场,内电场,电子,(,少数,),空穴,(,少数,),1.1.,2 PN,结,反偏时由于,PN,结变厚,不能导电的区域增大,因此,PN,结呈现出的反向电阻很大,流过的反向电流很小,基本为,0.,因此,PN,结反偏截止,.,PN,结的单向导电性,:,正偏导通,反偏截止,1.1.,2 PN,结,三,.PN,结的反向击穿特性,反向击穿,:,当,PN,结的反偏电压增加到某一数值时，反向电流急剧增大的现象。,PN,结的击穿现象有下列两类,：,(1),热击穿,:,不可逆,应避免,(2),电击穿,:,可逆,又分为,雪崩,击穿,和,齐纳,击穿,.,1.1.,2 PN,结,(1),雪崩击穿,当反向电压足够高时（一般,U6V,）,PN,结中内电场较强，使参加漂移的载流子加速，与中性原子相碰，使之价电子受激发产生新的电子空穴对，又被加速，而形成连锁反应，使载流子剧增，反向电流骤增。这种形式的击穿称为雪崩击穿,.,1.1.,2 PN,结,(2),齐纳击穿,对掺杂浓度高的半导体，,PN,结的,耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压,（,U4V,），耗尽层可获得很大的场强，,足以将价电子从共价键中拉出来，而获,得更多的电子空穴对，使反向电流骤增。,1.1半导体基础知识小结,本征半导体中，电子与空穴总是成对出现。,杂质半导体有：,P,型和,N,型。,P,型半导体中，多子是空穴，少子是电子；,N,型半导体中，多子是电子，少子是空穴。,在,P,型和,N,型半导体交界处形成的空间电荷区就是,PN,结,其主要特性是单向导电性,正偏导通,反偏截止,.,1.,2,半导体二极管,1.2.1 二极管的结构及其在电路中的代表符号,1.2.2 二极管的伏安特性曲线,1.2.3 二极管的主要参数,1.2.4 二极管的命名,1.2.5 二极管的判别,1.,2.1,二极管的结构及符号,二极管本质上就是一个,PN,结,.,它在电路中的代表符号和,PN,结是 相同的,:,P,极,N,极,P,极又称为阳极、正极,N,极又称为阴极、负极,1.,2.1,二极管的结构及符号,根据制造结构不同,常见的二极管有点接触型,面接触型和平面型,.,(a),点接触型,(b),面接触型,(c),平面型,1.,2.1,二极管的结构及符号,另外,按材料不同可分为：锗二极管、硅二极管。其中，硅二极管的热稳定性比锗二极管的热稳定性要好的多。,按用途不同可分为：普通二极管、整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、光电二极管等。,1.,2.2,二极管的,V-I,特性,伏安特性是指二极管两端的电压,u,与流过二极管电流,i,的关系。,一正向特性,指二极管正偏时的,V-I,特性,如图中红色曲线所示。,iv,/,mA,0.2 0.4 0.6 0.8,-,V,（,BR,）,硅,锗,二极管伏安特性曲线,1.,2.2,二极管的,V-I,特性,正向特点,:,正向电压较小时,不足以使二极管导通, i=0,此时的,V-I,曲线对应区域称为死区,正向电压逐渐增大,二极管开始导通,此时的电压成为门坎电压,U,th,硅管,U,th,=0.5V,锗管,U,th,=0.1V,当正向电压继续增大,二极管完全导通,.,导通后两端电压基本为,定值,称为二极管的,正向导通压降,V,D,硅管,V,D,=0.7V,锗管,V,D,=0.3V,1.,2.2,二极管的,V-I,特性,二反向特性,指二极管反偏时的,V-I,特性,如图中绿色曲线所示。,二极管外加反向电压时，反向电流很小（,I-IS），,而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流值为二极管的反向饱和电流。,iv,/,mA,0.2 0.4 0.6 0.8,-,V,（,BR,）,硅,锗,二极管伏安特性曲线,1.,2.2,二极管的,V-I,特性,三二极管的等效电路模型,（1）理想电路模型,反偏时，反向电流近似为零，相当于开关断开（开路,).,-,u,+,正偏时，其管压降为0,.7V，,忽略后相当于开关闭合（短路）,.,+ u -,1.,2.2,二极管的,V-I,特性,（,2,）恒压降模型,反偏时，反向电流近似为零，相当于开关断开（开路,).,-,u,+,正偏时，管压降为,V,D,不做忽略,正向电阻小近似为,0,相当于一个大小为,V,D,方向从,P,到,N,的电压源,.,+ u - + V,D,-,1.,2.3,二极管的主要参数,器件的参数是对其特性的定量描述,是正确使用和合理选择器件的依据,.,一、二极管的直流参数,（1）最大整流电流,I,FM,（2）最高反向工作电压,U,RM,（3）反向电流,I,R,（4）直流电阻,R,D,1.,2.3,二极管的主要参数,二、二极管的交流参数,（1）交流电阻,r,d,交流电阻,r,d,是工作点,Q,附近电压与电流的变化量之比，即 ：,1.,2.3,二极管的主要参数,（2）结电容,Cj,PN,结的结电容,Cj,由两部分组成：势垒电容,C,B,和扩散电容,C,D,。,势垒电容,C,B,势垒电容的影响主要表现在反向偏置状态时。,扩散电容,C,D,该等效电容是由载流子的扩散运动随外电压的变化引起的,.,1.,2.3,二极管的主要参数,（3）最高工作频率,f,M,二极管的最高工作频率,f,M,主要由结电容的大小来决定。