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模拟电子技术基础课件 第1章 半导体二极管及应用电路资料_图文

模拟电子技术基础课件 第1章 半导体二极管及应用电路资料_图文

第1章 半导体二极管及应用电路

第1章 半导体二极管及应用电路
1.1 半导体的导电特性 1.2 PN结的形成及特性

1.3 二极管
1.4 特殊二极管

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.1 半导体的导电特性
1.1.1 本征半导体及其导电特性 1.1.2 N型半导体

1.1.3 P型半导体

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.1 半导体的导电特性
1. 导体:电阻率 ? < 10-4 ? ·cm 的物质。如铜、 银、铝等金属材料。

2. 绝缘体:电阻率 ? > 109 ?· cm 物质。如橡胶、
塑料等。 3. 半导体:导电性能介于导体和绝缘体之间的物 质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。 通常情况下纯净半导体的导电能力较差,但随着 外界条件改变,其导电能力会有较大改变。
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第1章 半导体二极管及应用电路

半导体具有以下特性: ? (1)热敏特性:当半导体受热时,电阻率会发生变化, 利用这个特性可制成热敏元件。 ? (2)光敏特性:当半导体受到光照时,电阻率会发生改 变,利用这个特性制成光敏器件。 ? (3)掺杂特性:在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质

后,它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利
用这种特性就做成了各种不同用途的半导体器件。

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.1.1 本征半导体及其导电特性
现代电子学中,用的最多的半导体是硅和锗,它们 的最外层电子(价电子)都是四个。
价电子

Ge

Si
硅的原子结构图

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第1章 半导体二极管及应用电路

硅和锗的晶体结构

4 价元素的原子常常用 + 4 电荷的正离子和周围 4 个价电子表示。
简化模型
+4

电子器件所用的半导体具有晶体结构,因此把半导 体也称为晶体。
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第1章 半导体二极管及应用电路

完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材
+4 +4 +4 价 电 共 价 键 +4 +4 +4 +4 +4 +4 子

料提纯便形成单
晶体,它的原子 结构为共价键结 构。

共价键有很强的结合力,在绝对 0度( T=0K),价电子 被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子 (即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。

第1章 半导体二极管及应用电路

第1章 半导体二极管及应用电路

当温度升高或受光照
时 ,将有少数价电子克服 共价键的束缚成为自由电 子,在原来的共价键中留 下一个空位——空穴。 自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力,
+4 +4 空穴

T?

+4

+4 自由电子

+4

+4

但很微弱。

+4

+4

+4

空穴可看成带正电的载流子。
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第1章 半导体二极管及应用电路

小结:
1. 半导体中两种载流子

带负电的自由电子 带正电的空穴

2. 本征半导体中,自由电子和空穴总是成对出现,

称为 电子 - 空穴对。
3. 本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度。 4. 由于物质的运动,自由电子和空穴不断的产生又

不断的复合。在一定的温度下,产生与复合运动会达到
平衡,载流子的浓度就一定了。 5. 载流子的浓度与温度密切相关,它随着温度的升 高,基本按指数规律增加。
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第1章 半导体二极管及应用电路

综上,由于半导体的导电机理不同于其它物质, 所以它具有不同于其它物质的特点。比如: 当受外界热和光的作用时,它的导电能力明显 变化。 在半导体中,同时存在着电子导电和空穴导电。 往纯净的半导体中掺入某些杂质,会使它的导 电能力明显改变。

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.1.2 N型半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质,就会使半
导体的导电性能发生显著变化。

杂质半导体有两种

N 型半导体 P 型半导体

在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素,如 磷、锑、砷等,即构成 N 型半导体(或称电子型半导 体)。 常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
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第1章 半导体二极管及应用电路

本征半导体掺入 5 价元素后,原来晶体中的某些硅原子
将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子很容易被激发而成为自由 电子,这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。 +4 +4 +4 自由电子>>空穴

自由电子

+4

+5 +4

+4
施主原子

电子——多数载流子 (简称多子)
空穴——少数载流子 (简称少子)

+4

+4

+4

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.1.3 P型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如 硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。
+4 +4 空穴 +4 +4 +3 +4

