二极管及其基本电路讲解课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,3.二极管及其基本电路,3.1半导体的基本知识,3.2PN结的形成及特性,3.3二极管,3.5特殊二极管,3.4二极管的基本电路及其分析方法,3.二极管及其基本电路 3.1半导体的基本知识3.2PN,3.1.1半导体材料,半导体的特点：,根据物体导电能力(电阻率)的不同，划分为导体、绝缘体和半导体。,半导体的电阻率为10,-3,10,9,cm。常用材料的半导体有,硅Si,和,锗Ge,以及,砷化镓GaAs,等。,导电能力不同于导体、绝缘体,3.1 半导体的基本知识,返回,导电能力在外界光和热的刺激时发生很大变化,光敏元件、热敏元件,掺进微量杂质，导电性能显著增加,各类半导体,3.1.1半导体材料半导体的特点： 根据物体导电能力(,原子按一定规律排列，形成晶体点阵后：,3.1.2半导体的共价键结构,用得最多的半导体材料是硅（Si)和锗（Ge)，它们都是四价元素，简化原子结构为：,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,共价键,原子按一定规律排列，形成晶体点阵后：3.1,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,载流子,可以自由移动的带电粒子,电导率与材料单位体积中载流子数有关，载流子浓度越高，电导率越高,返回,T0K,（K=273+,o,C)时，,本征半导体的价电子被共价键束缚，无载流子，不导电，相当于绝缘体。,T300K,（室温)或有外界刺激时，,本征半导体的价电子获得足够能量挣脱共价键的束缚，成为自由电子,本征激发,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征半导体完全纯,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,电子空穴对,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，这个空位为,空穴,。,自由电子,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为,电子空穴对,。,本征激发,或热激发,动画1-1,空穴,+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴对,动画1-2,返回,动画1-2返回,所以晶体中的载流子有两种：,自由电子、空穴,空穴,是带正电的粒子，与电子的电量相等符号相反。,本征半导体中，自由电子和空穴是成对出现的，任何时刻浓度相等，,n,i,=,P,i,，,只与温度有关,。,返回,复合自由电子可以与空穴复合形成新的填充的共价键,温度一定时，载流子的复合率等于产生率动态平衡,所以晶体中的载流子有两种：自由电子、空穴空穴是带正电的粒子，,3.1.4 杂质半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,1.N型半导体,（,电子型半导体,）,在本征半导体中掺入五价的元素,(,磷、砷、锑,),失去电子成为,稳定的正离子,+5,易成为自由电子,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素,。,掺入杂质的本征半导体称为,杂质半导体,。,返回,3.1.4 杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4+,1.,空穴数=本征激发的空穴数,2.所掺杂质称为施主杂质（或N型杂质、施主原子),3.自由电子浓度（n）=本征激发的自由电子浓度（p)+施主杂质自由电子浓度（N,D,）,4.,自由电子为多数载流子（多子）；空穴为少数载流子(少子）,在无外电场时，呈电中性,N型半导体的特点,1.空穴数=本征激发的空穴数N型半导体的特点,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+3,2.P型半导体（空穴型半导体）,在本征半导体中掺入三价的元素（硼）,得到电子成为不能,移动的负离子,返回,硅或锗原子的共价键缺,少一个电子形成了空穴,+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+32.P型,电子数=本征激发电子数；,所掺杂质称为受主杂质（或P型杂质、受主原子）；,总空穴浓度（p)=本征激发的空穴浓度（n)+受主杂质的浓度（N,A,）；,空穴为多数载流子（多子）， 电子为少数载流子(少子）；,在无外电场时，呈电中性,P型半导体的特点,电子数=本征激发电子数；P型半导体的特点,注意：,在本征半导体中掺入杂质（例如N型杂质），可提高多子（电子）的浓度，也使电子与空穴的复合几率增加，这样少子（空穴）的浓度会降低。