半导体器件与二极管电路.ppt

半导体器件基础与二极管电路 第五章 第五章半导体器件基础与二极管电路 5 1半导体二极管的工作原理与特性5 2二极管整流电路5 3二极管峰值采样电路5 4二极管检波电路 5 1半导体二极管的工作原理与特性 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 5 1 1PN结及其单向导电性 一 半导体的导电特性 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 半导体有温敏 光敏和掺杂等导电特性 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光电元件 如光电电阻 光电二极管 光电晶体管 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 晶体管和晶闸管等 完全纯净的 不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 将硅或锗材料提纯便形成单晶体 它的原子结构为共价键结构 价电子 共价键 二 本征半导体的晶体结构 当温度T 0K时 半导体不导电 如同绝缘体 自由电子 空穴 若T 将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子 在原来的共价键中留下一个空位 空穴 T 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力 但很微弱 空穴可看成带正电的载流子 三 本征半导体中的两种载流子 杂质半导体有两种 N型半导体 P型半导体 1 N型半导体 Negative 在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素 如磷 锑 砷等 即构成N型半导体 或称电子型半导体 常用的5价杂质元素有磷 锑 砷等 四 杂质半导体 本征半导体掺入5价元素后 原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替 杂质原子最外层有5个价电子 其中4个与硅构成共价键 多余一个电子只受自身原子核吸引 在室温下即可成为自由电子 见下页 自由电子浓度远大于空穴的浓度 即n p 电子称为多数载流子 简称多子 空穴称为少数载流子 简称少子 5价杂质原子称为施主原子 2 P型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素 如硼 镓 铟等 即构成P型半导体 空穴浓度多于电子浓度 即p n 空穴为多数载流子 电子为少数载流子 3价杂质原子称为受主原子 受主原子 空穴 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体 另一侧掺杂成为N型半导体 两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层 称为PN结 五 PN结的形成及其单向导电性 1 PN结中载流子的运动 耗尽层 扩散运动 扩散运动形成空间电荷区 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动 PN结 耗尽层 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间电位差Uho 电位壁垒 内电场 内电场阻止多子的扩散 阻挡层 漂移运动 内电场有利于少子运动 漂移 少子的运动与多子运动方向相反 扩散与漂移的动态平衡 扩散运动使空间电荷区增大 扩散电流逐渐减小 随着内电场的增强 漂移运动逐渐增加 当扩散电流与漂移电流相等时 PN结总的电流等于零 空间电荷区的宽度达到稳定 对称结 即扩散运动与漂移运动达到动态平衡 不对称结 2 PN结的单向导电性 1 PN结外加正向电压时处于导通状态 又称正向偏置 简称正偏 在PN结加上一个很小的正向电压 即可得到较大的正向电流 为防止电流过大 可接入电阻R 2 PN结外加反向电压时处于截止状态 反偏 反向接法时 外电场与内电场的方向一致 增强了内电场的作用 如下图 外电场使空间电荷区变宽 不利于扩散运动 有利于漂移运动 漂移电流大于扩散电流 电路中产生反向电流I 由于少数载流子浓度很低 反向电流数值非常小 反向电流又称反向饱和电流 对温度十分敏感 随着温度升高 IS将急剧增大 综上所述 当PN结正向偏置时 回路中将产生一个较大的正向电流 PN结处于导通状态 当PN结反向偏置时 回路中反向电流非常小 几乎等于零 PN结处于截止状态 可见 PN结具有单向导电性 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 面接触型和平面型 5 1 2半导体二极管的基本结构 1点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 b 面接触型 4二极管的代表符号 D 5 1 3半导体二极管的伏安特性及主要参数 二极管的伏安特性曲线可用下式表示 正向特性 反向特性 反向击穿特性 开启电压 0 5V导通电压 0 7 一 半导体二极管的伏安特性 开启电压 0 1V导通电压 0 2V 1 正向特性 外加正向电压时 正向特性的起始部分 正向电流几乎为零 这一段称为 死区 对应于二极管开始导通时的外加电压称为 死区电压 锗管约为0 2V 硅管约0 5V 2 反向特性 外加反向电压不超过一定范围时通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成的很小的反向电流 称为反向饱和电流或漏电流 该电流受温度影响很大 3 击穿特性 外加反向电压超过某一数值时 反向电流会突然增大 这种现象称为击穿 击穿时 二极管失去单向导电性 对应的电压称为击穿电压 二 半导体二极管的电路模型 1 最大整流电流IOM 2 反向工作峰值电压UDMR 3 反向电流IR 4 最高工作频率fM 三 半导体二极管的主要参数 二极管长时间安全工作所允许流过的最大正向平均电流 由PN结结面积和散热条件决定 超过此值工作可能导致过热而损坏 为保证二极管不被反向击穿而规定的最大反向工作电压 一般为反向击穿电压的一半 二极管未被击穿时 流过二极管的反向电流 此值越小 单向导电性越好 硅管优于锗管 二极管维持单向导电性的最高工作频率 由于二极管中存在结电容 当频率很高时 电流可直接通过结电容 破坏二极管的单向导电性 四 温度对二极管伏安特性的影响 在环境温度升高时 二极管的正向特性将左移 反向特性将下移 二极管的特性对温度很敏感 在实际应用中 应根据管子所用的场合 按其所承受的最高反向电压 最大正向平均电流 工作频率 环境温度等条件 选择满足要求的二极管 5 1 4稳压二极管 一 稳压管的伏安特性 a 符号 b 2CW17伏安特性 DZ 1 稳定电压UZ 2 动态电阻rZ 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 rZ VZ IZ 3 最大耗散功率PZM 4 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 5 温度系数 VZ 二 稳压管的主要参数 一 发光二极管LED LightEmittingDiode 1 符号和特性 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 特性 5 1 5其它类型的二极管 发光类型 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 二 光电二极管 符号和特性 符号 特性 工作原理 三 变容二极管四 隧道二极管五 肖特基二极管 无光照时 与普通二极管一样 有光照时 分布在第三 四象限 对整流电路要研究清楚以下问题 1 电路的工作原理 二极管工作状态 波形分析2 输出电压和输出电流的平均值 输出为脉动的直流电压3 整流二极管的选择 二极管承受的最大整流平均电流和最高反向工作电压 为分析问题简单起见 设二极管为理想二极管 变压器内阻为0 整流二极管的伏安特性 实际特性 理想化特性 正向导通电压为0 正向电阻为0 5 2二极管整流电路 一 工作原理 u2的正半周 D导通 A D RL B uO u2 u2的负半周 D截止 承受反向电压 为u2 uO 0 5 2 1单相半波整流电路的分析方法及其基本参数 优点 使用元件少 缺点 输出波形脉动大 直流成分小 变压器利用率低 二 输出电压平均值UO AV 和负载电流的平均值IL AV 的估算已知变压器副边电压有效值为U2 考虑到电网电压波动范围为 10 二极管的极限参数应满足 三 二极管的选择 5 2 2单相桥式整流电路 一 单向桥式整流电路的组成 在实用电路中 多采用全波整流电路 最常用的是单向桥式整流电路 二 工作原理 1 u2 0时 电流由 流出 经D1 RL D2流入 2 u2 0时 电流由 流出 经D3 RL D4流入 三 输出电压平均值UO AV 和输出电流的平均值IO AV 四 二极管的选择 考虑到电网电压波动范围为 10 二极管的极限参数应满足