空穴浓度>>电子浓度 空穴——多数载流子

受主 原子

+4

电子——少数载流子

+4

+4

+4

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第1章 半导体二极管及应用电路

说明:
1. 多子浓度由杂质的浓度决定;少子浓度由温度 决定。 2. 杂质半导体中载流子的数目要远远高于本征半 导体中载流子的数目,因而其导电能力大大改善。 3. 杂质半导体总体上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。

(a)N 型半导体

(b) P 型半导体

第1章 半导体二极管及应用电路

1.2 PN结的形成及特性
1.2.1 PN结的形成
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另

一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了
一个特殊的薄层,称为 PN 结。

P

PN结

N

PN 结的形成
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第1章 半导体二极管及应用电路

PN 结中载流子的运动
1. 扩散运动
P

N

电子和空穴
浓度差形成多子 的扩散运动。 2. 扩散运动 形成空间电荷区 —— PN 结,耗 尽层。
P
耗尽层 空间电荷区

N

第1章 半导体二极管及应用电路

3. 空间电荷区产生内电场 空间电荷区正负离子之间电位差 UD —— 电位壁 垒—— 内电场;内电场阻止多子的扩散 —— 阻挡层。 4. 漂移运动 内电场有利 于少子漂移。 少子的运动 与多子运动方向 相反。
阻挡层 空间电荷区

P

N

内电场

UD

第1章 半导体二极管及应用电路

5. 扩散与漂移的动态平衡
扩散运动使空间电荷区增大,扩散电流逐渐减小; 随着内电场的增强,漂移运动逐渐增加;

扩散电流 = 漂移电流

总电流=0

PN 结宽度达到稳定,即达到动态平衡。 空间电荷区很薄,约为几微米 ~ 几十微米; 电压壁垒 UD,硅材料约为(0.6 ~ 0.8) V, 锗材料约为(0.2 ~ 0.3) V。

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第1章 半导体二极管及应用电路

总结: 在一块本征半导体的两侧通过扩散不 同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。
因浓度差
?

多子的扩散? 由离子形成空间电荷区 ? 空间电荷区形成内电场 ? ? 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后, 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

第1章 半导体二极管及应用电路

1.2.2 PN结的单向导电性
1. PN结外加正向电压(正偏) 又称正向偏置,简称正偏。
空间电荷区变窄,有利 于扩散运动,电路中有 较大的正向电流。

P

空间电荷区

N

I
V

内电场方向 外电场方向 R
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第1章 半导体二极管及应用电路

PN结在外加正向电压时的情况
外电场削减内电场作用 多子向PN结 空间电荷区变窄

移动
形成较大正 向电流IF

内电场减弱
扩散加强, 漂移减弱

在 PN 结加上一个很小的正向电压,即可得到较大 的正向电流,为防止电流过大,可接入电阻 R。
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第1章 半导体二极管及应用电路

2. PN结外加反向电压(反偏)

P

空间电荷区

N

IS 内电场方向 外电场方向 R V

外电场加强内电场

→耗尽层变宽→ 漂移运动加强 →漂移运动>扩散运动 →少子漂移形成反向电流IS

由于少数载流子浓度很低,反向电流IS很小。

第1章 半导体二极管及应用电路

PN结的外加反向电压时的情况 外电场增强内电场的作用

多子背离 PN结移动 形成反向 电流IS

空间电荷区变 宽,内电场增强 漂移运动大

于扩散运动

反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随 着温度升高, IS 将急剧增大。

第1章 半导体二极管及应用电路

结论: PN结正偏时,具有较大的正向扩散电流, 呈现低电阻, PN结导通; PN结反偏时,具有很小的反向漂移电流,

呈现高电阻, PN结截止。
可见, PN 结具有单向导电性。

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.2.3 PN结的电容效应
PN结具有一定的电容效应,它由两方面的因素决定。 电容效应 1. 势垒电容CB 势垒电容 扩散电容

