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1、第二章半导体二极管及其基本电路 返回 第二章半导体二极管及其基本电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 3二极管 第二章半导体二极管及其本电路 对你的期望 3 掌握二极管外特性 基本电路及分析方法 应用 4 正确理解二极管工作原理 主要参数 使用方法 1 了解PN结的形成 2 掌握以下基本概念 空穴 多子 少子 扩散运动 漂移运动 PN结正偏 PN结反偏 5 掌握稳压管工作原理及使用 第二章半导体二极管及其基本电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2
2、 3二极管 2 1半导体的基本知识 2 1 1半导体 2 1 2本征半导体 2 1 3掺杂半导体 2 1 4杂质半导体示意图 2 1 1半导体 物质的导电性能决定于原子结构 最外层电子数目越少 导电性能越强 导体 一般是低价元素 如铜 铁 铝 绝缘体 一般为高价元素 如惰性气体 或高分子物质 如塑料或橡胶 半导体 它的导电性能是介于导体和绝缘体之间的 常用半导体材料 硅 Si 和锗 Ge 它们均为四价元素 半导体的导电特性 可做成温度敏感元件 如热敏电阻 掺杂性 往纯净的半导体中掺入某些杂质 导电能力明显改变 光敏性 当受到光照时 导电能力明显变化 可做成各种光敏元件 如光敏电阻 光敏二极管
3、光敏三极管等 热敏性 当环境温度升高时 导电能力显著增强 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 2 1 2本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子 称为价电子 价电子 价电子在获得一定能量 温度升高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 成为自由电子 带负电 同时共价键中留下一个空位 称为空穴 带正电 本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发 空穴 温度愈高 晶体中产生的自由电子便愈多 自由电子 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于
4、空穴的运动 相当于正电荷的移动 本征半导体的导电机理 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 注意 1 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 2 温度愈高 载流子的数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 自由电子和空穴都称为载流子 自由电子和空穴成对地产生的同时 又不断复合在一定温度下 载流子的产生和复合达到动态平衡 半导体中载流子便维持一定的数目 2 1 3掺杂半导体 掺杂后自由电子数目大量增加 自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式 称为电子半导体或N型半导体 掺入五价元素
5、多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 形成杂质半导体 在N型半导体中自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 2 1 3掺杂半导体 掺杂后空穴数目大量增加 空穴导电成为这种半导体的主要导电方式 称为空穴半导体或P型半导体 掺入三价元素 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 硼原子 接受一个电子变为负离子 空穴 无论N型或P型半导体都是中性的 对外不显电性 2 1 4N型半导体和P型半导体示意表示法 P型半导体 N型半导体 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量
6、与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 第二章半导体二极管及其基本电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 3二极管 2 2PN结的形成及特性 2 2 1PN结的形成 2 2 2PN结的单向导电性 2 2 3PN结的反向击穿 2 2 4PN结的结电容效应 自学了解 P型半导体 N型半导体 2 2 1PN结的形成 形成空间电荷区 扩散的结果是使空间电
7、荷区逐渐加宽 空间电荷区越宽 内电场越强 就使漂移运动越强 而漂移使空间电荷区变薄 2 2 1PN结的形成 所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 2 2 1PN结的形成 因浓度差 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 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 在一块本征半导体在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 PN结的形成 2 2 2PN结单向导电性 2 2 2PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 P接正 N接负 IF 多子在外电场
8、的作用之下通过PN结进入对方 形成较大的正向电流 PN结加正向电压时 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 2 PN结加反向电压 反向偏置 少子在电场的作用之下 通过PN结进入对方 但少子数量很少 形成的反向电流很小 IR P接负 N接正 P N 温度越高少子的数目越多 反向电流将随温度增加 PN结加反向电压时 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 3 结论 PN结具有单向导电性 PN结加正向电压时 正向导通 电阻值很小 具有较大的正向导通电流 开关闭合 PN结加反向电压时 反向截止 呈现高电阻 具有较小反向饱和电流 开关断开 4 PN结V I特性表示式 二极管特性方程 2
