1、1,湖南科技大学信息与电气工程学院,主讲: 杨 林,第三章 半导体二极管及基本电路,2,物质的导电性能分类,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。电阻率小于10-4 cm,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。电阻率大于109cm,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。电阻率10-4 cm-109cm,一、导体、半导体和绝缘体,3,3.1 半导体基础知识,（一）本征半导体：,纯净的具有晶体结构的鍺、硅、硒,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：纯净的半导
2、体中掺入微量某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管等）。,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、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,3,4,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。,半导体的结构：,4,5,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，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,本征激发：,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。,自由电子,在
3、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，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,5,6,结论： (1) 半导体有两种载流子（负）电子、（正）空穴 (2) 自由电子和空穴成对地产生，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。 (3) 载流子的数量少，故导电性能很差。 (4) 载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。 (5) 当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），在半导体中将出现两部分电流 自由电子作定向运动 电子电流价电子递补空穴 空穴电流,6,7
4、,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,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,（二）杂质半导体：,掺入少量杂质的半导体,下一节,上一页,下一页,返 回,7,8,下一节,上一页,下一页,返 回,(1) N 型半导体（电子型半导体） 形成：向本征半导体中掺入少量的 5 价元素 特点：（a）含有大量的电子多数载流子（b）含有少量的空穴少数载流子,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,(2) P 型半导体（空穴型半导体） 形成：向本征半导体中掺入少量的 3 价元素 特点：（a）含有大量的空穴多数载流子（b）含有少量的电子少数载流子,8,9,（三）PN 结,(1)
5、 PN 结的形成,多数载流子的浓度差,即PN 结或耗尽层,下一节,上一页,下一页,返 回,半导体器件的基础,9,10,(2) PN 结的特性 （a）PN 结外加正向电压,PN 结正偏,下一节,上一页,下一页,返 回,10,11,（b）PN 结外加反向电压,PN 结反偏,下一节,上一页,下一页,返 回,11,12, 结论： 加正向电压导通 加反向电压截止,下一节,上一页,下一页,返 回,12,13,3.2 半导体二极管,（一）基本结构,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,两层半导体 一个PN结,13,14,15,半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2 A P 9用数字代
6、表同类型器件的不同型号用字母代表器件的类型，P代表普通管用字母代表器件的材料，A代表N型GeB代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si2代表二极管，3代表三极管,16,17,3.2.2 二极管的伏安特性,一、PN 结的伏安方程,反向饱和电流10-8-10-14A,温度的 电压当量,电子电量,玻尔兹曼常数1.38*10-23J/K,当 T = 300(27C)：,UT = 26 mV,18,二、二极管的伏安特性,正向特性,Uth,死区 电压,iD = 0,Uth = 0.5 V,0.1 V,(硅管),(锗管),U Uth,iD 急剧上升,0 U Uth,UD(on) = (0.6 0.8)
7、V,硅管 0.7 V,(0.2 0.4) V,锗管 0.3 V,反向特性,IS,U (BR),反向击穿,U(BR) U 0,iD = IS, 0.1 A(硅),几十 A (锗),U U(BR) ,反向电流急剧增大,(反向击穿),19,反向击穿类型：,电击穿,热击穿,反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,20,（二）伏安特性：
8、,二极管电流与电压之间的关系,正向：死区（ OA 段）: 硅管约 0.5 V，锗管约 0.2 V；正向导通区: 硅管 约 0.7 V，锗管约0.3 V,温度增加，曲线左移,反向：截止区（ OB 段）: I 近似为 0；击穿区: 管子被击穿,半导体二极管的伏安特性,(a) 近似特性 (b) 理想特性,温度增加，曲线下移,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,20,21,（c） 折线近似模型,UD(on),斜率1/ rD,rD,UD(on),22,温度对二极管特性的影响,60,40,20, 0.02,0,0.4,25,50,iD / mA,uD / V,20C,90C,T 升高时，,UD(on)
9、以 (2 2.5) mV/ C 下降,23,3.2.3 二极管的主要参数,1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流),2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2,3. IR 反向电流(越小单向导电性越好),4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差),24,影响工作频率的原因 ,PN 结的电容效应,结论： 1. 低频时，因结电容很小，对 PN 结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单向导电性变差。 2. 结面积小时结电容小，工作频率高。,25,二极管的单向导电性,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