势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。

势垒电容示意图

第1章 半导体二极管及应用电路

空间电荷区的正负离子数目发生变化,如同电容的 放电和充电过程。 2.扩散电容CD 扩散电容是由多子扩散后,在PN结的另一侧面积累

而形成的。PN结正偏时,刚扩散过来的电子就堆积在 P
区内紧靠PN结的附近,形成一定的多子浓度梯度分布曲 线。 反之,由P区扩散到N区的空穴,在N区内也形成类

似的浓度梯度分布曲线。
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第1章 半导体二极管及应用电路

当外加正向电压不 同,扩散电流的大小也 就不同。所以PN结两侧

堆积的多子的浓度梯度
分布也不同,这就相当 电容的充放电过程。势 垒电容和扩散电容均是 非线性电容。
扩散电容示意图

电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来。

第1章 半导体二极管及应用电路

势垒、扩散电容都与结面积S成正比。

点接触二极管的结面积很小,CB、CD都很小,只有
0.5~几pF。

面结合型二极管中的整流管,因结面积大,CB、CD
约在几pF~200pF。 在等效电路中,CB和CD是并联的,总的结电容为两 者之和,即 C=CB+CD。当PN结正偏时,扩散电容起主 要作用,C≈CD,当PN结反偏时,势垒电容起主要作 用,C≈ CB 。
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第1章 半导体二极管及应用电路

刘雪婷 邮箱:liuxuet@163. com

第1章 半导体二极管及应用电路

主要内容 1.本征半导体及其导电特性 2.N型半导体 3.P型半导体 4.PN结的形成

5.PN结的单向导电性
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第1章 半导体二极管及应用电路

1.本征半导体及其导电特性
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材
+4 +4 +4 价 电 共 价 键 +4 +4 +4 +4 +4 +4 子

料提纯便形成单
晶体,它的原子 结构为共价键结 构。

共价键有很强的结合力,在绝对 0度( T=0K),价电子 被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子 (即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。

第1章 半导体二极管及应用电路

当温度升高或受光照
时 ,将有少数价电子克服 共价键的束缚成为自由电 子,在原来的共价键中留 下一个空位——空穴。 自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力,
+4 +4 空穴

T?

+4

+4 自由电子

+4

+4

但很微弱。

+4

+4

+4

空穴可看成带正电的载流子。
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第1章 半导体二极管及应用电路

2.N型半导体
本征半导体掺入 5 价元素后,杂质原子最外层有 5 个价

电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子很容易被激
发而成为自由电子。 +4 +4 +4 自由电子>>空穴

自由电子

+4

+5 +4

+4
施主原子

电子——多数载流子 (简称多子)
空穴——少数载流子 (简称少子)

+4

+4

+4

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第1章 半导体二极管及应用电路

3.P型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如 硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。
+4 +4 空穴 +4 +4 +3 +4

空穴浓度>>电子浓度 空穴——多数载流子

受主 原子

+4

电子——少数载流子

+4

+4

+4

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第1章 半导体二极管及应用电路

4.PN结的形成
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另

一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了
一个特殊的薄层,称为 PN 结。

P

PN结

N

PN 结的形成
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第1章 半导体二极管及应用电路

5.PN结的单向导电性
1) PN 外加正向电压(正偏) P
空间电荷区

空间电荷区变窄,有利 于扩散运动,电路中有 较大的正向电流。

N

I
V

内电场方向 外电场方向 R
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第1章 半导体二极管及应用电路

2) PN 外加反向电压(反偏) P
空间电荷区

N

IS 内电场方向 外电场方向 R V

反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感,随 着温度升高, IS 将急剧增大。

第1章 半导体二极管及应用电路

1.3 二极管
1.3.1 二极管的基本结构
1.3.2 二极管的伏安特性 1.3.3 二极管的参数、型号及选择 1.3.4 二极管的分析方法 1.3.5 二极管的应用
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第1章 半导体二极管及应用电路

1.3.1 二极管的基本结构
在PN结上加上引线和封装,就成为一个二极管。 二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大 类。
(1) 点接触型二极管
PN结面积小,结电 容小,用于检波和变频 等高频电路。

二极管的结构示意图
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第1章 半导体二极管及应用电路

(2)面接触型二极管

PN结面积大,用于工 频大电流整流电路。
往往用于集成电路制造艺 中。PN 结面积可大可小, 用于高频整流和开关电路 中。

(3)平面型二极管
阳极 阴极 引线 引线

(4) 二极管的代表符号
阳极 a k 阴极

P N P 型支持衬底
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第1章 半导体二极管及应用电路

半导体二极管图片

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第1章 半导体二极管及应用电路

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第1章 半导体二极管及应用电路

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.3.2 二极管的伏安特性
在二极管的两端加上电压,测量流过管子的电流, i = f (u )之间的关系曲线。
i / mA
60

