CH二极管及其基本电路学习教案

会计学1CH二极管及其基本电路二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 半导体材料半导体材料 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 本征半导体本征半导体 杂质半导体杂质半导体第1页/共49页 3.1.1 半导体材料半导体材料 根据物体导电能力根据物体导电能力( (电阻率电阻率) )的不同，来划分导体的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。、绝缘体和半导体。典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。第2页/共49页 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构硅和锗的原子结构简化模型及晶体结构第3页/共49页 3.1.3 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单晶体形态。空穴空穴共价键中的空位共价键中的空位。电子空穴对电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。由热激发而产生的自由电子和空穴对。空穴的移动空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。由于随机热振动致使共价键被打破而产生由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴电子对空穴电子对第4页/共49页 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可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要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为为杂质半导体杂质半导体。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。体。 P P型半导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。第5页/共49页 1. N 1. N型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在在N N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。第6页/共49页 2. P 2. P型半导体型半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在在P P型半导体中型半导体中空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；它主要由掺杂形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂质。三价杂质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。第7页/共49页 3. 杂质对半导体导电性的影响杂质对半导体导电性的影响 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下些典型的数据如下: : T=300 K室温下室温下,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.41010/cm31 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: 4.961022/cm3 3以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3第8页/共49页 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 本节中的有关概念本节中的有关概念 自由电子、空穴自由电子、空穴 N N型半导体、型半导体、P P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂质end第9页/共49页3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 PN结的形成结的形成 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的反向击穿结的反向击穿 PN结的电容效应结的电容效应 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散第10页/共49页 3.2.1 载流子的漂移与扩散载流子的漂移与扩散漂移运动：漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动漂移运动。扩散运动：扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动扩散运动。第11页/共49页 3.2.2 PN结的形成结的形成第12页/共49页 3.2.2 PN结的形成结的形成第13页/共49页 在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质, ,分分别形成别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。此时将在型半导体。此时将在N N型半导体型半导体和和P P型半导体的结合面上形成如下物理过程型半导体的结合面上形成如下物理过程: : 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后, ,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 第14页/共49页 对于对于P P型半导体和型半导体和N N型半导体结合面，离型半导体结合面，离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PNPN结结。 在空间电荷区，由于缺少多子，所以也在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称称耗尽层耗尽层。 第15页/共49页 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为区的电位，称为加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏。 (1) PN(1) PN结加正向电压时结加正向电压时 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流第16页/共49页 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，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，这个电流也称为这个电流也称为反向饱和电流反向饱和电流。 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (2) PN(2) PN结加反向电压时结加反向电压时 高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流 当外加电压使当外加电压使PNPN结中结中P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称区的电位，称为加为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；反之称为加；反之称为加反向电压反向电压，简，简称称反偏反偏。 第17页/共49页 PNPN结加正向电压时，呈现低电阻，具结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；有较大的正向扩散电流； PNPN结加反向电压时，呈现高电阻，具结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。有很小的反向漂移电流。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性。导电性。第18页/共49页 3.2.3 PN结的单向导电性结的单向导电性 (3) PN(3) PN结结V V- -I I 特性表达式特性表达式其中其中PNPN结的伏安特性结的伏安特性I IS S 反向饱和电流反向饱和电流V VT T 温度的电压当量温度的电压当量且在常温下（且在常温下（T T=300K=300K）第19页/共49页 3.2.4 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PNPN结的反向电压增加结的反向电压增加到一定数值时，反向电流到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称突然快速增加，此现象称为为PNPN结的结的反向击穿。反向击穿。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆第20页/共49页 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应(1) (1) 扩散电容扩散电容C CD D扩散电容示意图扩散电容示意图第21页/共49页 3.2.5 PN结的电容效应结的电容效应 (2) (2) 势垒电容势垒电容C CB Bend第22页/共49页3.