第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路

第二章半導(dǎo)體二極管及其基本電路第1頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.2PN結(jié)的形成及特性2.3半導(dǎo)體二極管2.4二極管基本電路及其分析方法小結(jié)2.5特殊二極管第2章半導(dǎo)體二極管及其基本電路第2頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.1.1本征半導(dǎo)體2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體第3頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1

本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體—導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體—純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。載流子

—自由運(yùn)動的帶電粒子。共價鍵—相鄰原子共有價電子所形成的束縛。第4頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內(nèi)移動第5頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月本征激發(fā)：復(fù)合：自由電子和空穴在運(yùn)動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂移：自由電子和空穴在電場作用下的定向運(yùn)動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。第6頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運(yùn)動自由電子(在共價鍵以外)的運(yùn)動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運(yùn)動

結(jié)論：1.本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少；

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，并與溫度有關(guān)。第7頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù)

電子數(shù)第8頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴—多子電子—少子載流子數(shù)

空穴數(shù)第9頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI=IP+INN型半導(dǎo)體I

INP型半導(dǎo)體

I

IP第10頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月三、P型、N型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子第11頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2PN結(jié)一、PN結(jié)(PNJunction)的形成1.載流子的濃度差引起多子的擴(kuò)散2.復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層)空間電荷區(qū)特點:無載流子，阻止擴(kuò)散進(jìn)行，利于少子的漂移。內(nèi)建電場第12頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月3.擴(kuò)散和漂移達(dá)到動態(tài)平衡擴(kuò)散電流等于漂移電流，總電流I=0。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.外加正向電壓(正向偏置)—forwardbias第13頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向PN結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。IF限流電阻擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)形成正向電流IF。IF=I多子

I少子

I多子2.外加反向電壓(反向偏置)

—reversebias

P

區(qū)N

區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離PN結(jié)移動，空間電荷區(qū)變寬。IRPN結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運(yùn)動加強(qiáng)形成反向電流IRIR=I少子

0第14頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月三、PN結(jié)的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27

C)：UT

=26mVOu

/VI

/mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時i≈–IS第15頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3半導(dǎo)體二極管2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型2.3.2二極管的伏安特性2.3.3二極管的主要參數(shù)第16頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.1半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成：PN結(jié)+引線+管殼=二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)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第17頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月點接觸型正極引線觸絲N型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線

面接觸型N型鍺PN結(jié)

正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極

引線負(fù)極

引線集成電路中平面型PNP型支持襯底第18頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第19頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.2二極管的伏安特性一、PN結(jié)的伏安方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng)T=300(27

C)：UT

=26mV第20頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、二極管的伏安特性O(shè)uD/ViD/mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD

=0Uth=

0.5V

0.1V(硅管)(鍺管)U

UthiD急劇上升0

U

Uth

UD(on)

=(0.6

0.8)V硅管0.7V(0.1

0.3)V鍺管0.2V反向特性ISU(BR)反向擊穿U(BR)

U

0iD=IS<0.1

A(硅)幾十

A

(鍺)U<

U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)第21頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因：齊納擊穿：(Zener)反向電場太強(qiáng)，將電子強(qiáng)行拉出共價鍵。

(擊穿電壓<6V，負(fù)溫度系數(shù))雪崩擊穿：反向電場使電子加速，動能增大，撞擊使自由電子數(shù)突增?！狿N結(jié)未損壞，斷電即恢復(fù)?！狿N結(jié)燒毀。(擊穿電壓>6V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在6V左右時，溫度系數(shù)趨近零。第22頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/ViD

/mAuD

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.020第23頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度對二極管特性的影響iD

/mAT升高時，UD(on)以(2

2.5)mV/

C下降604020–0.0200.4–25–50uD/V20C90C第24頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3.3二極管的主要參數(shù)1.

IF—最大整流電流(最大正向平均電流)2.

URM—最高反向工作電壓，為U(BR)/2

3.

IR

—反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4.

fM—最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU(BR)IFURMO第25頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月影響工作頻率的原因—PN結(jié)的電容效應(yīng)

結(jié)論：1.低頻時，因結(jié)電容很小，對PN結(jié)影響很小。高頻時，因容抗增大，使結(jié)電容分流，導(dǎo)致單向?qū)щ娦宰儾睢?.結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。第26頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4二極管基本電路及其分析方法2.4.1理想二極管及二極管特性的折線近似2.4.2圖解法和微變等效電路法第27頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.1理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通，uD=0；反偏截止，iD=0U(BR)=

第28頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)第29頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)

U

I斜率1/rDrD1UD(on)第30頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第31頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月UD(on)例1硅二極管，R=2k

，分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出VDD=2V和VDD=10V時IO和UO的值。第32頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月[解]VDD=2V

理想IO=VDD/R=2/2

=1(mA)UO=VDD=2V恒壓降UO=VDD–UD(on)=2

0.7=1.3(V)IO=UO/R=1.3/2

=0.65(mA)VDD=10V

理想IO=VDD/R=10/2

=5(mA)恒壓降UO=10

0.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，

采用理想模型VDD小，

采用恒壓降模型第33頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例2

試求電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓

UO的值。解：假設(shè)二極管斷開UP=15VUP>UN二極管導(dǎo)通等效為0.7V的恒壓源PN第34頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月UO=VDD1

