第3章 半导体二极管及其基本应用电路

第3章半导体二极管及其基本应用电路3.1半导体基本知识3.2半导体二极管及其基本应用电路3.3稳压管及其基本应用电路3.4发光二极管及其基本应用举例3.1半导体基本知识半导体的导电特性：光敏性：受光照后，其导电能力大大增强；热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强；掺杂性：在半导体中掺入少量特殊杂质，其导电能力极大地增强；(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光电池等)(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。3.1.1本征半导体——完全纯净的、具有晶体结构的半导体。最常用的半导体是硅(Si)和锗(Ge)。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健SiSiSiSi价电子Si284Ge28184本征半导体的导电机理：SiSiSiSi价电子空穴自由电子在常温下，由于热激发(温度升高或受光照)——本征激发带负电带正电载流子自由电子空穴温度越高，晶体中产生的的自由电子越多。当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流：(1)自由电子作定向运动电子电流(2)价电子递补空穴空穴电流(2)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很弱。注意：(1)本征半导体中存在数量相同的载流子。自由电子和空穴成对产生，又不断复合，在一定温度下，达到动态平衡。(3)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也愈好。——温度对半导体器件性能影响很大。3.1.2杂质半导体SiSiSiSip+多余电子磷原子失去一个电子变为正离子在常温下即可变为自由电子1、N型半导体在N型半导体中，自由电子是多数载流子(多子)，空穴是少数载流子(少子)。——掺入五价元素，如磷元素(又称电子半导体)P2852、P型半导体(又称空穴半导体)——掺入三价元素，如硼元素SiSiSiSi在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子得到一个电子变为负离子空穴注意：无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。B23杂质半导体的示意表示法：++++++++++++N型半导体–––P型半导体–––––––––代表失去一个电子的五价杂质离子代表得到一个电子的三价杂质离子3.1.3PN结P型半导体––––––––––––++++++++++++N型半导体1、PN结的形成浓度差多子的扩散运动––––––––––––++++++++++++形成空间电荷区内电场少子的漂移运动空间电荷区变宽空间电荷区变窄扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。空间电荷区也称PN结、耗尽层、阻挡层。2、PN结的单向导电性(1)PN结外加正向电压（正向偏置）P接正、N接负+–R––––––––––––++++++++++++PN内电场外电场变窄内电场被削弱，多子的扩散运动加强，形成较大的扩散电流。IF结论：PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电阻较小，正向电流较大，PN结处于导通状态。(2)PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正–+R––––––––––––++++++++++++PN内电场外电场变宽内电场被加强，少子的漂移运动加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR结论：PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电阻很大，反向电流很小，PN结处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。3、PN结的电流方程PN所加电压u与流过它的电流i的关系为：)1e(TSUuIiIS：反向饱和电流UT=kT/q：温度电压当量q——电子的电量k——玻耳兹曼常数T——热力学温度当T=300K时，UT≈26mV——伏安特性方程4、PN结的伏安特性uiOU(BR)正向特性反向特性反向电压大于U(BR)后，PN结反向击穿5、PN结的电容效应(1)势垒电容Cb——由空间电荷区的宽度随着外加电压的变化而变化所形成。(2)扩散电容Cd——在PN结加正向电压时，多数载流子在扩散过程中引起电荷积累而产生。(3)结电容CjCj=Cb+Cd一般PN结正偏时，扩散电容起主要作用；PN结反偏时，势垒电容起主要作用。3.2半导体二极管及其基本应用电路把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、稳压管、整流管和发光二极管等。硅高频检波管开关管稳压管整流管发光二极管3.2.1半导体二极管的几种常用结构金属丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型特点：结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型特点：结面积大、结电容大，正向电流大。用于工频大电流整流电路。阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型特点：用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。二极管的符号：阴极阳极D3.2.2二极管的伏安特性特点：非线性uiOISUonU(BR)–+开启电压硅管：0.5V锗管：0.1V外加电压大于开启电压Uon，二极管才能导通。导通压降硅管：0.6~0.8V锗管：0.1~0.3V–+反向电流在一定电压范围内保持常数。反向击穿电压U(BR)外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性。二极管的伏安特性与温度的关系uiOISUonU(BR)20℃80℃当温度升高时，正向特性左移，反向特性下移。在室温附近，温度每升高1℃，正向压降减小2~2.5mV；温度每升高10℃，反向电流约增大一倍。