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的主要参数二极管的主要参数第23页/共49页3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 在在PNPN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有极管按结构分有点接触型、面接触型点接触型、面接触型两大类。两大类。(1) (1) 点接触型二极管点接触型二极管(a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第24页/共49页（a）面接触型）面接触型 （b）集成电路中的平面型）集成电路中的平面型 （c）代表符号）代表符号 (2) (2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN PN结面积大，用于工频大电流整流电路。结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)(b)面接触型面接触型第25页/共49页 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示)1e (/SDD TVIiv锗二极管锗二极管2AP152AP15的的V V- -I I 特性特性硅二极管硅二极管2CP102CP10的的V V- -I I 特性特性第26页/共49页 3.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数(1) (1) 最大整流电流最大整流电流I IF F(2) (2) 反向击穿电压反向击穿电压V VBRBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压V VRMRM(3) (3) 反向电流反向电流I IR R(4) (4) 正向压降正向压降V VF F(5) (5) 极间电容极间电容C CJ J（C CB B、 C CD D ）end第27页/共49页 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 3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法简单二极管电路的图解分析方法 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法第28页/共49页3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法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解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V V - -I I 特性曲线。特性曲线。第29页/共49页例例3.4.1 电路如图所示，已知二极管的电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源特性曲线、电源VDD和电阻和电阻R，求二极管两端电压，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流和流过二极管的电流iD 。 解：由电路的解：由电路的KVLKVL方程，可得方程，可得 RViDDDDv DDDD11VRRi v即即 是一条斜率为是一条斜率为-1/R的直线，称为的直线，称为负载线负载线 Q的坐标值（的坐标值（VD，ID）即为所求。）即为所求。Q点称为电路的点称为电路的工作点工作点第30页/共49页 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模 将指数模型将指数模型 分段线性化，得到二极管特性的等效模型。分段线性化，得到二极管特性的等效模型。)1e (DSD TVIiv（1 1）理想模型）理想模型 （a a）V V- -I I特性特性 （b b）代表符号）代表符号 （c c）正向偏置时的电路模型）正向偏置时的电路模型 （d d）反向偏置时的电路模型）反向偏置时的电路模型第31页/共49页 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（2 2）恒压降模）恒压降模型型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 （3 3）折线模型）折线模型（a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型 第32页/共49页 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法1.1.二极管二极管V V- -I I 特性的建模特性的建模（4 4）小信号模型）小信号模型vs =0 时时, Q点称为静态工作点点称为静态工作点 ，反映直流时的工作状态。，反映直流时的工作状态。vs =Vmsin t 时（时（VmVT 。 （a）V-I特性特性 （b）电路模型）电路模型第35页/共49页 3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法二极管电路的简化模型分析方法2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（1 1）整流电路）整流电路（a）电路图）电路图 （b）vs和和vo的波形的波形第36页/共49页2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（2 2）静态工作情况分析）静态工作情况分析理想模型理想模型（R=10k ） 当当VDD=10V 时，时，恒压模型恒压模型V 7 . 0D V（硅二极管典型值（硅二极管典型值）折线模型折线模型V 5 . 0th V（硅二极管典型值（硅二极管典型值） k 2 . 0Dr设设当当VDD=1V 时，时， （自看）（自看）（a）简单二极管电路）简单二极管电路 （b）习惯画法）习惯画法 第37页/共49页2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（3 3）限幅电路）限幅电路 电路如图，电路如图，R = 1k，VREF = 3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当压降模型求解，当vI = 6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压vO的波形。的波形。 第38页/共49页2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（4 4）开关电路）开关电路电路如图所示，求电路如图所示，求AO的电压值的电压值解：解： 先断开先断开D，以，以O为基准电位，为基准电位， 即即O点为点为0V。 则接则接D阳极的电位为阳极的电位为-6V，接阴极的电位为，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。接入时正向导通。导通后，导通后，D的压降等于零，即的压降等于零，即A点的电位就是点的电位就是D阳极的电位。阳极的电位。所以，所以，AO的电压值为的电压值为-6V。第39页/共49页end2 2模型分析法应用举例模型分析法应用举例（6 6）小信号工作情况分析）小信号工作情况分析图示电路中，图示电路中，VDD = 5V，R = 5k ，恒压降模型的，恒压降模型的VD=0.7V，vs t V。（。（1）求输）求输出电压出电压vO的交流量和总量；（的交流量和总量；（2）绘出）绘出vO的波形。的波形。 直流通路、交流通路、静态、动态等直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。概念，在放大电路的分析中非常重要。第40页/共49页3.5 特殊二极管特殊二极管 齐纳二极管齐纳二极管( (稳压二极管稳压二极管) )1.1.符号及稳压特性符号及稳压特性 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。穿状态。第41页/共49页(1) 稳定电压稳定电压VZ(2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ = VZ / IZ(3)最大耗散功率最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流 IZmin(5)稳定电压温度系数稳定电压温度系数 VZ2. 稳压二极管主要参数稳压二极管主要参数 齐纳二极管齐纳二极管第42页/共49页3. 稳压电路稳压电路正常稳压时正常稳压时 VO =VZ 齐纳二极管齐纳二极管第43页/共49页3.5.2 变容二极管变容二极管（a）符号）符号 （b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度） 第44页/共49页3.5.3 肖特基二极管肖特基二极管（a）符号）符号 （b）正向）正向V-I特性特性第45页/共49页3.5.4 光电子器件光电子器件1. 光电二极管光电二极管 （a）符号）符号 （b）电路模型）电路模型 （c）特性曲线）特性曲线 第46页/共49页3.5.4 光电子器件光电子器件2. 发光二极管发光二极管符号符号光电传输系统光电传输系统 第47页/共49页3.5.4 光电子器件光电子器件3. 激光二极管激光二极管（a）物理结构）物理结构 （b）符号）符号 end第48页/共49页