,一定温度下，掺杂前后的电子空穴浓度的乘积为常数，即,因为,所以,注意：在本征半导体中掺入杂质（例如N型杂质），可提高多子（电,例：纯净硅，室温下，,n,i,=,P,i,=10,10,/cm,3,数量级,硅晶体中硅原子数为10,22,/cm,3,数量级,掺入百万分之一（10,-6,）的杂质，即杂质浓度为：10,22,10,6,10,16,/cm,3,若每个杂质给出一个载流子，则掺杂后的载流子浓度为：10,16,10,10,10,16,/cm,3,数量级,比掺杂前增加10,6,倍，即一百万倍！,掺入微量杂质，导电能力将很大提高,例：纯净硅，室温下，ni=Pi=1010/cm3数量级硅晶体,PN,结的形成及特性,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 载流子的漂移与扩散,3.2.2 PN结的形成,3.2.3 PN结的单向导电性,3.2.4 PN结的反向击穿,3.2.5 PN结的电容效应,返回,PN结的形成及特性3.2 PN结的形成及特性3.2.1 载流,3.2.1 载流子的漂移与扩散,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成,N,型半导体和,P,型半导体。,+,五价的元素,+,三价的元素,产生多余电子,产生多余空穴,返回,3.2.1 载流子的漂移与扩散在一块本征半导体两侧通过扩散不,动画1-3,返回,动画1-3返回,3.2.2,PN结的形成,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。,多子的扩散运动,由,杂质离子形成空间电荷区,3.2.2 PN结的形成 因浓度差空间电荷,PN结中的两种运动,返回,漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为,漂移运动,。,扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为,扩散运动,。,PN结中的两种运动返回漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动,返回,PN结的几种叫法,：,留下的是不能运动的离子,空间电荷区,。,多子都扩散到对方被复合掉了,耗尽层,。,形成的内电场阻止扩散运动,阻挡层,。,形成的内电场具有电位梯度，称接触电位差（很小）,势垒区,。,返回PN结的几种叫法：留下的是不能运动的离子空间电荷区。,3.2.3 PN结的单向导电性,1. PN结加正向电压正偏置,动画,返回,3.2.3 PN结的单向导电性 1. PN结加正向电压正,动画1-4,返回,动画1-4返回,形成正向电流,多子向PN结移动,空间电荷变窄内电场减弱,扩散运动大于漂移运动,PN结在外加正向电压时的情况,外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用,形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大,外加电压变化一点，势垒（电流）变化很多,低电阻特性,大的正向扩散电流,PN结正偏时的势垒情况,外加电压变化一点，势垒（电流）变化很多 低电阻特性PN结正偏,2.PN结加反向电压反偏置,2.PN结加反向电压反偏置,动画1-5,返回,动画1-5返回,形成,反向,电流,多子背离PN结移动,空间电荷区变宽,内电场增强,漂移运动大于扩散运动,PN结的外加反向电压时的情况,外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用,形成反向电流多子背离PN结移动空间电荷区变宽,内电场增强漂移,高电阻,很小的反向漂移电流,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，,这个电流也称为,反向饱和电流,。,PN结反偏时的势垒情况,高电阻 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度,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。,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,3.,PN结伏安特性的表达式,PN结,V,-,I,特性表达式,i,D,PN结电流,I,S,反向饱和电流,V,T,温度的电压当量,在常温下（,T,=300K）,n,发射系数，与PN结尺寸、材料等有关，12，一般取1,v,D,PN结外加电压,3. PN结伏安特性的表达式 PN结V-I 特性表达式iD,当二极管的PN结两端加反向电压时，,V,D,为负值，,V,D,比,V,T,大几倍，,返回,当二极管的PN结两端加正向电压时，,V,D,为正值，,V,D,比V,T,大几倍， ，,i,D,与,V,D,成指数关系。,当二极管的PN结两端加反向电压时，VD为负值，VD 比,3.2.4 PN结的反向击穿,当外加的反向电压大于一定的数值（,V,BR,：击穿电压）时，反向电流急剧增加 ，称为击穿。