模拟电子技术 翟丽芳第1章　半导体二极管及其基本应用

第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用第1章　半导体二极管及其基本应用电路1.1　半导体基础知识1.2　PN结1.3　半导体二极管1.4　半导体二极管的基本应用电路1.5　特殊二极管第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用本章教学要求 了解半导体的导电机理，理解PN结及其特性； 理解半导体二极管的结构和工作原理，掌握其外特性和主要参数； 理解二极管在整流、限幅等电路中的应用； 掌握稳压二极管的外特性、主要参数及应用； 了解特殊二极管的工作原理及应用。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.1　半导体基础知识1.1.1　本征半导体半导体Semiconductor:导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。硅和锗原子结构的简化模型常见半导体材料：锗（Ge）、硅（Si）第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用2.本征半导体的晶体结构本征半导体：纯净的半导体称为本征半导体。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用3.本征半导体中的两种载流子：自由电子和空穴本征半导体中的自由电子和空穴结论：本征半导体中自由电子浓度=空穴浓度第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.1.2　杂质半导体　N型半导体1.N型半导体：在本征半导体中掺入5价元素物质。多子：电子少子：空穴第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用　P型半导体2.P型半导体：在本征半导体中掺入3价元素物质。多子：空穴少子：电子第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转型为P型杂质半导体的转型：当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转型为N型第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.2.1　PN结的形成　PN结形成中载流子的扩散运动1.2　PN结第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用动态平衡的PN结当漂移运动和扩散运动相等时，形成稳定的PN结第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用　不对称的PN结第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.PN结正向偏置　PN结正向偏置形成正向漂移电流，较大（mA）1.2.2　PN结的单向导电性第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用2.PN结反向偏置　PN结反向偏置形成少子的反向漂移电流，较小（微安级）第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.2.3　PN结的伏安特性IS为反向饱和电流；UT为温度的电压当量绝对温度T＝300K时，UT≈26mV。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.2.4　PN结的电容效应势垒电容CB扩散电容CD结电容Cj=势垒电容CB+扩散电容CD第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.2.5　PN结的温度特性　PN结随温度变化的伏安特性结论：温度上升，PN结的正向特性曲线将左移，反向特性曲线下移。温度每升高1℃，正向压降减少2~2.5mV；温度每升高10℃，IS约增大一倍。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用小结：▲当PN结加上正向电压时，形成多子的扩散电流（较大）。▲当PN结加上反向电压时，形成少子的漂移电流（很小）。▲PN结特性：具有单向导电性▲因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。此电流称为反向饱和电流，记为IS。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用思考题1.半导体中的载流子浓度主要与那些因素有关？2.温度升高，半导体的导电率如何变化？3.扩散电流与漂移电流的区别是什么？第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.3　半导体二极管1.3.1　半导体二极管的结构和类型1.3.2　半导体二极管的伏安特性1.3.3　半导体二极管的主要电参数第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.3.1　半导体二极管的结构和类型　半导体二极管的结构和符号a)点接触型　b)面接触型　c)平面型　d)图形符号第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.3.2　半导体二极管的伏安特性　a)硅二极管(2CP10)的伏安特性曲线b)锗二极管(2AP15)的伏安特性曲线第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.正向特性当外加正向电压较小时，正向电流非常小，近似为零，二极管仍未完全导通，该区域称为“死区”。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。当u>>UT时，硅二极管的导通电压约为0.7V，锗二极管的导通电压约为0.3V。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用2.反向特性1)二极管反向偏置时，反向电流由少子漂移而成，所以在室温下的反向电流很小，且几乎不随反向电压的变化而变化。2)当反向电压超过一定范围后，反向电流急剧增大，这种现象称为反向击穿。3)产生击穿的机理分齐纳击穿和雪崩击穿。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.3.3　半导体二极管的主要电参数直流参数（1）直流电阻RD：RD＝（2）反向电流IR（3）正向电压降UF第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用（1）微变动态电阻rd　二极管的动态等效电阻a)电路　b)伏安特性　c)动态电阻2.