半導(dǎo)體二極管及其電路分析備課件

1、溫故知新1、電流方向（ ），電壓方向（ ）2、并聯(lián)總電阻和分電阻的關(guān)系。3、電解電容在電路中如何連接。4、基爾霍夫電壓定律的內(nèi)容與解題方法。溫故知新內(nèi)容：回路總電壓和為零。方法：1、選擇合適回路。2、標(biāo)出回路中各元件電壓方向3、若元件電壓方向和回路繞行方向相同則電壓為正，反之為負(fù)。4、列回路方程解題。5、學(xué)會用工程觀點解決問題（估算法）第一章 半導(dǎo)體二極管及其電路分析 半導(dǎo)體器件是構(gòu)成電路的基本元件，構(gòu)成半導(dǎo)體器件的材料是經(jīng)過加工的半導(dǎo)體材料，因此半導(dǎo)體材料的性質(zhì)在很大程度上決定了半導(dǎo)體器件的性能。新語新知1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識1.2 半導(dǎo)體二極管及其特性1.3 二極管基本應(yīng)用電路及其分析方

2、法1.4 特殊二極管1.1 半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識 自然界中的物體，根據(jù)導(dǎo)電能力(電阻率)可分為：導(dǎo)體、絕緣體、半導(dǎo)體。常見的半導(dǎo)體材料為硅（Si）和鍺（Ge）。價電子價電子慣性核1.1.1 本征半導(dǎo)體共價鍵：半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識對電子束縛較強電子 -空穴 載流子1、本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少 結(jié)論：2、半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電3、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱，并與光照和溫度有關(guān)。 制造半導(dǎo)體器件的材料不是本征半導(dǎo)體，而是人為的摻入雜質(zhì)的半導(dǎo)體，目的是為了提高半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力 1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體1、摻入5價元素（磷、砷、銻）2、摻入3價元素（硼、鋁、銦）1 摻入5價元素（磷）自由電

3、子電子為多數(shù)載流子多子空穴為少數(shù)載流子少子摻雜磷產(chǎn)生的自由電子數(shù)本征激發(fā)產(chǎn)生 的電子數(shù)自由電子數(shù)空穴數(shù)N型半導(dǎo)體載流子數(shù) 電子數(shù)磷原子：施主原子雜質(zhì)半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體的簡化圖示多子少子2 摻入3價元素（硼）摻雜硼產(chǎn)生的空穴數(shù)熱激發(fā)產(chǎn)生的空穴空穴數(shù)自由電子空穴為多子電子為少子P型半導(dǎo)體硼原子：受主原子載流子數(shù) 空穴數(shù)P型半導(dǎo)體的簡化圖示多子少子3 半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 空 穴 自由電子I=IP+IN本征半導(dǎo)體電流很弱。N型半導(dǎo)體： IINP型半導(dǎo)體： IIP 摻入雜質(zhì)對本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響。一些典型的數(shù)據(jù)如下: T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度: n = p =1.41010/cm3

4、摻雜后 N 型半導(dǎo)體中的自由電子濃度: n= 51016/cm3以上兩個濃度基本上依次相差106/cm34雜質(zhì)對半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響 N型半導(dǎo)體：電子為多子，空穴為少子 載流子數(shù)自由電子數(shù) 施主原子提供電子，不能移動，帶正電?？偨Y(jié)： P型半導(dǎo)體：空穴為多子，電子為少子 載流子數(shù)空穴數(shù) 受主原子提供空穴，不能移動，帶負(fù)電。1.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦砸?PN結(jié)的形成PN電子空穴由于載流子的濃度差引起多子的擴散運動由于復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)（耗盡區(qū)）空間電荷區(qū)內(nèi)建電場阻礙多子的擴散運動有利于少子的漂移運動引起載流子定向移動的類型1、擴散電流：載流子的濃度差引起2、漂移電流：由于電場引起的定向

5、移動在PN結(jié)中擴散和漂移最后達(dá)到動態(tài)平衡即擴散電流漂移電流，總電流0PN結(jié)PN結(jié)二、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦? 正向偏置（P區(qū)接電源正極，N區(qū)接電源負(fù)極）內(nèi)電場外電場 外電場的作用使空間電荷區(qū)變窄，擴散運動加劇，漂移運動減弱，從而形成正向電流。此時PN結(jié)呈現(xiàn)低阻態(tài)，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)，理想模型為閉合開關(guān)。PN結(jié)2 反向偏置（P區(qū)接電源負(fù)極，N區(qū)接電源正極）內(nèi)電場外電場 外電場的作用使空間電荷區(qū)變寬，擴散運動變?nèi)?，漂移運動加強，從而形成反向電流，也稱為漂移電流。此時PN結(jié)呈現(xiàn)高阻態(tài)，漂移電流很小，此時PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，模型相當(dāng)于開關(guān)打開。結(jié)論 PN結(jié)反向偏置時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流，