,3.2.4 PN结的反向击穿当外加的反向电压大于一定的数值（,雪崩击穿：,雪崩击穿和齐纳击穿,形成电子空穴对（碰撞电离）,通过PN结的少子获得能量大,与晶体中原子碰撞使共价键的束缚,电荷挣脱共价键,PN结反向高场强,载流子倍增效应,雪崩击穿：雪崩击穿和齐纳击穿形成电子空穴对（碰撞电离）通过P,齐纳击穿：,形成电子空穴对,直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉出来,PN结电场很大,很大反向电流,齐纳击穿需要很高的场强：210,5,V/cm,只有杂质浓度高，PN结窄时才能达到此条件齐纳二极管（稳压管）,齐纳击穿：形成电子空穴对直接将PN结中的束缚电荷从共价键中拉,电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,称为电击穿，是可逆的。即反压降低时,管子可恢复原来的状态。,热击穿:,若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率,则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿不可逆。,热击穿和电击穿,雪崩击穿、齐纳击穿可逆,电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的耗散功率时,电容：可存储、释放电荷（电场能量）的电器元件,介质,金属板,PN结具有电容效应，耗尽层电导率低，相当于介质；P、N型区相对来说电导率较高，相当于金属板,3.2.5 PN结的电容效应,电容：可存储、释放电荷（电场能量）的电器元件介质金属板 P,1. 扩散电容,C,D,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。当外加正向电压不同时，PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容充放电过程。,1. 扩散电容CD扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧,2 势垒电容,C,B,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 势垒电容CB势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。,考虑PN结的电容效应后，高频或开关状态时，等效为：,考虑PN结的电容效应后，高频或开关状态时，等效为：,3.3 二极管,3.3.1,二极管的结构,3.3.2,二极管的伏安特性,3.3.3,二极管的主要参数,3.3 二极管 3.3.1 二极管的结构 3.3.2 二极,3.3.1 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。二极管按结构分有,点接触型、面接触型,两大类。,(1) 点接触型二极管,(a),点接触型,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。,3.3.1 二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就,（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型,(2) 面接触型二极管,PN结面积大，用于低频、大电流整流电路。,（a）面接触型 （b,无论是点接触型、面接触型二极管，电路符号皆为：,无论是点接触型、面接触型二极管，电路符号皆为：,半导体二极管实物,半导体二极管实物,3.3.2 二极管的,V,-,I,特性,二极管的,V-I,特性曲线可用下式表示,锗二极管2AP15的,V,-,I,特性,硅二极管2CP10的,V,-,I,特性,3.3.2 二极管的V-I 特性二极管的V-I 特性曲线可,硅,管的,V,th,=0.5V,左右,锗,管的,V,th,=0.1V,左右,当,0,V,V,th,时，正向电流为零，,V,th,称死区电压或开启电压。,1.正向特性-分为两段：,当,V,V,th,时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。,返回,Si管与Ge管V-I特性的差异,硅,管正向导通压降约为,0.7V,锗,管正向导通压降约为,0.2,V,硅管的Vth=0.5V左右 当0VVth时，正向电,反向区也分两个区域：,当,V,BR,V,0,时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称,反向饱和电流,I,S,。,2.反向特性,返回,反向饱和电流：,硅管为纳安（10,9,）级,锗管为微安（10,6,）级,反向区也分两个区域：当VBRV0时，反向电流很小，且基本,管子反向击穿时的电压值。,管子长期运行时，允许通过的最大正向平均电流,(1) 最大整流电流,I,F,(2) 反向击穿电压,V,BR,(3) 反向电流,I,R,二极管未击穿时的反向电流。,I,R,越小，管子的单向导电性越好。,特性,：I,R,与温度有关，T,3.3.3 二极管的主要参数,表3.3.1,I,R,管子反向击穿时的电压值。管子长期运行时，允许通过的最大正向平,由于PN结的电容效应，当二极管外加电压极性变化时，特别是由正偏变为反偏时，其状态由正偏变为反偏，但翻转瞬间会有很大反向电流，需要恢复时间，才能达到反向截止状态。