3.2.3二极管的主要参数——选择管子的依据1.最大整流电流IF指二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.最高反向工作电压UR是二极管工作时允许加的最大反向电压。3.反向电流IR指二极管未击穿时的反向电流值。反向电流愈小，二极管的单向导电性愈好。IR受温度的影响大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大。4.最高工作频率fM指二极管工作的上限频率。3.2.4二极管的等效电路uiOUonuiO理想模型理想二极管（导通时压降为零，截止时电流为零。）恒压降模型Uon（导通时压降为Uon，截止时电流为零。）折线模型UonrDUonuiOrD：交流电阻IUrD1、伏安特性的折线化及等效电路2、低频交流小信号作用下的等效电路uDiDOiDuDQIDUDQiurDDdQiuDDdd)1e(TDSDUuIiTDeddTSDDUuUIuiTDUIDTdIUrrduD+-iD小信号模型例3.2.2已知二极管导通压降UD=0.7V，UT=26mV；若ui是有效值为20mV，频率为1kHz的正弦波，则输入的交流电流的有效值为多少？解：DC2V500ui+–iiiD(1)先求二极管的动态电阻rd。2.8mA5002DDUI3.98.226DTdIUr(2)再求输入的交流电流的有效值。mA2.29.3mV203.9//500iiUIrd500ui+–ii9.33.2.5二极管电路的分析及其应用*定性分析：判断二极管的工作状态导通否则，正向压降硅管：0.6~0.8V锗管：0.1~0.3V*分析方法：将二极管从电路中断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳V阴或UD0(正向偏置)，二极管导通若二极管是理想的，正向导通时压降为零，反向截止时二极管相当于断开。若V阳V阴或UD0(反向偏置)，二极管截止截止例1：电路如图所示，二极管D导通压降UD=0.7V。求：UAB。解：断开二极管，取B点作参考点，分析二极管D阳极和阴极的电位。XXV阳=–6VV阴=–12VV阳V阴，二极管导通。∴UAB=-6-UD=-6.7VD6V12V3kBAUAB+–此例中，二极管起钳位作用。例2：已知：ui=18sinωtV，二极管是理想的，试画出uo波形。uit18VO解：断开二极管，选取参考点，分析二极管阳极和阴极的电位。V阳=ui，V阴=8V当ui8V，二极管导通，uo=8V当ui8V，二极管截止，uo=ui8V此例中，二极管起限幅作用。D8VRuoui++––例2的Multisim仿真电路和波形例3：已知：ui=30sinωtV，二极管的正向压降可忽略不计，试画出uo波形。uit30VO解：断开二极管，选取参考点，分析二极管阳极和阴极的电位。V阳=ui，V阴=0当ui0，D导通，uo=ui当ui0，D截止，uo=0此例中，二极管起检波作用。DRuoui++––uotO整流电路例3的Multisim仿真电路和波形例4：电路如图所示，求：输出端Y点的电位VY。A+3VRDAB0VDBY–12V解：断开二极管，则VA阳=+3V，VA阴=–12V∴UDA=+3V–(–12V)=15VVB阳=0V，VB阴=–12V∴UDB=0–(–12V)=12V∵UDAUDB∴DA优先导通，DB截止。若二极管的正向压降为0.3V，则VY=2.7V。此例中，DA起钳位作用；DB起隔离作用。门电路(或门)例5：二极管的续流电路。解：当开关断开瞬间，电流不能跃变，二极管提供续流通路。DRL+USS当开关闭合时，二极管截止，线圈中流过电流。此例中，二极管起续流作用。练习题：1、电路如图所示，二极管为理想二极管。则Uo为（）。(a)-12V(b)-9V(c)-3V2、电路如图所示，二极管为理想二极管。则Uo为（）。(a)4V(b)1V(c)10VD11V10kUo+–+-D24V+-+–10V图2D12V9V3kUo+–+-+-图1bb3.3稳压二极管及其应用电路3.3.1稳压管1、符号2、伏安特性uiO+–正向(二极管)_+反向(稳压管)稳压管正常工作时加反向电压UZIZIZMUZIZ稳压管工作在反向击穿区。稳压原理：IZ大→UZ小使用时要加限流电阻。_+DZ——是一种特殊的面接触型的硅二极管。3、主要参数(1)稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。(5)电压温度系数环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(4)动态电阻ZZZIUr(2)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(3)额定功耗PZM：PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。当电流低于IZ时，稳压管不稳压，IZ又记为IZmin；当电流高于IZM时，稳压管会损坏。3.3.2稳压电路UIRRLDZ+Uo+稳压管必须与负载并联。Uo=UZ限流电阻例1如图所示电路，已知UI=20V，R=1k，RL=2k，稳压管的UZ=10V，IZM=8mA。求电流IR、IZ和IL。UIRRLDZ+Uo+IRIZILmA5210LZLRUI解:mA10k11020ZiRRUUImA5510LRZIII限流电阻取值应使:IZminIZIZmax例2：用两只UZ=6V、正向压降为0.6V的稳压二极管和限流电阻可以组成几种不同输出电压的电路？解：UiR+Uo+Uo=12VUiR+Uo+Uo=6.6VUiR+Uo+Uo=1.2V3.4发光二极管及其基本应用举例1、外形：当在发光二极管上加上正向电压并有足够大的正向电流流过时，就能发出清晰的光。2、符号：一般用作显示器件，有红、黄、绿、橙色；工作电压为1.5~3V；工作电流为几毫安~十几毫安。3、用途：可做成显示器件——数码管例3.4.1已知发光二极管的导通压降UD=1.6V，正向电流大于5mA才能发光，小于20mA才不至于损坏。为使发光二极管发光，求限流电阻R的取值范围？解：R6VDIDmA20mA5DmaxDminII，DmaxDDDmin6IRUIIk22.0206.166DmaxDminIURk88.056.166DminDmaxIUR限流电阻R的取值范围为(0.22~0.88)。本章要求：1、了解半导体的导电机理；2、掌握PN结的单向导电性、伏安特性；3、掌握二极管的主要参数和物理意义、二极管基本电路模型、动态电阻，二极管电路的分析方法；4、理解稳压