6、且和溫度有關(guān)。 PN結(jié)正向偏置時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)1、N型半導(dǎo)體帶負(fù)電，P型半導(dǎo)體帶正電。這種說法是否正確？3、N型半導(dǎo)體的多子是（），P型半導(dǎo)體的多子是（）。4、PN結(jié)中擴散電流的方向是從（ ）區(qū)指向（ ）區(qū)，漂移電流的方向是（ ）區(qū)指向（ ）區(qū)。溫故知新2、Si參雜（ ）形成N型半導(dǎo)體，摻雜（ ）形成P型半導(dǎo)體。5、解釋PN結(jié)正向偏置。9、PN結(jié)單向?qū)щ娦允侵甘裁?？PN結(jié)溫故知新6、PN結(jié)正向偏置后所具有的特點。7、解釋PN結(jié)反向偏置。8、PN結(jié)反向偏置后所具有的特點。1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與類型構(gòu)成：PN 結(jié) + 管殼

7、+ 引線=二極管(Diode)1.2 半導(dǎo)體二極管及其特性二極管的符號：正極（陽極）負(fù)極（陰極）半導(dǎo)體二極管分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型半導(dǎo)體二極管的類型穩(wěn)壓二極管按用途分整流二極管開關(guān)二極管檢波二極管點接觸型 PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻小電流電路。半導(dǎo)體二極管面接觸型 PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。半導(dǎo)體二極管平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中。PN 結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。半導(dǎo)體二極管tiao1.2.2 二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管二極管的伏安特性曲線可用下式表示正向特性Uth死區(qū)電壓反向特性ISOuD /V

8、iD /mA-U (BR)反向擊穿U一 正向特性iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管 0.2 VOuD /ViD /mA正向特性Uth反向特性IS-U (BR)反向擊穿-U(BR) U 0 iD = IS (硅) 0.1 A (鍺)幾十AU -U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)二 反向特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性Uth反向特性IS-U (BR)反向擊穿硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD

9、 / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020三 反向擊穿特性：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因： 齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6 V)四 溫度對二極管特性的影響：604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90C隨著溫度的升高，正向特性曲線左移，即正向壓降減??；反向特性曲線下移，即反向電流增大。 一般在室溫附近，溫度每升高1，其正向壓降減小2-2.5mV；溫度每升高10，反向電流大約增大1倍左右。半導(dǎo)體二極管1.2.3 二極管的參數(shù)1. IF 最大整流電流(二極管長期連續(xù)工作

10、時允許通過的最大正向平均電流 )2. UBR 管子反向擊穿時的電壓半導(dǎo)體二極管3. URM 最高反向工作電壓，實際上只按照U(BR) 的一半來計算4. IR 反向電流(管子未被擊穿前的反 向電流，該值越小單向?qū)щ娦栽胶?6. fM 最高工作頻率(二極管工作的 上限頻率，超過該頻率時，結(jié)電容起 作用，不能很好的體現(xiàn)單相導(dǎo)電性)。5.UD(on) 導(dǎo)通電壓：二極管在正向電壓工作時，管兩端會產(chǎn)生正向電壓降，其壓降值越小管越好。硅為0.7V，鍺為0.2V。半導(dǎo)體二極管一、理想二極管特性曲線uDiD符號及等效模型：S正偏導(dǎo)通，uD = 0；反偏截止， iD = 0S1.3 二極管基本應(yīng)用電路及其分析方法

11、半導(dǎo)體二極管二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)iDuDU (BR)I FURMO半導(dǎo)體二極管硅二極管基本電路如圖所示，試求電流I1,I2,IO,和UO例半導(dǎo)體二極管1、二極管符號溫故知新半導(dǎo)體二極管2、二極管的正向恒壓特性3、二極管的導(dǎo)通電壓4、理想模型二極管的導(dǎo)通、截止條件5、恒壓降模型二極管的導(dǎo)通、截止條件6、二極管基本電路的解題步驟溫故知新半導(dǎo)體二極管6、二極管基本電路的解題步驟1)標(biāo)出二極管正負(fù)極2)去掉二極管，判斷V+和V-3)利用不同的模型判斷二極管狀態(tài)（導(dǎo)通或截止），在二極管不同的狀態(tài)下解題二極管基本電路如圖所

