2半导体二极管及其应用.

模拟电子技术二零一四年十月广东环境保护工程职业学院电子技术电工电子教研室模拟电子技术任课教师：车海波：1169967916：13570235237行政楼：421：1169967916：18022214299行政楼：421模拟电子技术例子1交通信号灯模拟电子技术例子2电动玩具模拟电子技术电视机模拟电子技术模拟电子技术1.1半导体基础知识•半导体导电具有的特点：•①热敏性：当半导体材料受外界热刺激时，其导电能力将发生显著改变；模拟电子技术•②光敏性：当半导体材料受外界光照射时，其导电能力将发生显著改变；•③掺杂性：在纯净半导体材料中，掺入微量杂质，半导体的导电能力会有显著增加。模拟电子技术1.1.1本征半导体•完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。模拟电子技术•1．本征半导体的原子结构及共价键•2．本征激发和两种载流子—自由电子和空穴•在本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。模拟电子技术图1.1硅和锗的原子结构和共价键结构模拟电子技术图1.2本征激发产生电子空穴对模拟电子技术•空穴也是一种载流子。•半导体材料中空穴越多，其导电能力也就越强。模拟电子技术3．结论•①半导体中存在两种载流子，一种是带负电的自由电子，另一种是带正电的空穴，它们都可以运载电荷形成电流。•②本征半导体中，自由电子和空穴相伴产生，数目相同。模拟电子技术•③一定温度下，本征半导体中电子空穴对的产生与复合相对平衡，电子空穴对的数目相对稳定。•④温度升高，激发的电子空穴对数目增加，半导体的导电能力增强。•空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。模拟电子技术图1.3束缚电子填补空穴的运动模拟电子技术1.1.2杂质半导体•杂质半导体分为两类：电子型（N型）半导体和空穴型（P型）半导体。模拟电子技术1．N型半导体•N型半导体中，自由电子为多数载流子，简称为多子；空穴为少数载流子，简称为少子。•N型半导体主要靠自由电子导电。模拟电子技术2．P型半导体•P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。•P型半导体主要靠空穴导电。模拟电子技术图1.4N型半导体的共价键结构模拟电子技术图1.5P型半导体共价键结构模拟电子技术1.1.3PN结及其单向导电性•1．PN结的形成•多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动，如图1.6所示。模拟电子技术图1.6P型和N型半导体交界处载流子的扩散模拟电子技术•P区和N区在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，此离子层被称为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.7所示。模拟电子技术图1.7PN结的形成模拟电子技术•少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。•漂移运动和扩散运动的方向相反。模拟电子技术2．PN结的单向导电性–（1）PN结外加正向电压•PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏，如图1.8所示。模拟电子技术图1.8PN结外加正向电压模拟电子技术•PN结正向导通时，通过PN结的电流（正向电流）大，而PN结呈现的电阻（正向电阻）小。模拟电子技术（2）PN结外加反向电压•PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏，如图1.9。模拟电子技术图1.9PN结外加反向电压模拟电子技术•PN结反向截止时，通过PN结的电流（反向电流）小，而PN结呈现的电阻（反向电阻）大。•因为环境温度愈高，少数载流子的数目愈多，所以温度对反向电流的影响很大。模拟电子技术结论：PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。模拟电子技术半导体二极管及其应用知识目标：1.了解二极管的结构及分类；2.掌握二极管的伏安特性和主要参数；3.掌握二极管电路的分析方法。二极管的伏安特性及应用二极管电路的分析及应用教学目标教学重点教学难点能力目标：1.会查手册选用二极管；2.会检测二极管的性能与好坏；3.会用二极管制作电路。模拟电子技术一、二极管的特性及主要参数１、二极管的结构类型２、二极管的伏安特性３、二极管的主要参数三、特殊二极管二、二极管电路的分析方法模拟电子技术半导体二极管图片模拟电子技术半导体二极管图片模拟电子技术半导体二极管图片模拟电子技术半导体二极管图片模拟电子技术图1.11二极管的结构示意图(c)平面型(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(b)面接触型PN结面积大，用于工频大电流整流电路。模拟电子技术２、二极管的伏安特性曲线式中IS为反向饱和电流，为二极管两端的电压降，UT=kT/q称为温度的电压当量，k为玻耳兹曼常数，k=1.380×10-23J/K,q=1.6×10-19C,为电子电荷量，T为热力学温度。对于室温（相当T=300K），则有UT=26mV。)1(eTSUuDDIi半导体二极管的伏安特性曲线如图1.12所示。处于第一象限的是正向伏安特性曲线，处于第三象限的是反向伏安特性曲线。根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示(1.1)Du模拟电子技术图1.12二极管的伏安特性曲线图示模拟电子技术（１）正向特性硅二极管的死区电压Uth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Uth=0.1V左右。当0＜uD＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。当uD＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当uD＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。