晶體二極管工作原理及應用第1頁/共59頁1.1半導體的基礎知識1.2半導體二極管及其特性1.3二極管基本應用電路及其分析方法1.4特殊二極管—穩(wěn)壓管第2頁/共59頁1.1.1半導體的導電特性1.1.2半導體的種類及其內部結構1.1半導體的基礎知識1.1.3PN結及其單向導電性第3頁/共59頁3、摻雜特性：在純凈的半導體材料中，摻雜微量雜質，其導電能力大大增強。（可增加幾十萬至幾百萬倍）1.1.1半導體的導電特性1、熱敏性：半導體受熱時，其導電能力增強。利用這種特性，有些對溫度反應特別靈敏的半導體可做成熱電傳感器2、光敏性：半導體光照時，其導電能力增強。利用這種特性，有些對光特別敏感的半導體可做成各種光敏元件。

返回第4頁/共59頁1.1.2半導體的種類及其內部結構：1.種類半導體P型半導體(空穴型）雜質半導體N型半導體（電子型）本征半導體第5頁/共59頁價電子：最外層的電子受原子核的束縛最小，最為活躍，故稱之為價電子。

最外層有幾個價電子就叫幾價元素，半導體材料硅和鍺都是四價元素。常用半導體材料硅和鍺的原子結構第6頁/共59頁本征半導體——對半導體提純，使之成為單晶體結構。這種純凈的晶體叫本征半導體。晶體管就是由此而來的。2.

半導體的內部結構及導電方式：SiSiSiSiSiSi共價鍵結構—每個價電子為兩個相鄰原子核所共有。l

內部結構：第7頁/共59頁本征激發(fā)——價電子獲得一定的能量后掙脫共價鍵的束縛成為自由電子的現(xiàn)象叫本征激發(fā)。SiSiSiSiSiSi自由電子——當溫度升高時，一些價電子獲得一定的能量后，掙脫共價鍵的束縛，成為自由電子?？昭?留下的空位自由電子數=空穴數自由電子和空穴統(tǒng)稱為載流子本征半導體的特點動畫動畫第8頁/共59頁

l

導電方式SiSiSiSiSiSi電子電流空穴電流共價健中的價電子在外電場的力的作用下掙脫共價鍵的束縛，沿與外電場方向相反方向填補空穴，就好像空穴沿與外電場方向相同的方向作定向運動，形成電流，這個電流稱為空穴電流。

外電場所以，本征半導體中有兩種電流：電子電流和空穴電流，他們的方向一致，總電流為電子電流與空穴電流之和。在半導體上加電場時第9頁/共59頁

本征半導體中電流的大小取決于自由電子和空穴的數量，數量越多，電流越大。即本征半導體的導電能力與載流子的數量有關，而當光照和加熱時，載流子的數量都會增加，這就說明了光敏性和熱敏性。第10頁/共59頁——在本征半導體中摻入五價雜質元素，例如磷，可形成

N型半導體,也稱電子型半導體。3

雜質半導體：N型半導體（電子型半導體）第11頁/共59頁SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiP熱激發(fā)產生的自由電子摻雜磷產生的自由電子摻雜磷產生的自由電子數〉〉熱激發(fā)產生的自由電子數N型半導體中自由電子數〉〉空穴數自由電子為N型半導體的多數載流子（簡稱多子），空穴為N型半導體的少數載流子（簡稱少子）因五價雜質原子中四個價電子與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵，多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形成自由電子。第12頁/共59頁N型半導體簡化圖SiSiSiSiSiP空間電荷多子第13頁/共59頁SiSiSiSiSiBl

P型半導體：往本征半導體中摻雜三價雜質硼形成的雜質半導體,P型半導體中空穴是多數載流子，主要由摻雜形成；電子是少數載流子，由熱激發(fā)形成?？昭ê苋菀追@電子，使雜質原子成為負離子。因而也稱為受主雜質。第14頁/共59頁SiSiSiSiSiB熱激發(fā)產生的空穴摻雜磷產生的空穴自由電子為P型半導體的少數載流子，空穴為P型半導體的多數載流子摻雜硼產生的空穴數>>熱激發(fā)產生的空穴數P型半導體中空穴數>>自由電子數第15頁/共59頁P型半導體簡化圖SiSiSiSiSiB第16頁/共59頁摻入雜質對本征半導體的導電性有很大的影響。一些典型的數據如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm3

摻雜后N型半導體中的自由電子濃度:n=5×1016/cm3本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

以上三個濃度基本上依次相差106/cm34

雜質對半導體導電性的影響

返回第17頁/共59頁

在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質,分別形成N型半導體和P型半導體。此時將在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:PN++++++內電場PN++++++1.1.3PN結及其單向導電性1PN結的形成第18頁/共59頁因濃度差多子產生擴散運動

(PN)

形成空間電荷區(qū)

(NP)

形成內電場(NP)

阻止多子擴散促使少子漂移（NP）動態(tài)平衡動畫第19頁/共59頁２PN結的特性——單向導電性當外加電壓時，PN結就會顯示單向導電性單向導電性：PN結加反向電壓時，截止。規(guī)定：P區(qū)接電源正，N區(qū)接電源負為PN結加正向電壓N區(qū)接電源正，P區(qū)接電源負為PN結加反向電壓PN結加正向電壓時，導通。PN++++++第20頁/共59頁

(1)PN結加正向電壓時的導電情況

PN結加正向電壓時，外加的正向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是,內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響，PN結呈現(xiàn)低阻性。其理想模型：開關閉合內電場外電場