12、示，VDD=10V，應(yīng)用理想模型求解電路的UD和ID。例1 ID=（VDD-UD）R = （10-0）V10K =1mA UD=0V解：半導(dǎo)體二極管1、限幅電路：它是用來讓信號在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，有選擇地傳輸一部分。例：一限幅電路如圖所示，R=1K，VREF=3V。當(dāng)Ui=6sint(V)時，利用恒壓降模型繪出相應(yīng)的輸出電壓UO的波形。二極管的恒壓降為0.7V。Ui3.7V時D導(dǎo)通， UO=0.7+3=3.7VUi0V時D2、D3導(dǎo)通，UO= UiUi0V時D4、D1導(dǎo)通，UO= -Ui半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 二極管的單向?qū)щ娦詰?yīng)用很廣，可用于：限幅、整流、開關(guān)、檢波、元件保護(hù)等。 應(yīng)用半導(dǎo)

13、體二極管三、二極管的折線近似模型uDiDUONUI斜率1/rDrDUONiDuDU (BR)I FURMO半導(dǎo)體二極管三 小信號模型 如果二極管工作在V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作時，則可以把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是動態(tài)電阻 rd半導(dǎo)體二極管例:如圖所示,輸入電壓UI為10V,分析當(dāng)UI變化1V時,輸出電壓UO的相應(yīng)變化量和輸出電壓量. 1.4 特殊二極管1.4.1 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管又稱齊納二極管，它是一種特殊工藝制造的半導(dǎo)體二極管。它的符號如圖所示。 當(dāng)反向電壓加到某一定值時UZ ，產(chǎn)生反向擊穿，反向電流急劇增加，只要控制反向電流不超過一定值，管子就不會損壞。1、穩(wěn)壓管的伏安特性

14、工作在反向擊穿特性區(qū)_2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 穩(wěn)定電壓UZ 指規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓低的為3V，高的可達(dá)300V，它的正向電壓約為0.6V。 穩(wěn)定電流IZ（ Izmin-Izmax ） 指穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓狀態(tài)時的參考電流。電流低于Izmin時穩(wěn)壓效果變壞，甚至根本不穩(wěn)壓。_ 額定功耗PZM 指穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓與最大穩(wěn)定電流的乘積。 溫度系數(shù) 指溫度每變化1時穩(wěn)壓值的變化量。 VZ小于4V的管子具有負(fù)溫度系數(shù)， VZ大于7V的管子具有正溫度系數(shù)。4V至7V的管子溫度系數(shù)非常小。 動態(tài)電阻rz 指穩(wěn)壓管兩端的電壓變化與電流變化之比。曲線越陡，動態(tài)電阻愈小，穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能愈

15、好。穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻 電阻的作用一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。注意接法：反接電阻R的作用：限流RL代表：負(fù)載 工作區(qū)：反向擊穿3、穩(wěn)壓管的基本電路三、應(yīng)用 例1：電路如圖，求流過穩(wěn)壓管的電流IZ，R是否合適？解：故，R是合適的。例2：電路如圖，IZmax=50mA，R=0.15K, UI =24V, IZ=5mA, UZ=12V，問當(dāng) RL = 0.2K 時，電路能否穩(wěn)定，為什么？當(dāng) RL = 0.8K 時，電路能否穩(wěn)定，為什么？解：例3、電路如圖，UI =

16、12V ，UZ=6V ，R=0.15K ，IZ=5mA，IZMAX=30mA,問保證電路正常工作時RL 的取值范圍解：例4：已知u=10sin(t)V ,UZ= 6V, IZ=10mA ， Izmax=30mA, 畫出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。例5：已知u=10sin(t)V ,UZ= +6V, IZ=10mA ， Izmax=30mA, 畫出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。例6：已知u=3sin(t)V ,UZ= 6V, IZ=10mA ， Izmax=30mA, 畫出uo的波形，并求限流電阻R的最小值。例7 穩(wěn)壓電路如圖所示，直流輸入電壓VI的電壓在12V13.6V之間。負(fù)載為9V的收音機，當(dāng)它的音量最大時，需供給的功率為0.5W。穩(wěn)壓管的VZ=9V，穩(wěn)定電流IZmin=5mA，額定功率為1W，R=51。試分析穩(wěn)壓管電路能否正常工作。收音機所需電流流過R的電流為流過穩(wěn)壓管的電流為解由于收音機音量最大時，穩(wěn)壓管流過的電流穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電流范圍為：所以穩(wěn)壓管失去了穩(wěn)壓作用。其它類型二極管發(fā)光二極管光電二極管發(fā)光二極