正向特性
导通压降: 硅管0.6-0.7V 锗管0.2-0.3V

40
20 –50 –25 0 – 0.002 0.5 1.0 u / V

反 向 特 性

击穿电压 U(BR)– 0.004

死区电压: 硅管0.5V 锗管0.1V

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第1章 半导体二极管及应用电路

硅二极管和锗二极管的伏安特性曲线
硅管特性曲线

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第1章 半导体二极管及应用电路

1. 正向特性

当正向电压比较小时,正向电流很小,几乎为零。
相应的电压叫死区电压。范 围称死区。死区电压与材料和温 度有关,硅管约 0.5 V 左右,锗 管约 0.1 V 左右。 当正向电压超过死区电压后, 随着电压的升高,正向电流迅速 增大。
I / mA
60 40 死区 20 电压

0 0.4 0.8 U / V

正向特性

第1章 半导体二极管及应用电路

I / mA 2. 反向特性 –50 –25 0U / V 二极管加反向电压,反 反向饱 – 0.02 击穿 向电流很小; 和电流 电压 当电压超过零点几伏后, U(BR) – 0.04 反向电流不随电压增加而增大, 反向特性 即饱和,称反向饱和电流

3.反向击穿特性 如果反向电压继续升高,大到一定数值时,反向电 流会突然增大; 这种现象称击穿,对应电压叫反向击穿电压。
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第1章 半导体二极管及应用电路

雪崩击穿:

雪崩击穿和齐纳击穿

PN结反向高场强 通过PN结的少子获得能量大 与原子碰撞

形成电子空穴对(碰撞电离) 载流子倍增效应
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第1章 半导体二极管及应用电路

齐纳击穿:

PN结电场很大
直接破坏PN结内共价键 形成电子空穴对

齐纳击穿需要很高的场强:

2×105 V/cm
只有杂质浓度高,PN结窄时才 能达到此条件——齐纳二极管 (稳压管)

很大反向电流

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第1章 半导体二极管及应用电路

热击穿和电击穿
电击穿:当反向电流与电压的乘积不超过PN结容许的 耗散功率时,称为电击穿,是可逆的。即当降低反压时,

管子可恢复原来的状态。
雪崩击穿、齐纳击穿——电击穿 热击穿:若反向电流与电压的乘积超出PN结的耗散功率, 则管子会因为过热而烧毁,形成热击穿——不可逆。

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第1章 半导体二极管及应用电路

4. 伏安特性的数学表达式(二极管方程)

i ? IS (e

u

UT

- 1)

式中IS 为反向饱和电流,u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,q 为电子电荷量,T 为热力学温度。对于室温(相当 T=300 K),则有UT=26 mV。

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第1章 半导体二极管及应用电路

结论: 二极管具有单向导电性。加正向电压时导通,呈现 很小的正向电阻,如同开关闭合;加反向电压时截止,

呈现很大的反向电阻,如同开关断开。
从二极管伏安特性曲线可以看出,二极管的电压与

电流之间不呈线性关系,其内阻不是常数,所以二极管
属于非线性器件。

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.3.3 二极管的参数、型号及选择
1.二极管的参数

(1) 最大整流电流 IF
二极管长期运行时,允许通过的最大正向平均电流。 (2) 最高反向工作电压 UR 工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将 击穿电压 UBR 的一半定义为 UR 。 (3) 反向电流 IR 反向电流IR是指在室温条件下,二极管两端加上规定 的反向电压时,流过管子的反向电流值,通常希望 IR 值愈

小愈好。

第1章 半导体二极管及应用电路

(4) 最高工作频率 fM 是二极管工作的上限截止频率 ,fM 值主要 决定于 PN 结结电容的大小。结电容愈大,二极管允许的最高工作 频率愈低。 2.半导体二极管的型号

2A P 7
用数字代表同类型器件的序号 用字母代表器件的类型,P代表普通管 A代表N型Ge,B代表P型Ge,C代表N型Si,D代表P型Si 2代表二极管,3代表三极管