,图3.3.4,(5) 反向恢复时间T,RR,由于PN结的电容效应，当二极管外加电压极性变化时，特别,二极管的参数是正确使用二极管的依据，工程使用中，应特别注意最大整流电流和反向击穿电压这两个参数。,二极管的参数是正确使用二极管的依据，工程使用中，应,3.4,二极管的基本电路及其分析方法,3.4.1,简单二极管电路的图解分析方法,3.4.2,二极管电路的简化模型分析方法,3.4 二极管的基本电路及其分析方法 3.4.1 简单二极,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法,二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的,V,-,I,特性曲线。,3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法 二极管是一,例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的,V,-,I,特性曲线、电源,V,DD,和电阻,R,，求二极管两端电压,v,D,和流过二极管的电流,i,D,。,解：由电路的KVL方程，可得,即,是一条斜率为,-,1/,R,的直线，称为,负载线,Q,的坐标值（,V,D,，,I,D,）即为所求。,Q,点称为电路的,工作点,例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电,也可联解方程组：,复杂！,也可联解方程组： 复杂！,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法,1.二极管,V,-,I,特性的建模,（1）理想模型,正偏时：管压降为0，电阻也为0,。,反偏时：电流为0，电阻为,。,又称开关模型,3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I,（2）恒压降模型（i,D,1mA,时）,0.7V 硅管,0.2V 锗管,正偏时：,反偏时:,放大电路多用此模型,（2）恒压降模型（iD1mA时）0.7V 硅管正偏时：反,（3）折线模型,（硅二极管）,折线段：,正偏时：,反偏时:,（3）折线模型（硅二极管）折线段：正偏时：反偏时:,例1 二极管加正向电压,1.理想模型,R,=10k,V,DD,=10V ，,2.恒压模型,（硅二极管典型值）,3.折线模型,（硅二极管典型值）,二极管正偏置，形成直流电流,静态,，（V,D,，I,D,）为,静态工作点Q,（与例3.4.1比较）,例1 二极管加正向电压1.理想模型R=10kVDD=10V,（4）小信号模型,此电路可以看成静态（直流通路）动态（交流通路）：,（4）小信号模型此电路可以看成静态（直流通路）动态（交流通,v,s,=,V,m,sin,t,时（,V,m,V,DD,）, 将,Q,点附近小范围内的,V,-,I,特性线性化，得到小信号模型，即以,Q,点为切点的一条直线。,二极管,等效成一个微变电阻,即,vs =Vmsint 时（Vm,V,T,。,根据得Q点处的微变电导则常温下（T=300K） 特别注意：,例：图示电路中，,V,DD,= 10V，,R,= 10k,，恒压降模型的,V,D,=0.7V，,v,s,= 0.1sin,w,t,V。（1）求输出电压,v,O,的交流量和总量；（2）绘出,v,O,的波形。,此电路可以看成静态（直流通路）动态（交流通路）：,动态：,静态：,所以：,例：图示电路中，VDD = 10V，R = 10k，恒压降,注意1：二极管电路的求解实际上使用了叠加定理,实际上二极管电路是非线性电路，叠加定理是不成立的微变范围，折线代替了曲线工程近似。,注意2：电量的大小写有严格含义大写表示直流量，小写表示交流量，电量大写、下标小写表示混合量。,注意1：二极管电路的求解实际上使用了叠加定理实际上二极管电路,Multisim 仿真,li1,Multisim 仿真li1,如果此电路中交流信号源作为直流电源的扰动，关心的是二极管的压降：,动态：,静态：,即：二极管电压变化为,2.27mV，很小，几乎稳压在0.7V左右稳压,若,V,I,变化1V,，即峰峰值2V的任意波形交流信号，则：,3,4V以下，可用多只二极管串联低压稳压电路,如果此电路中交流信号源作为直流电源的扰动，关心的是二极管的压,Multisim 仿真,li2,Multisim 仿真li2,2模型分析法应用举例,1)整流电路,2模型分析法应用举例1)整流电路,3)限幅电路,电路如图，,R,= 1k，,V,REF,= 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当,v,I,= 6sin,t,V时，绘出相应的输出电压,v,O,的波形。,解：,（1）理想模型,（2）恒压降模型,3)限幅电路 电路如图，R = 1k，VREF,例：已知电路的输入波形为,v i ,二极管的,V,D,为0.6伏，试画出其输出波形。,解：,V,i, 3.6V时，二极管导通，,v,o,=,3.6V。,V,i,V,1,时，,D,1,导通、,D,2,截止，,V,o,=V,1,。,V,i,V,2,时，,D,2,导通、,D,1,截止，,V,o,=V,2,。