UD(on)=15

0.7=14.3(V)IO=UO/RL=14.3/3

=4.8(mA)I2=(UO

VDD2)/R=(14.3

12)/1

=2.3(mA)I1=IO+I2=4.8+2.3=7.1(mA)第35頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例3二極管構(gòu)成“門”電路，設(shè)V1、V2均為理想二極管，當(dāng)輸入電壓UA、UB為低電壓0V和高電壓5V的不同組合時，求輸出電壓UO的值。0V正偏導(dǎo)通5V正偏導(dǎo)通0V第36頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20V0V反偏導(dǎo)通反偏導(dǎo)通0V0V5V正偏導(dǎo)通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏導(dǎo)通0V5V5V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通5V第37頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例4

畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在ui

=15sin

t(V)作用下輸出uO的波形。(按理想模型)Otui

/V15RLV1V2V3V4uiBAuO第38頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月OtuO/V15若有條件，可切換到EWB環(huán)境觀察橋式整流波形。第39頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例5

ui=2sin

t(V)，分析二極管的限幅作用。ui較小，宜采用恒壓降模型ui<0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui

0.7VV2導(dǎo)通V１截止ui<

0.7VV1導(dǎo)通V2截止uO=

0.7V第40頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題:V1、V2支路各串聯(lián)恒壓源，輸出波形如何？(可切至EWB)OtuO/V0.7Otui

/V2

0.7第41頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.4.2圖解法和微變等效電路法一、二極管電路的直流圖解分析

uD=VDD

iDRiD=f(uD)1.2V100

iD

/mA128400.30.6uD/V1.20.9MN直流負(fù)載線斜率

1/R靜態(tài)工作點斜率1/RDiDQIQUQ第42頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月也可取UQ=0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=5(mA)二極管直流電阻RD第43頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月iD

/mAuD/VO二、交流圖解法電路中含直流和小信號交流電源時,二極管中含交、直流成分C隔直流

通交流當(dāng)ui=0時iD=IQUQ=0.7V(硅)，0.2V(鍺)設(shè)ui=sin

wtVDDVDD/RQIQwtOuiUQ斜率1/rd第44頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月iD

/mAuD/VOVDDVDD/RQIQwtOuiUQiD

/mAwtOid斜率1/rdrd=UT/IQ=26mV/IQ當(dāng)ui幅度較小時，二極管伏安特性在Q點附近近似為直線第45頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月uiudRidrd三、微變等效電路分析法對于交流信號電路可等效為例6

ui

=5sint(mV)，VDD=4V，R=1k

，求iD和uD。[解]1.靜態(tài)分析令ui

=0，取UQ0.7VIQ=(VDD

UQ)/R=3.3mA第46頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.動態(tài)分析rd=26/IQ=26/3.38(

)Idm=Udm/rd=5/80.625(mA)id

=0.625sin

t3.總電壓、電流=(0.7+0.005sin

t)V=(3.3+0.625sint)mA第47頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5特殊二極管2.5.1穩(wěn)壓二極管2.5.2光電二極管第48頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.1穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件：反向擊穿iZ/mAuZ/VO

UZ

IZmin

IZmax

UZ

IZ

IZ特性第49頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2.穩(wěn)定電流IZ越大穩(wěn)壓效果越好，小于Imin時不穩(wěn)壓。3.最大工作電流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZ

IZM4.動態(tài)電阻rZrZ=

UZ/

IZ越小穩(wěn)壓效果越好。幾

幾十

第50頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月5.穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)CT一般，UZ<4V，CTV<0(為齊納擊穿)具有負(fù)溫度系數(shù)；UZ>7V，CTV>0(為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4V<UZ<7V，CTV很小。第51頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月例1

分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理，

R為限流電阻。IR=IZ+ILUO=UI

–IRRUIUORRLILIRIZ第52頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.5.2發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管LED(LightEmittingDiode)1.符號和特性工作條件：正向偏置一般工作電流幾十mA，導(dǎo)通電壓(1

2)V符號u/Vi

/mAO2特性第53頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：IFM

，U(BR)，IR光學(xué)參數(shù)：峰值波長

P，亮度

L，光通量

發(fā)光類型：可見光：紅、黃、綠顯示類型：普通LED，不可見光：紅外光點陣LED七段LED,第54頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月第55頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月二、光敏二極管1．符號和特性符號特性uiO暗電流E=200lxE=400lx工作條件：反向偏置2.主要參數(shù)電學(xué)參數(shù)：暗電流，光電流，最高工作范圍光學(xué)參數(shù)：光譜范圍，靈敏度，峰值波長實物照片第56頁，課件共63頁，創(chuàng)作于2023年2月補(bǔ)充：選擇二極管限流電阻步驟：1.設(shè)定工作電壓(如0.7V；2V(