模拟电子技术正向特性工作状态条件特点备注正向截止0＜uD＜Uth正向电流为零，硅管：Uth=0.5V锗管：Uth=0.1V正向导通uD＞Uth开始出现正向电流，并按指数规律增长。硅管：UD(on)=0.7V锗管：UD(on)=0.2V模拟电子技术（２）反向特性当uD＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当UBR＜uD＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当uD≤UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。模拟电子技术工作状态条件特点备注反向截止UBR＜uD＜0反向电流很小，约为IS（反向饱和电流）硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。反向击穿uD≤UBR反向电流急剧增加。UBR：反向击穿电压反向特性模拟电子技术在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；锗二极管的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上看，硅二极管若UBR＞6V时,主要是雪崩击穿；若UBR＜6V时,则主要是齐纳击穿。当在6V左右时，两种击穿都有，有可能获得零温度系数点。模拟电子技术（３）二极管的温度特性温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如二极管温度每增加10℃，反向电流将约增加一倍。另外，温度升高时，二极管的正向压降将小，每增加1℃，正向压降UD大约减小2～2.5mV，即具有负的温度系数。这些可以从图1.13所示二极管的伏安特性曲线上看出。模拟电子技术图1.13温度对二极管伏安特性曲线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。–50I/mAU/V0.20.4–2551015–0.01–0.020温度增加模拟电子技术３、二极管的主要参数半导体二极管的参数包括最大整流电流IF、反向击穿电压UBR、最大反向工作电压URM、反向电流IR、最高工作频率fM和结电容Cj等。几个主要的参数介绍如下：（１）★最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。（２）★反向击穿电压UBR和最大反向工作电压URM二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。模拟电子技术（３）反向电流IR（４）正向压降UD(on)在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.6～0.8V，典型值取0.7V；锗二极管约0.2～0.3V，典型值取0.2V。模拟电子技术在实际应用中，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。（６）动态电阻rd反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd=Ud/Id（５）★最高工作频率fM指保证二极管单向导电作用的最高工作频率。当工作频率超过fM时，二极管的单向性能就会变差，甚至失去单向导电特性。模拟电子技术二、二极管电路的分析方法1、理想二极管及二极管特性的折线近似2、★图解法和微变等效电路法模拟电子技术（1）由伏安特性折线化得到的等效电路1、理想二极管及二极管特性的折线近似①理想模型②恒压降模型③折线模型模拟电子技术①理想模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0UBR=模拟电子技术②恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)模拟电子技术③折线模型uDiDUD(on)UIIUrD斜率1/rDrD1UD(on)模拟电子技术UD(on)例1.3.1硅二极管，R=2k，分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD=2V和VDD=10V时IO和UO的值。思路：Uo=VDD－UD，Io=Uo/R2、举例模拟电子技术[解]VDD=2V理想IO=VDD/R=2/2=1(mA)UO=VDD=2V恒压降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)恒压降UO=100.7=9.3(V)IO=9.3/2=4.65(mA)VDD大，采用理想模型VDD小，采用恒压降模型模拟电子技术例1.3.2试求电路中电流I1、I2、IO和输出电压UO值。解：假设二极管断开(★)UP=15V(V)912313NUUPUN二极管导通等效为0.7V的恒压源PN模拟电子技术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)模拟电子技术例1.3.3二极管构成“门”电路，设V1、V2均为理想二极管，当输入电压UA、UB为低电压0V和高电压5V的不同组合时，求输出电压UO的值。0V正偏导通5V正偏导通0V模拟电子技术V2V1UBUA输出电压理想二极管输入电压0V0V正偏导通正偏导通0V0V5V正偏导通反偏截止0V5V0V反偏截止正偏导通0V5V5V正偏导通正偏导通5V模拟电子技术例1.3.4画出硅二极管构成的桥式整流电路在ui=15sint(V)作用下输出uO的波形。(按理想模型)Otui/V15RLV1V2V3V4uiBAuO模拟电子技术OtuO/V15模拟电子技术例1.3.5ui=2sint(V)，分析二极管的限幅作用。ui较小，宜采用恒压降模型ui0.7VV1、V2均截止uO=uiuO=0.7Vui0.7VV2导通,V１截止ui≤0.7VV1导通,V2截止uO=0.7V-0.7V＜ui0VV1、V2均截止uO=ui模拟电子技术思考题:V1、V2支路各串联恒压源，输出波形如何？OtuO/V0.7Otui/V20.7模拟电子技术三、特殊二极管1、稳压二极管2、发光二极管3、光电二极管模拟电子技术1、稳压二极管稳压二极管是一种特殊的面接触型的硅二极管。稳压应用时工作在反向击穿区。稳压二极管的正向特性曲线与普通硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管的反向特性曲线很陡。其反向特性曲线、符