9、 2 3PN的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 2 2 4PN结电容效应 自学了解 第二章半导体二极管及其基本电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 3二极管 2 3半导体二极管 2 3 1基本结构 2 3 2伏安特性 2 3 3主要参数 2 3半导体二极管 2 3 1基本结构 a 点接触型 b 面接触型 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 结面积大 正向电流大 结电容大 用于工频大电流整流电路 c 平面型用于集成电路制作工艺中 PN结结
10、面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 2 3半导体二极管 二极管的结构示意图 符号 D 2 3半导体二极管 伏安特性实验电路 2 3 2伏安特性 2 3 2伏安特性 硅管0 5V 锗管0 1V 反向击穿电压U BR 导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通 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 正向特性 反向特性 特点 非线性 硅0 6 0 8V 锗0 2 0 3V 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数 2 3 3主要参数 1 最大整流电流IF 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 反向击穿电压VBR 3 反向电流IR 二极管反向电流急剧增加时对应
11、的反向电压值 最大反向工作电压VRM 实际工作时 为安全 VRM VBR 2 在室温及规定的反向电压下的反向电流值 硅管 nA 级 锗管 A 级 二极管的单向导电性 1 二极管加正向电压 正向偏置 阳极接正 阴极接负 时 二极管处于正向导通状态 二极管正向电阻较小 正向电流较大 2 二极管加反向电压 反向偏置 阳极接负 阴极接正 时 二极管处于反向截止状态 二极管反向电阻较大 反向电流很小 3 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 4 二极管的反向电流受温度的影响 温度愈高反向电流愈大 第二章半导体二极管及其基本电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 4二极
12、管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 3二极管 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 4 1半导体二极管等效模型 1理想模型 理想二极管 2恒压降模型 2 4 2二极管电路分析举例 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 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UD为正 正向偏置 二极管导通若V阳 V阴或UD为负 反向偏置 二极管截止 若二极管是理想的 正向导通时正向管压降为零 反向截止时二极管相当于断开 Eg 1简单硅二极管电路 R 10K 解 分析可知二极管正偏 1理想模型 2恒压降模型 求 VDD 10V时ID及VD 硅二极管电路
13、如图 求 UAB V阳 6VV阴 12VV阳 V阴二极管导通1 理想模型 VD 0V UAB 6V2 恒压降模型 VD 0 7V UAB 6 7V Eg 2 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 在这里 二极管起钳位作用 两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 V1阳 6V V2阳 0V V1阴 V2阴 12VUD1 6V UD2 12V UD2 UD1 D2优先导通 D1截止 1 理想模型 VD2 0V UAB 0V Eg 3 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 求 UAB 在这里 D2起钳位作用 D1起隔离作用 Eg 4电路
14、如图 设D为理想二极管 判断二极管工作状态 并求输出电压 D导通 D2优先导通D1截止 D2优先导通 D1截止 VAO 15V VAO 0V VA0 4V 参考点 ui 3V 二极管导通 可看作短路uo 3Vui 3V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 3V Eg 5限幅电路 二极管阴极电位为3V Eg 6全波整流电路 2 工作原理 u正半周 Va Vb 二极管D1 D3导通 D2 D4截止 3 工作波形 1 电路结构 Eg 6全波整流电路 2 工作原理 3 工作波形 1 电路结构 u正半周 Va Vb 二极管1 3导通 2 4截止 u负半周 Va Vb
15、二极管2 4导通 1 3截止 第二章半导体二极管及其基本电路 2 1半导体的基本知识 2 2PN结的形成及特性 2 4二极管的基本电路及其分析方法 2 5特殊二极管 2 3二极管 2 5特殊二极管 利用二极管电容效应 多用于高频技术 光电二极管 特点 抗干扰能力强 传输信息量大 传输损耗小且工作可靠 在信号传输和存储等环节中多用 导通电流为2mA 10mA 20mA 导通电压为1V 2V 发光二极管 常见有红 绿 黄三种颜色 主要用于显示 主要应用于小功率光电设备中 如 光盘驱动器和激光打印机的打印头等 激光二极管 2 5 1稳压二极管 1 符号 UZ IZ IZM UZ IZ 2 伏安特性
16、稳压管正常工作时加反向电压 使用时要加限流电阻 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 3 主要参数 1 稳定电压UZ稳压管正常工作 反向击穿 时管子两端的电压 2 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 3 动态电阻 4 稳定电流IZ 最大稳定电流IZM 5 最大允许耗散功率PZM UZIZM rZ愈小 曲线愈陡 稳压性能愈好 4 基本稳压电路 稳压管工作必要条件 工作在反向击穿状态 串入电阻RIZmin IZ IZmax 2 上述电路VI为正弦波 且幅值大于VZ VO的波形是怎样的 1 电阻R的作用是什么 不加可不可以 思考 5 选管的原则 思考题 电路中 3为理想二极管 灯泡全同 则最亮的灯为哪个 为理想二极管 当用普通指针式万用表置 档 用黑表笔接 红表笔接 则万用表指示值为多少 3 两个稳压管稳压值分别为6V 7V且它们的正向导通压降为0 6V 则两管串联时可能有几种输出电压 两管并联时又可能有几种输出电压 思考题 4 稳压管的稳压值UZ 6V 稳定电流的最小值IZmin 5mA 求电路中UO1和UO2