10、，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。,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,25,26,二极管电路分析：先判断二极管的工作状态,导通截止,若 V阳 V阴或 UD为正，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，反向截止时相当于开路。,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。,下一节,上一页,下一页
11、,返 回,上一节,（四）主要应用,整流、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,26,27,UD(on),例1:下图电路中，硅二极管，R = 2k,分别用二极管理想模型和恒压降模型求出VDD = 2V和VDD = 10 V 时 IO 和 UO 的值。,二极管应用举例,理想模型,恒压降模型,实际电路,28,解,1. VDD = 2 V,理想,IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA),UO = VDD = 2 V,恒压降,UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V),IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA),2. VDD = 10
12、 V,理想,IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA),恒压降,UO = 10 0.7 = 9.3 (V),IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA),VDD 大，采用理想模型 VDD 小，采用恒压降模型,29,例2：试求电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压UO 的值。,解：假设二极管断开,UP = 15 V,UP UN,二极管导通,等效为 0.7 V 的恒压源,P,N,30,UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V),IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA),I2 = (UO VDD2) / R = (14.3
13、12) / 1 = 2.3 (mA),I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA),31,分析输出电压和二极管上电压的波形。 假设二极管为理想二极管。,u2 正半周，VaVb， D导通，uo = u2 ；,u2 负半周，Va Vb， D 截止，uo = 0 。,例3：,二极管起整流作用,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,31,32,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 VV阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例4：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极
14、和阴极的电位。,二极管起钳位作用,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,32,33,两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 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V， UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通，钳位，使 D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例5:,流过 D2 的电流为,求：UAB,D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,33,34,例6:,当VA = 3V，VB = 0V时，分析输出端的电位VY。,理想二极管：VY
15、 = VB = 0V, UDB UDA DB 优先导通， DA截止。,锗二极管：VY = VB + UD = 0.3V,硅二极管：VY = VB + UD = 0.7V, UDA UDB DA 优先导通， DB截止。,理想二极管：VY = VA = 3V,锗二极管：VY = VA - UD = 2.7V,硅二极管：VY = VA - UD = 2.3V,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,34,35,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8Vui 8V，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。,8V,例7：,参考点,二极管阴极电位为 8 V
16、,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,二极管起限幅作用,35,36,下一节,上一页,下一页,返 回,上一节,例8 当Us 分别为 2 V、4 V，而 ui 分别为3 V、 3 V 时，试画出 uo 的波形。,36,37,(2) 主要特点： (a) 正向特性同普通二极管 (b) 反向特性较大的 I 较小的 U 工作在反向击穿状态。在一定范围内，反向击穿 具有可逆性。,3.3 特殊二极管,（一）稳压二极管,（3）主要参数稳定电压：Uz 最小稳定电流：Izmin 最大稳定电流：Izmax,(1) 结构：面接触型硅二极管,上一页,下一页,返 回,下一节,上一节,(a) 图形符号 (b) 伏安特性,
17、37,38,例 稳压二极管的稳定电压UZ = 5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui 分别为 直流10 V、3 V、-5V时，求输出电压UO；若 ui = 10sin tV，试画出 uo 的波形。,解：,Ui = 10V：,DZ 工作在反向击穿区，稳压，UO = UZ = 5V,Ui = 3V：,DZ 反向截止，UO = Ui = 3V,Ui = -5V：,DZ 工作在正向导通状态，UO = 0V,ui = 10sintV：,ui正半周，当ui UZ，DZ 反向击穿，uO = 5V,当ui UZ，DZ 反向截止，uO = ui,ui负半周，DZ 正向导通，uO = 0V,5V,上一页,下一页,
18、返 回,下一节,上一节,38,39,（二）光电二极管,光电二极管工作于反向偏置状态。无光照时电路中电流很小，有光照时电流会急剧增加。,光电二极管电路,发光二极管电路,（三）发光二极管,发光二极管工作于正向偏置状态。正向电流通过发光二极管时，它会发出光来，正向工作电压一般不超过 2 V，正向电流为10 mA左右。发光二极管常用于数字仪表和音响设备中的显示器。冷光源。,上一页,下一页,返 回,下一节,上一节,39,40,（四）光电耦合器,又称光电隔离器。是发光器件和受光器件的组合体。,输入和输出电路之间没有电的直接联系，实现电路之间的电气隔离，具有良好的抗干扰性。,上一页,下一页,返 回,下一节,上一节,40,