動畫1-4PN結正偏第21頁/共59頁

(2)PN結加反向電壓時的導電情況

外加的反向電壓有一部分降落在PN結區(qū)，方向與PN結內電場方向相同，加強了內電場。內電場對多子擴散運動的阻礙增強，擴散電流大大減小。此時PN結區(qū)的少子在內電場的作用下形成的漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流，由于漂移電流是少子形成的電流，故反向電流非常小，PN結呈現(xiàn)高阻性。PN結加反向電壓時內電場外電場

動畫1-5PN結反偏第22頁/共59頁

在一定的溫度條件下，由本征激發(fā)決定的少子濃度是一定的，故少子形成的漂移電流是恒定的，基本上與所加反向電壓的大小無關，這個電流也稱為反向飽和電流。

PN結加反向電壓時的導電情況第23頁/共59頁PN結加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。PN結加反向電壓時的導電情況圖01.07PN結加正向電壓時的導電情況PN結加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流；由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。第24頁/共59頁1.2半導體二極管及其特性1.2.1半導體二極管的結構與類型1.2.2半導體二極管的伏安特性曲線1.2.3半導體二極管的主要參數1.2.4半導體二極管的溫度特性第25頁/共59頁1.2.1半導體二極管的結構與類型

在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。它們的結構示意圖如圖所示。(1)點接觸型二極管—

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型結構圖第26頁/共59頁(c)平面型結構圖(3)平面型二極管—

往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。(2)面接觸型二極管—PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型結構圖返回第27頁/共59頁1.2.2半導體二極管的伏安特性曲線

半導體二極管的伏安特性曲線如圖01.12所示。處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。U/V第28頁/共59頁

式中IS為反向飽和電流，UD為二極管兩端的電壓降，UT

為溫度的電壓當量。對于室溫（相當T=300K），則有UT=26mV。根據理論推導，二極管的伏安特性曲線可用下式表示U/V第29頁/共59頁(1)正向特性硅二極管的死區(qū)電壓約為：Uth=0.5V左右，鍺二極管的死區(qū)電壓約為：Uth=0.1V左右。

當0＜U＜Uth時，正向電流為零，Uth稱為死區(qū)電壓或開啟電壓，管子截止。

當U＞0即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：

當U＞Uth時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數規(guī)律增長。管子導通。U/VU第30頁/共59頁(2)反向特性當U＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：

當UBR＜U＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS

，IS

≈0。管子截止。

當U≥UBR時，反向電流急劇增加，管子擊穿。UBR稱為反向擊穿電壓。U/VUBR第31頁/共59頁1.2.3半導體二極管的主要參數主要參數極限參數：使器件損壞的參數特征參數：使器件的某個特性消失的參數第32頁/共59頁1.最大整流電流

在測試溫度下，二極管允許通過的最大平均電流2.最大反向峰值電壓二極管允許承受的最大反向電壓3.反向電流在室溫下，二極管未擊穿時的反向電流4.反向恢復時間

二極管兩端電壓從正電壓變化為反向電壓時要延遲一段時間，這段時間稱為反向恢復時間。第33頁/共59頁半導體二極管圖片第34頁/共59頁半導體二極管圖片第35頁/共59頁半導體二極管圖片返回第36頁/共59頁

二極管的單向導電性應用很廣，可用于：檢波、整流、限幅、鉗位、開關、元件保護等。例1：設二極管得導通電壓為0.6V，求UO-6V-12V解：D導通，UO=-

6.6V1.3二極管基本應用電路及其分析方法第37頁/共59頁例2：設二極管的導通電壓忽略，已知ui=Asinwt(V)，畫出uO的波形。tuituo第38頁/共59頁例3：設二極管的導通電壓忽略，已知ui=10sinwt(V)，E=5V，畫uo的波形。tui10v5vtuo5v第39頁/共59頁

例4：電路如下圖，已知u=10sin(t)(V)，E=5V，試畫出uo的波形解：uuot

u

uot

第40頁/共59頁例5：VA=3V,VB=0V，求VF

(二極管的導通電壓忽略)返回第41頁/共59頁例6教材p55題1.4.6（b）例7教材p55題1.4.9作業(yè)：p54題1.4.3；題1.4.5；題1.4.7第42頁/共59頁1.4特殊的二極管——穩(wěn)壓二極管第43頁/共59頁

穩(wěn)壓二極管是應用在反向擊穿區(qū)的特殊硅二極管。穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線與硅二極管的伏安特性曲線完全一樣，穩(wěn)壓二極管伏安特性曲線的反向區(qū)、符號和典型應用電路如圖所示。一、穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線及穩(wěn)壓原理：(a)符號(b)伏安特性(c)應用電路(c)(a)(b)U/VUZ第44頁/共59頁從穩(wěn)壓二極管的伏安特性曲線上可以確定穩(wěn)壓二極管的參數

(1)穩(wěn)定電壓UZ

——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應的反向工作電壓。二、主要參數

(2)最大穩(wěn)定工作電流

IZmax

和最小穩(wěn)定工作電流IZ

—————

穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。若IDZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。UZ?UZU第45頁/共59頁

(3)耗散功率

PZM

——

穩(wěn)壓管的最大功率損耗取決于PN結的面積和散熱等條件。反向工作時PN結的功率損耗為

PZ=UZIZ，由

PZM和UZ可以決定IZmax。?UZ第46頁/共59頁穩(wěn)壓二極管在工作時應反接，并串入一只電阻。電阻的作用一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。三、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路的工作原理第47頁/共59頁應用舉例例1：電路如圖，求流過穩(wěn)壓管的電流IZ，R是否合適？解：故，R是合適的。第48頁/共59頁例2：電路如圖，IZmax=50mA，R=0.15KΩ,

UI

=24V,IZ=5mA,UZ=12V，問當RL=0.2KΩ

時，電路能否穩(wěn)定，為什么？當RL

=0.8KΩ

時，電路能否穩(wěn)定，為什么？解：