2AP7代表N型Ge材料普通二极管

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第1章 半导体二极管及应用电路

? 3. 选择二极管的一般原则

? (1)要求导通后正向压降小时选锗管;要求反向电流小
时选硅管。 ? (2)要求工作电流大时选面接触型;要求工作频率高时 选点接触型。 ? (3)要求反向击穿电压高时选硅管。 ? (4)要求温度特性好或耐高温时选硅管。

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.3.4 二极管的分析方法
1. 理想模型 二极管承受正向电压 时,其管压降为零,相 当于开关闭合 二极管承受反向电压

时,其电流为零,阻抗
为无穷,相当于开关断 开
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第1章 半导体二极管及应用电路

2.恒压降模型 二极管承受正向电压 导通时,其管压降为恒 定值,且不随电流而变化, 也叫做实际二极管。 二极管承受反向电压 时,其电流为零,阻抗

为无穷,相当于开关的
断开 。
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第1章 半导体二极管及应用电路

例1.3.1 电路如图1.3.7(a)所示,二极管采用硅管,电阻R =1kΩ,E=3V (1)试分别用理想模型和恒压降模型求UR的值。 (2)当二极管VD反接,电路如图1.3.7(b)所示,试分别用 两种模型求UR的值。

1.3.7(a)

1.3.7(b)
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第1章 半导体二极管及应用电路

例1.3.2 电路如图1.3.9所示,其中El=7V,E2=5V,E3
=6V,设二极管的导通电压0.6V。分别估算开关S在位 置1和位置2的输出电压Uo的值。 开关S置于位置1时 UO=E3=6V 开关S置于位置2 UO=E2+0.6=(5+0.6)V=5.6V

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.3.5 二极管的应用
1.整流电路

ui ? 10sin ?t

2.二极管限幅电路

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第1章 半导体二极管及应用电路

3. 在数字电路的应用 (1) uA=3V,uB=0V VD1先导通

uY=uA-0.7V=2.3V VD2截止 (2) uA=3V,uB=3V VD1、VD2都导通,uY=uA-0.7V=2.3V (3) uA=0V,uB=0V VD1、VD2都导通,uY=-0.7V。
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第1章 半导体二极管及应用电路

1.4 特殊二极管
1.4.1 稳压二极管 1.4.2 光敏二极管

1.4.3 发光二极管
1.4.4 变容二极管

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第1章 半导体二极管及应用电路

I/mA
+ -

1.4.1 稳压二极管
一种特殊的面接触型半 导体硅二极管。 1.稳压管的伏安特性

正向

?U
O
+

U/V

?I

稳压管工作于反向击穿区。

反向

+
(a)稳压管伏安特性 (b)稳压管符号
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第1章 半导体二极管及应用电路

2.稳压管的主要参数 (1) 稳定电压 UZ 稳压管工作在反向击穿区时的稳定工作电压。

(2) 稳定电流 IZ 正常工作的参考电流。I < IZ 时 ,管子的稳压性能差; I > IZ ,只要不超过额定功耗即可。 (3) 动态电阻 rZ IZ = 5 mA ?U Z rZ ? rZ ? 16 ? ?I Z IZ = 20 mA rZ 愈小愈好。对于 rZ ? 3 ? 同一个稳压管,工作电 流愈大, rZ 值愈小。 IZ/mA

第1章 半导体二极管及应用电路

(4) 电压温度系数 ?U 稳压管电流不变时,环境温度每变化 1 ℃ 引起稳定 电压变化的百分比。 1) UZ > 7 V, ?U > 0;UZ < 4 V,?U < 0;

2) UZ 在 4 ~ 7 V 之间,?U 值比较小,性能比较稳定。
2CW17:UZ = 9 ~ 10.5 V,?U = 0.09 %/℃

2CW11:UZ = 3.2 ~ 4.5 V,?U = -(0.05 ~ 0.03)%/℃

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第1章 半导体二极管及应用电路

(5) 额定功耗 PZ 额定功率决定于稳压管允许的温升。 PZ = UZIZ 注意 : 稳压二极管通常工作在反向击穿 VDZ 区,使用时应串入一个电阻,电阻起 限流作用,以保证稳压管正常工作, 此电阻被称为限流电阻。
IZ

+20 V
R = 1.6 k?