,若工作频率超过了最高工作频率,f,M,，,则二极管的单向导电性变坏。,1.,2.4,二极管的命名,我国国产半导体器件的命名方法采用国家,GB249-74,标准。,1.,2.4,二极管的命名,1.,2.5,二极管的检测与判别,一、判别方法：,识别法：,通过二极管管壳上的符号、标志来识别,.,例如有标记的一端一般为,N,极,.,检测法：,用万用表的欧姆档，量程为,R100,或,R1k,档测量其正反向电阻,（一般不用,R1,档，因为电流太大；而,R10k,档的电压太高，管子有被击穿的危险）,.,1.,2.5,二极管的检测与判别,1.,2.5,二极管的检测与判别,二、检测法判别步骤,（1）二极管好坏的判别,若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管性能良好。,若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明二极管短路，已损坏。,若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明二极管断路，已损坏。,1.,2.5,二极管的检测与判别,（2）二极管正、负极性的判断,将万用表红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极。,1.,3,特殊二极管,1.3.1 硅稳压二极管,1.3.2 光电二极管和光电池,1.3.3 发光二极管,1.,3.1,硅稳压二极管,稳压二极管是一种特殊工艺制造的结面型硅二极管,通常工作在反向击穿状态,.,一、,V-I,特性和符号,1.,3.1,硅稳压二极管,二、稳压管的主要参数,（1）稳定电压,UZ,（2）最小稳定电流,IZmin,（3）最大稳定电流,IZmax,（4）额定功耗,PZ,（5）,动态电阻,rZ,（6）温度系数,z,1.,3.1,硅稳压二极管,三、稳压管的应用,常用的并联型稳压电路,:,如,:,u,i,u,o,I,Z,I,（=,I,Z,+,I,L,）,u,R,u,o,（=,u,i,u,R,）,基本不变,同理，当,u,i,一定，,RL,发生变化时，稳压管两,端的电压仍然基本保持,不变,从而起到稳压作,用,.,1.,3.2,光电二极管和光电池,一、光电二极管,光电二极管又称光敏二极管，可将光信号转换成电信号,.,它工作在反偏状态,反向电流与照度成正比,.,1.,3.2,光电二极管和光电池,光电二极管的简单使用,1.,3.2,光电二极管和光电池,二、光电池,硅光电池是一种将光能直接转换成电能的半导体器件，又叫太阳能电池。,光电池控制电路,当光电池,PC,1,、,PC,2,受到光照射而产生电势时，单向晶闸管,SK,导通，若开关,K,1,合，则此时便有,9,V,直流电压加于负载上,。,1.,3.3,发光二极管,一、发光二极管,发光二极管,LED,是一种将电能转换成光能的特殊二极管,常用作显示器件。,发光二极管的代表符号,1.,3.3,发光二极管,发光二极管应用电路（一 ）,1.,3.3,发光二极管,发光二极管应用电路（二,）,1.,4,半导体二极管的应用,1.4.1 整流电路,1.4.2 检波电路,1.4.3 限幅电路,1.4.4 钳位电路,1.,4.1,整流电路,将交流电转换成单向脉动直流电的过程,称为整流。,二极管半波整流电路,1.,4.2,检波电路,在接收机中，将低频信号从高频调制信,号中检取出来的过程，称为检波,.,基本工作原,理就是利用二极管的单向导电性和电容两,端的电压不能突变的特性。,1.,4.3,限幅电路,将输出电压的电平限制在预置的电平范,围内，用于限制输入信号的峰值，有选择地,传输一部分电压的电路，称为限幅电路,.,二极管限幅电路,1.,4.4,钳位电路,将输入信号的顶部或底部钳位于某一直流,电平上的电路，称为钳位电路,.,二极管钳位电路,1.,5,小结,一、半导体基础知识,1.,常用的半导体材料有硅、锗等。本征半导体的特点是电导率低，具有热敏性、光敏性、掺杂性等。而且掺杂性对导电性能影响很大。,2.,半导体的载流子有两种：自由电子和空穴，自由电子带负电，空穴带正电。,1.,5,小结,3.,杂质半导体的特点是电导率高。,杂质半导体有两种类型：,N,型半导体的多子是自由电子，少子是空穴；,P,型半导体的多子是空穴，少子是自由电子。,4.,多子的浓度与掺杂浓度有关，少子的浓度与温度等激发因素有关。,5.PN,结具有单向导电性，它是构成各种半导体器件的基础。,1.,5,小结,二、二极管的基本特性,1.,二极管的特点是：单向导电性。,2.,二极管的伏安特性是非线性关系。,3.,二极管的参数主要包括：性能参数和极限参数。,极限参数主要有,：,最高工作频率、最大允许反向工作电压、最大允许电流和额定耗散功率等。,1.,5,小结,三、二极管的应用,1.,二极管的应用主要是利用了二极管的单向导电性，是整流、检波、限幅、钳位等应用中的主要器件。,2.,判断二极管在电路是否导通的判断方法是：假设二极管从电路中断开，看二极管两端正向开路电压是否大于其导通电压。若正向电压大于其导通电压，则二极管接入后必将导通；反之，二极管接入后必将处于截止状态。,