交流参数rd≈（2）最高工作频率fM第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用3.极限参数（1）最大整流电流IF：指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流。（2）反向击穿电压U（BR）（3）最高反向工作电压UR：通常为反向击穿电压的一半。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用例1-1　设简单的硅二极管电路如图所示。已知，R＝10kΩ，对下列两种情况，求电路的iD和uD值。(1)VDD＝15V；(2)VDD＝1.5V。　简单硅二极管电路第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用解：　二极管是一种非线性器件，包含二极管的电路是非线性电路。为了计算分析的方便，在特定条件下，可以对二极管的非线性特性进行线性化或分段线性化处理。　二极管伏安特性的两种模型a)理想二极管的伏安特性和模型　b)二极管恒压模型及其伏安特性第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.4　半导体二极管的基本应用电路1.4.1　半波整流电路1.4.2　开关电路1.4.3　限幅电路第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.4.1　半波整流电路　半波整流电路及其工作波形a)电路　b)输入、输出电压波形第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用图1-19　二极管开关电路1.4.2　开关电路第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.4.3　限幅电路　限幅电路及其工作波形a)电路　b)工作波形第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.5　特殊二极管1.5.1　稳压二极管1.5.2　发光二极管、光敏二极管和光耦合器1.5.3　变容二极管第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.5.1　稳压二极管在实际应用中，稳压二极管总是工作于反向击穿状态。　第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用2.稳压二极管的主要参数(1)稳定电压UZ(2)动态电阻rz(3)稳定电流IZ(4)最大耗散功率PZM(5)温度系数α第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用图1-22　具有温度补偿的稳压二极管第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用3.稳压二极管的等效电路　稳压二极管伏安特性的折线近似及其模型a)伏安特性的折线近似　b)等效模型第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用　4.稳压二极管稳压电路图1-24稳压二极管稳压电路限流电阻第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用限流电阻计算例1-2　在图1-24所示稳压二极管组成的稳压电路中，已知输入电压UI＝10～12V，稳压二极管的稳定电压UZ＝6V，最小稳定电流IZmin＝1mA，最大稳定电流IZmax＝18mA，负载电阻RL＝600Ω。求解限流电阻R的取值范围。例1-3　稳压二极管组成的稳压电路如图1-24所示。图中，限流电阻R＝2kΩ，输入电压UI＝20V，稳压二极管的稳定电压UZ＝8V，最大稳定电流IZmax＝25mA，负载电阻RL＝2kΩ，动态电阻rz可忽略。试求：(1)输出电压UO、负载电流IO、I及流过稳压管的电流IZ的值；(2)当UI降低为15V时的UO、IO、I及IZ的值。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.5.2　发光二极管、光敏二极管和光耦合器发光二极管光敏二极管光耦合器第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.发光二极管　发光二极管a)外形图　b)图形符号发光二极管应用电路第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用例1-4　电路如图1-26所示。已知此发光二极管LED740-01AU的导通电压典型值Uon＝1.85V，正向工作电流一般取5～20mA。试问：为使发光二极管正常工作，电路中限流电阻R的取值范围是多少？第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用2.光敏二极管光敏二极管是一种光接收器件，其PN结工作在反偏状态，在其PN结处通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。光敏二极管作为光电器件，广泛应用于光的测量和光电自动控制系统，如光纤通信中的光接收机、电视机和家庭音响的遥控接收。第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用3.光耦合器第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.5.3　变容二极管第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用　变容二极管应用电路第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用1.硅和锗是两种常见的制造半导体器件的材料。2.N型半导体的多数载流子是自由电子，少数载流子是空穴;P型半导体的多数载流子是空穴，少数载流子是自由电子。3.半导体中载流子的基本运动形式是扩散运动和漂移运动，PN结是由这两种运动达到平衡时形成的。4.当PN结正向偏置时，空间电荷区变窄，呈现为低电阻，处于导通状态；当PN结反问偏置时，空间电荷区变宽，呈现为高电阻，处于反向截止状态。本章小结第*页模拟电子技术江苏理工学院电信学院第一章半导体二极管及其应用5.PN结的伏安特性 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达式为6.半导体二极管由一个PN结构成，具有单向导电性，即开关特性。7.半导体二极管可用于整流、限幅、钳位等电路。8.稳压二极管主要利用其在反向击穿状态下的恒压特性。本章小结