+
UZ = 12 V IZM = 18 mA

[例] 求通过稳压管的电流 IZ 等于多少?R 是限流电阻, 其值是否合适? [ 解]

20 - 12 -3 IZ ? A ? 5 ? 10 A ? 5 mA 3 1.6 ? 10 IZ < IZM ,电阻值合适。

第1章 半导体二极管及应用电路

? [例]:两个硅稳压管,UZ1 = 6V,UZ2=9V,求各图中的Uo

15 V

6V

6.6 V

0.6 V

第1章 半导体二极管及应用电路

? [例]:如图所示电路,稳压管的稳定电压UZ=5V,正向电

压降忽略不计。求当输入电压为为交流 ui= 10sinωt V,
求u0的波形。

+
ui ?

R

+
DZ u0 ?

? 在ui的正半周,当ui ≤5V, DZ工作在截止状态,u0=ui ; ? 当ui >5V, DZ工作在反向击穿区,起稳压作用,u0= 5V 。 ? 在ui的负半周, DZ处于正向导通状态 , u0=0V 。

第1章 半导体二极管及应用电路

使用稳压管需要注意的几个问题:

1. 外加电源的正极接管子 的 N 区,电源的负极接 P 区, 保证管子工作在反向击穿区;
2. 稳压管应与负载电阻 RL 并联; 3. 必须限制流过稳压管的电 流 IZ,不能超过规定值,以免因 过热而烧毁管子。

IR

+
UI

R IZ

IO
VDZ

+
RL UO

稳压管电路

第1章 半导体二极管及应用电路

1.4.2 光电二极管
? 光电二极管又称光敏二极管,特点是PN结的面积大, 管壳上有透光的窗口便于接收光的照射,光敏二极管 的外型

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第1章 半导体二极管及应用电路

1. 光电二极管的特性曲线

光电二极管工作时,在电路中处于反向偏置,在一定 的反向电压范围内,反向电流与光照度E成正比关系。 当无光照射时,伏安特性和普通二极管一样,其反 向电流很小,称为暗电流。

第1章 半导体二极管及应用电路

? 2. 光电二极管的主要参数 ? (1)最高反向工作电压URM ? 在无光照的条件下,反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的 最高反向电压。 ? (2)暗电流ID ? 是指光电二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏 电流。暗电流越小,光电二极管的性能越稳定,检测弱光 的能力越强。 ? (3)光电流IL ? 是指光电二极管在受到一定光照时,在最高反向工作电压 下产生的电流。 (4)正向压降UF

第1章 半导体二极管及应用电路

?

1.4.3 发光二极管

? 发光二极管简称为LED,是一种将电能转换为光能的半导体 器件
? 发光二极管可分为普通发光二极管、高亮度发光二极管、 超高亮度发光二极管、闪烁发光二极管、变色发光二极管 等

第1章 半导体二极管及应用电路

由镓(Ga)与砷(AS)、磷(P)的化合物制成的二极管, 当电子与空穴复合时能辐射出可见光,因而可以用来制成发光 二极管。在电路及仪器中作为指示灯,或者组成文字或数字显 示。磷砷化镓二极管发红光,磷化镓二极管发绿光,碳化硅二 极管发黄光。

第1章 半导体二极管及应用电路

4.5万多个发光二极管

像窗帘一样挂在墙上,随 意卷起放下 MP3、照相机、手机 等数码产品也可以任 意弯曲折叠。
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第1章 半导体二极管及应用电路

1.4.4 变容二极管
利用PN结的结电容随外加反向电压的变化而变 化的特性可制成变容二极管,一般使用的材料为 硅或砷化镓等。 变容二极管的容量很小,为皮法(pF)数量级。 主要在高频调谐、通信等电路中作可变电容器使用。

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第1章 半导体二极管及应用电路

刘雪婷 邮箱:liuxuet@163. com

第1章 半导体二极管及应用电路

主要内容
1.二极管的伏安特性 2.二极管的分析方法 3.稳压二极管

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.二极管的伏安特性
在二极管的两端加上电压,测量流过管子的电流, i = f (u )之间的关系曲线。
i / mA
60

