课题一半导体二极管及其基本电路

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,兴趣是最好的老师,课题1:半导体二极管,及其基本电路,对应教材章节内容:,14.1 半导体的导电特性,14.2 PN结及其单向导电性,14.3 二极管,14.4 稳压二极管,半导体二极管,1.1半导体二极管的特性：半导体二极管具有单向导电性。,半导体二极管,1.2 半导体二极管的结构和符号,14.1,半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如,热敏电阻,)。,掺杂性,：,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，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,(可做,成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极,管、光敏三极管等)。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,14.1.1,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,Si,Si,Si,Si,价电子,Si,Si,Si,Si,价电子,本征半导体的导电机理,空穴,自由电子,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：,1）自由电子作定向运动,电子电流,2）价电子递补空穴,空穴电流,自由电子和,空穴都称为载流子。,载流子,形成,动画,(1),N型半导体,Si,Si,Si,Si,p,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,N,型半导体,：,多子,自由电子,少子,空穴,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,Si,Si,Si,Si,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,P,型半导体,：,多子,空穴,少子,自由电子,B,B,(2)P型半导体,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（,a,.掺杂浓度、,b.,温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与,（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量,（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流,主要是,，N 型半导体中的电流主要是 。,（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,P,型半导体,N,型半导体,(1)PN结的形成,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,形成空间电荷区,内电场E,扩散运动,漂移运动,PN结形成动画,14.2 PN,结及其单向导电性,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,漂移运动,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,漂移运动,P型半导体,N型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场E,所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,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,在一块本征半导体的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。,PN结的形成,(2)PN结的单向导电性,PN 结加正向电压,（正向偏置）,P接正、N接负,I,F,PN 结加正向电压时，,正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,外电场,PN正偏动画,PN 结加反向电压,（反向偏置）,I,R,P接负、N接正,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,+,PN 结加反向电压时，,反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,外电场,PN反偏动画,PN结单向导电性小结,PN结单向导电性动画,PN结正向导通：,加正向偏置电压时，呈现低电阻，具有较大的正向导通电流；,PN结反向截止：,加反向偏置电压时，呈现高电阻，具有较小的反向饱和电流；,14.3,二极管,14.3.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,)面接触型,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,(1)测试电路,mA,V,E,I,R,伏安特性实验电路,14.3.2 伏安特性,(2)伏安特性:,硅管,0.5V,锗管,0,.1V。,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0,.60.8V,锗0,.2,0.3V,u,D,i,D,/mA,死区电压,阳,阴,+,阳,阴,+,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,i,D,/uA,(1)最大整流电流,I,F,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,(2)反向击穿电压,U,B,R,(3)反向电流,I,R,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值。,最大反向工作电压,U,RM,实际工作时，为安全：,U,RM,U,BR,/2,，,在室温及规定的反向电压下的反向电流值。硅管：,(nA),级；锗管：,(,A),级。,14.3.3半导体二极管的主要参数,思考:,如何判断二极管的好坏以及它的极性?,使用万用表的R1K 档先测一下它的电阻，,黑红表笔分别搭在二极管的两端，,若阻值很小，说明黑表笔搭着的是正端。(指针式表),如果测的电阻不管表笔如何搭都是无穷，,说明二极管已损坏。,14.3.4二极管的基本电路及其分析方法,(1)二极管的简化模型,理想模型：,(,U,D,0)二极管导通,U,D,=,0 r=0 开关闭合,(,U,D,0)二极管截止,i,D,=,0 r=开关断开,恒压降模型：,(,U,D,U,F,)二极管导通,U,D,=,U,F,r=0 开关闭合,(,U,D,V,阴,，二极管导通,若 V,阳,V,阴,+V,F,，二极管导通,若 V,阳,V,阴,+V,F,二极管导通,例1：,取,B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,（1）理想模型：,U,AB,=6V,（2）恒压降模型：,U,AB,=,6.7V,+,-,V,1阳,=6 V，,V,2阳,=0 V，,V,1阴,=,V,2阴,=12 V,U,D1,=6V，,U,D2,=12V,U,D2,U,D1,D,2,优先导通,例2:,D1、D2为理想二极管，求：U,AB,在这里，D,2,起钳位作用，D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,I,D2,I,D1,V,1阴,=0 V,D1截止,U,AB,=0V,练习：,电路如图，(设D为理想二极管）判断二极管工作状态，并求输出电压。,a1,a2,b1,b2,u,i,8V，二极管导通,已知：,二极管是理想的，试画出,u,o,波形。,8V,例3：,限幅电路,u,i,18V,参考点,V,D阴,=,8 V;,V,D阳,=,u,i,D,8V,R,u,o,u,i,+,+,u,o,=8V,u,o,=,u,i,u,i,8V，二极管截止,14.4,稳压二极管,1.符号,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,_,+,U,I,O,3.主要参数,(1)稳定电压,U,Z,稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数,环境温度每变化1,C引起,稳压值变化的,百分数,。,(3)动态电阻,(4)稳定电流,I,Z,、最大稳定电流,I,ZM,(5)最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,r,Z,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,4.基本稳压电路,稳压管工作必要条件：,工作在反向击穿状态,串入电阻R,I,Zmin,I,Z,I,Zmax,思考：,1.若稳压管极性接反,会出现什么问题?,2.电阻R的作用是什么？不加可不可以？,5.选管的原则,I,Zmax,(1.5,5,),I,omax,U,Z,U,o,U,I,（,),U,o,例1：稳压电路如图。已知稳定电压,U,Z,=6V，,R,=200,，,R,L,=1k,，当,U,I,=9V时，求,R,上的电流,I,、负载电流,I,L,，稳定电流,I,Z,以及输出电压,U,O,。,例2：已知稳压管2CW17的参数为：,U,Z,=10V，稳定电流为5mA，额定功耗,P,Z,=250mW，求电源电压,E,分别为8V，18V，-6V时的,U,O,和,I,。为使电路正常稳压,E,的最大允许值为多大?,(1),E,=8V,U,z=10V,稳压管正常稳压，,U,O,=,U,z,=10V,U,R,=,E,-,U,O,=8V,(3),E,=-6V时,稳压管正向导通，,U,O,=,-,0.7V,U,R,=-6+0.7=-5.3V,I,=-5.3mA,(4)稳压管最大稳定电流,I,zm,=,P,z,/,U,z,=25mA,为保证稳压管正常工作，需,I,I,zm,=25mA,E,m,=,I,zm,R,+,U,z=35V,