1第二节 半导体二极管分析

1第二节半导体二极管第二节半导体二极管PN结及其单向导电性二极管的伏安特性二极管的主要参数稳压管总目录下页2第二节半导体二极管-++++++++++++-----------PN1.PN结中载流子的运动-++++++++++++-----------空间电荷区内电场UD又称耗尽层，即PN结。最终扩散(diffusion)运动与漂移(drift)运动达到动态平衡，PN结中总电流为零。内电场又称阻挡层，阻止扩散运动，却有利于漂移运动。硅约为（0.6~0.8）V锗约为（0.2~0.3）V一、PN结及其单向导电性扩散漂移下页上页首页3第二节半导体二极管NP-++++++++++++-----------RV正向电流外电场削弱了内电场有利于扩散运动，不利于漂移运动。空间电荷区变窄2.PN结的单向导电性☻加正向电压+-U耗尽层内电场UD-U外电场I称为正向接法或正向偏置（简称正偏，forwardbias)PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。下页上页首页4第二节半导体二极管+-U-++++++++++++-----------RV称为反向接法或反向偏置（简称反偏）一定温度下，V超过某一值后I饱和，称为反向饱和电流IS。结论：PN结具有单向导电性：正向导通，反向截止。内电场外电场UD+U空间电荷区外电场增强了内电场有利于漂移运动，不利于扩散运动。反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。☻加反向电压I反向电流IS对温度十分敏感。下页上页首页动画PN5第二节半导体二极管二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1.二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：对应N区对应P区点接触型二极管，工作电流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。二极管的符号阳极anode阴极cathode下页上页首页6第二节半导体二极管302010I/mAUD/V0.51.01.5201024-I/μАO正向特性死区电压IsUBR反向特性+-UDI2.二极管的伏安特性下页上页首页动画7第二节半导体二极管当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。硅二极管为0.7V左右锗二极管为0.2V左右死区电压正向特性0.51.01.5102030U/VI/mA0二极管正向特性曲线硅二极管为0.5V左右锗二极管为0.1V左右死区电压：导通压降：♥正向特性下页上页首页8第二节半导体二极管反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。IS反向特性UBR结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：反向饱和电流反向击穿电压若|U|UT则I≈-IS式中：IS为反向饱和电流UT是温度电压当量，常温下UT近似为26mV。♥反向特性S(e1)TUUII-2-4-I/μAI/mAU/V-20-100若UUT则eSUUTII下页上页首页9第二节半导体二极管三、二极管的主要参数♥最大整流电流IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。♥最高反向工作电压UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR。下页上页首页10第二节半导体二极管室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。IR受温度的影响很大。♥最高工作频率fMfM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。下页上页♥反向电流IR首页11第二节半导体二极管二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。♥势垒电容Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。♥扩散电容Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。下页上页首页12第二节半导体二极管[例1.2.1]已知uI=Umsinωt，画出uO和uD的波形VDR+-+-uIuO+-uDiOUmωtuoOωtuDOuI＞0时二极管导通，uO=uIuD=0uI＜0时二极管截止，uD=uIuO=0-UmioUmωtuIO下页上页首页13第二节半导体二极管[例1.2.2]二极管可用作开关VVDVSVVDVS正向偏置，相当于开关闭合。反向偏置，相当于开关断开。下页上页首页14第二节半导体二极管四、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：ΔUΔI+-IUO稳压管的伏安特性和符号ΔUΔI值很小有稳压特性阴极阳极minZImaxZI下页上页首页15第二节半导体二极管1.稳定电压UZ：稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2.稳定电流IZ：稳压管正常工作时的参考电流。3.动态内阻rZ：稳压管两端电压和电流的变化量之比。rZ=ΔU/ΔI4.电压的温度系数αU：稳压管电流不变时，环境温度对稳定电压的影响。5.额定功耗PZ：电流流过稳压管时消耗的功率。主要参数：下页上页首页16第二节半导体二极管使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：UORLVDZRUIIRIOIZ++--稳压管电路1.稳压管必须工作在反向击穿区。2.稳压管应与负载RL并联。3.必须限制流过稳压管的电流IZ。下页上页首页17第二节半导体二极管[例1.2.3]电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1kΩ，RLmin=600ΩUZ=6V,对应ΔUZ=0.3V。求rZ，选择限流电阻RO下页上页首页UORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ18第二节半导体二极管解：IZ=IR-IO=UI-UZR-UZRLIZmax＞UImax-UZR-UZRLmaxIZmin＜UImin-UZR-UZRLminrZ=ΔIZΔUZ=6.7Ω15-650+61kΩ=161ΩR＞R＜10-65+60.6kΩ=267ΩΔIZ=IZmax-IZmin=45mA下页上页首页UORLVDZRUIIRIOIZ++--+-UZ19第二节半导体二极管+-VD1VD2U+-U+-U+-UVD1VD2VD1VD2VD1VD2[例1.2.4]有两个稳压管VD1和VD2，它们的稳压值为UZ1=6V，UZ2=8V，正向导通压降均为UD=0.6V，将它们串联可得到几种稳压值?U=UD+UD=1.2VU=UZ1+UD=6.6VU=UZ1+UZ2=14VU=UD+UZ2=8.6V下页上页首页20第二节半导体二极管上页首页课堂练习