正向特性
导通压降: 硅管0.6-0.7V 锗管0.2-0.3V

40
20 –50 –25 0 – 0.002 0.5 1.0 u / V

反 向 特 性

击穿电压 U(BR)– 0.004

死区电压: 硅管0.5V 锗管0.1V

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第1章 半导体二极管及应用电路

2.二极管的分析方法
1)理想模型 二极管承受正向电压 时,其管压降为零,相 当于开关闭合 二极管承受反向电压

时,其电流为零,阻抗
为无穷,相当于开关断 开
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第1章 半导体二极管及应用电路

2)恒压降模型
二极管承受正向电压 导通时,其管压降为恒 定值,且不随电流而变 化,也叫做实际二极管 二极管承受反向电压 时,其电流为零,阻抗

为无穷,相当于开关的
断开
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第1章 半导体二极管及应用电路

I/mA
+ -

3.稳压二极管
一种特殊的面接触型半 导体硅二极管。

正向

?U
O
+

稳压管工作于反向击穿区。
U/V

?I

反向

+
(a)稳压管伏安特性 (b)稳压管符号
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第1章 半导体二极管及应用电路

【本章小结】
? 1.半导体存在两种导电的载流子:自由电子和空穴。 纯净的半导体也称为本征半导体,在本征半导体中掺 入不同的有用杂质,可分别形成P型和N型两种杂质半 导体,P型半导体的多子是空穴,N型半导体的多子是 自由电子。 ? 2. PN结的重要特性是单向导电性,即加正向电压PN结 导通,加反向电压PN结截止。 ? 3.常用伏安特性来描述半导体二极管的性能,二极管的 主要参数有最大整流电流、最高反向工作电压、反向 击穿电压、最高工作频率等。
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第1章 半导体二极管及应用电路

? 4.分析二极管电路的很重要的方法是模型分析法,即 根据实际电路情况,为二极管建立一个接近于它原有 伏安特性的线性模型(如理想模型、恒压源模型),二 极管有很多作用,如整流、限幅、钳位等。 ? 5.特殊二极管也具有单向导电性。
? 利用PN结的反向击穿特性,可制成稳压二极管; ? 利用发光材料,可制成发光二极管; ? 利用PN结的光敏性,可制成光电二极管; ? 利用PN结的结电容,可制成变容二极管。
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第1章 半导体二极管及应用电路

主要内容 1.本征半导体及其导电特性 2.N型半导体 3.P型半导体 4.PN结的形成

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第1章 半导体二极管及应用电路

1.本征半导体及其导电特性
完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导 体称为本征半导体。 将硅或锗材
+4 +4 +4 价 电 共 价 键 +4 +4 +4 +4 +4 +4 子

料提纯便形成单
晶体,它的原子 结构为共价键结 构。

共价键有很强的结合力,在绝对 0度( T=0K),价电子 被共价键束缚着,本征半导体中没有可以运动的带电粒子 (即载流子),它的导电能力为0,相当于绝缘体。

第1章 半导体二极管及应用电路

当温度升高或受光照
时 ,将有少数价电子克服 共价键的束缚成为自由电 子,在原来的共价键中留 下一个空位——空穴。 自由电子和空穴使本 征半导体具有导电能力,
+4 +4 空穴

T?

+4

+4 自由电子

+4

+4

但很微弱。

+4

+4

+4

空穴可看成带正电的载流子。
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第1章 半导体二极管及应用电路

2.N型半导体
本征半导体掺入 5 价元素后,杂质原子最外层有 5 个价

电子,其中 4 个与硅构成共价键,多余一个电子很容易被激
发而成为自由电子。 +4 +4 +4 自由电子>>空穴

自由电子

+4

+5 +4

+4
施主原子

电子——多数载流子 (简称多子)
空穴——少数载流子 (简称少子)

+4

+4

+4

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第1章 半导体二极管及应用电路

3.P型半导体
在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素,如 硼、镓、铟等,即构成 P 型半导体。
+4 +4 空穴 +4 +4 +3 +4

空穴浓度>>电子浓度 空穴——多数载流子

受主 原子

+4

电子——少数载流子

+4

+4

+4

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第1章 半导体二极管及应用电路

4.PN结的形成
在一块半导体单晶上一侧掺杂成为 P 型半导体,另

一侧掺杂成为 N 型半导体,两个区域的交界处就形成了
一个特殊的薄层,称为 PN 结。

P

PN结

N

PN 结的形成
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