,V,2,V,i,V1时，D1导通、D2截止，Vo=,解：,V,I,25V,，D1导通，D2截止。,V,I,137.5V，D1、D2均导通。,V,O,=25V,V,O,=100V,V,I,25V,75V,100V,25V,50V,100V,125V,V,O,50V,75V,150V,0,137.5,例：画出理想二极管电路的传输特性（,V,o,V,I,）。,解： VI25V,当,V,I,0时,D,1,截止,D,2,导通,0,V,I,V,O,- 5V,+5V,+5V,- 5V,+2.5V,-2.5V,例：画出理想二极管电路的传输特性,（,V,o,V,I,）。,当VI0时0VIVO- 5V+5V+5V- 5,正半周：,D1、D3 导通,D2、D4 截止,负半周,D2、D4导通,D1、D3截止,例：求整流电路的输出波形。,解：,正半周：负半周例：求整流电路的输出波形。解：,3.5 特殊二极管,3.5.1,齐纳二极管(稳压二极管),3.5.2,变容二极管,3.5.3,肖特基二极管,3.5.4,光电子器件,3.5 特殊二极管 3.5.1 齐纳二极管(稳压二极管),3.5.1 齐纳二极管,1. 符号及稳压特性,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。,3.5.1 齐纳二极管1. 符号及稳压特性 利用二极,(1) 稳定电压,V,Z,(2) 动态电阻,r,Z,在规定的稳压管反向工作电流,I,Z,下，所对应的反向工作电压。,r,Z,=,V,Z,/,I,Z,2. 稳压二极管主要参数,r,Z,愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。,工程实际使用中，常常忽略动态电阻r,Z,(1) 稳定电压VZ(2) 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即,P,Zmax,=,V,Z,I,Zmax,。而,I,zmin,对应,V,Zmin,。 若,I,Z,I,Zmin,则不能稳压。,(3)最大耗散功率,P,ZM,(4)最大稳定工作电流,I,Zmax,和最小稳定工作电流,I,Zmin,(5)稳定电压温度系数,V,Z,取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为,P,Z,=,V,Z,I,Z,，由,P,ZM,和,V,Z,可以决定I,ZM,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax,I,R,I,Z,I,o,R,L,I,o,I,R,V,R,I,Z,I,R,V,o,V,o,V,Z,V,R,3. 稳压电路,IR IZ IoRLIoIRVRIZIRVoVoVZVR3,例3.5.2,例3.5.2,3.5.2 变容二极管,（a）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,结电容随反向电压增加而减小,3.5.2 变容二极管（a）符号 （b）结电容与电压,3.5.3 肖特基二极管,金属半导体结二极管（表面势垒二极管）,特点1：电容效应小,特点2：正向门坎电压低,3.5.3 肖特基二极管金属半导体结二极管（表面势垒二极,3.5.4 光电子器件,1. 光电二极管,（a）符号 （b）电路模型 （c）特性曲线,反向电流与照度成正比,3.5.4 光电子器件1. 光电二极管 （a）符号,2. 发光二极管,符号,光电传输系统,正向导通时发光,电信号光信号光缆传输电信号,2. 发光二极管符号光电传输系统 正向导通时发光电信号光信,3. 激光二极管,（a）物理结构 （b）符号,3. 激光二极管（a）物理结构 （b）符号,第三章小结,半导体在本征激发后具有导电性能，载流子浓度与温度有关；,P型半导体中多子为空穴，少子为电子； N型半导体中多子为电子，少子为空穴；,PN结具有单相导电性；,第三章小结半导体在本征激发后具有导电性能，载流子浓度与温度有,二极管的三种模型,正向偏置时：,管压降为0，电阻也为0,。,反向偏置时：,电流为0，电阻为,。,当,i,D,1,m,A,时，,v,D,=0.7V（硅）,v,D,=0.2V（锗）,1. 理想模型,2. 恒压降模型,二极管的三种模型正向偏置时：反向偏置时：当iD1mA时，,3. 折线模型,（实际模型）,3. 折线模型（实际模型）,二极管的小信号模型,静态工作点Q上小信号工作范围时，二极管等效为动态电阻,二极管的小信号模型静态工作点Q上小信号工作范围时，二极管等效,第三章习题常见类型,半导体基础知识正确的判断；,电子电路中二极管、稳压管工作状态的判断；,已知电子电路的输入电压求输出电压。,第三章习题常见类型半导体基础知识正确的判断；,例题1 判断、填空,在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可将其改型为P型半导体。（ ）,因为N型半导体的多子是自由电子，所以它带负电。（ ）,PN结在无光照、无外加电压时，结电流为零。（ ）,二极管的电流方程是,。,稳压管的稳压区是其工作在,。,例题1 判断、填空在N型半导体中如果掺入足够量的三价元素，可,