半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用第1頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體第2頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)現(xiàn)代電子學(xué)中，用得最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層都電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。它們的最外層電子既不像導(dǎo)體那樣容易掙脫原子核的束縛成為自由電子，也不像絕緣體那樣被原子核束縛很緊，內(nèi)部沒有自由電子，所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。第3頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月一、本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是純凈半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體中的四價(jià)元素是靠共價(jià)鍵結(jié)合成分子的。半導(dǎo)體包括本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體共價(jià)鍵共用電子對(duì)硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)第4頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月共價(jià)鍵具有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子都處于正四面體的中心，其它原子處在四面體的頂點(diǎn)，每個(gè)原子與其相鄰的原子間形成共價(jià)鍵。第5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月本征激發(fā)和兩種載流子在常溫下，本征半導(dǎo)體內(nèi)部?jī)H有極少數(shù)的價(jià)電子可以在熱運(yùn)動(dòng)的激發(fā)下，掙脫原子核的束縛而成為晶格中的自由電子，與此同時(shí)，在共價(jià)鍵中將留下一個(gè)帶正電的空位子，稱為空穴。自由電子束縛電子空穴第6頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月熱運(yùn)動(dòng)激發(fā)所產(chǎn)生的電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)的，稱為電子-空穴對(duì)。本征半導(dǎo)體因熱運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)的現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。在外加電場(chǎng)力的作用下，自由電子的移動(dòng)形成一個(gè)與自由電子移動(dòng)方向相反的電流。外加電場(chǎng)力空穴的移動(dòng)可以看成是自由電子定向依次填充空穴而形成的，形成與空穴運(yùn)動(dòng)方向相同的空穴電流。第7頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體內(nèi)部同時(shí)存在著自由電子和空穴移動(dòng)所形成的電流是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)體在導(dǎo)電機(jī)理上本質(zhì)的差別。在電子技術(shù)中把參與導(dǎo)電的物質(zhì)稱為載流子。本征半導(dǎo)體中有兩種載流子，一種是帶負(fù)電的自由電子，另一種是帶正電的空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。第8頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度越高，由本征激發(fā)所產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)越多，本征半導(dǎo)體內(nèi)部載流子的濃度也越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就越強(qiáng)，這就是半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受溫度影響的直接原因。本征半導(dǎo)體本征激發(fā)的現(xiàn)象還與原子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，硅的最外層電子離原子核較鍺的最外層電子近，所以硅最外層電子受原子核的束縛力較鍺的強(qiáng)，本征激發(fā)現(xiàn)象比較弱，熱穩(wěn)定性比鍺好。第9頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第10頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、雜質(zhì)半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力除了與溫度有關(guān)外，還與半導(dǎo)體內(nèi)部所含的雜質(zhì)有關(guān)。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)，可以使雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力得到改善，并受所摻雜質(zhì)的類型和濃度控制，使半導(dǎo)體獲得重要的用途。由于摻入半導(dǎo)體中的雜質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體可分為N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體兩大類。第11頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月1、N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中，摻入微量的五價(jià)元素，如磷（P）。五價(jià)元素的四個(gè)價(jià)電子與硅（或鍺）原子組成共價(jià)鍵后、將多余一個(gè)價(jià)電子。這一多余的電子不受共價(jià)鍵的束縛，容易掙脫原子核的束縛而成為自由電子。于是，半導(dǎo)體中自由電子的數(shù)量劇增。多余電子磷原子每個(gè)磷原子給出一個(gè)電子，故稱為施主原子。第12頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月N型半導(dǎo)體中的載流子是什么？（1）由施主原子提供的電子，數(shù)目與施主原子相同；（2）本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。由于摻入雜質(zhì)使自由電子數(shù)目大大增加，所以在N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)目遠(yuǎn)大于空穴數(shù)目。電子為多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），空穴為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子)。N型半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電，在本征半導(dǎo)體中摻入的雜質(zhì)越多，所產(chǎn)生的自由電子數(shù)也越多，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。

第13頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2、P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體硅（或鍺）中，摻入微量的三價(jià)元素，如硼（B）。三價(jià)元素的3個(gè)價(jià)電子與硅（或鍺）原子組成共價(jià)鍵后、將產(chǎn)生一個(gè)空位?？瘴慌鹪舆@一空位容易被鄰近的自由電子填補(bǔ)，產(chǎn)生一個(gè)空穴。于是，半導(dǎo)體中空穴的數(shù)量劇增?？昭總€(gè)硼原子接受一個(gè)電子，故稱為受主原子。第14頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月P型半導(dǎo)體中的載流子是什么？（1）由于受主原子而產(chǎn)生的空穴，數(shù)目與受主原子相同；（2）本征激發(fā)成對(duì)產(chǎn)生的電子和空穴。由于摻入雜質(zhì)使數(shù)目空穴大大增加，所以在P型半導(dǎo)體中，空穴數(shù)目遠(yuǎn)大于自由電子數(shù)目?？昭槎鄶?shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子），電子為少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子)。P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，在本征半導(dǎo)體中摻入的雜質(zhì)越多，所產(chǎn)生的空穴數(shù)也越多，雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力就越強(qiáng)。

第15頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月三、PN結(jié)利用特殊的摻雜工藝，可以在一塊晶片的兩邊分別生成N型和P型半導(dǎo)體，在兩者的交界處將形成PN結(jié)。P型半導(dǎo)體N型型半導(dǎo)體擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E空間電荷區(qū)（擴(kuò)散使空間電荷區(qū)加寬）（漂移使空間電荷區(qū)變薄）1、PN結(jié)的形成當(dāng)參與擴(kuò)散的多數(shù)載流子和參與漂移的少數(shù)載流子在數(shù)目上相等時(shí)，空間電荷區(qū)內(nèi)電荷的數(shù)目將達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡，并形成PN結(jié)。第16頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月第17頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2、PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）外加正向電壓-----正向偏置(P接+,N接-)內(nèi)電場(chǎng)E內(nèi)外電場(chǎng)E外E外削弱E內(nèi),空間電荷區(qū)變窄,擴(kuò)散大大超過漂移,形成較大的正向電流Ⅰ,呈現(xiàn)比較小的電阻。I第18頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）外加反向電壓-----反向偏置(P接-,N接+)E外增強(qiáng)E內(nèi),空間電荷區(qū)變厚,阻礙擴(kuò)散,促進(jìn)少子的漂移形成微小的反向電流ⅠS,呈現(xiàn)較大的電阻,ⅠS稱為反向飽和電流。外電場(chǎng)E外內(nèi)電場(chǎng)E內(nèi)歸納PN結(jié)的單向?qū)щ娦员憩F(xiàn)為:正偏導(dǎo)通,反偏截止第19頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3、PN結(jié)的電流方程當(dāng)PN結(jié)外加電壓為u，產(chǎn)生電流

i，若它們的參考方向關(guān)聯(lián)，并且P為+,N為-，則電流方程為：UT稱為溫度電壓當(dāng)量，在T=300K的常溫下，溫度電壓當(dāng)量UT≈26mV。其中q為電子電量，k為玻耳茲曼常數(shù)，T為熱力學(xué)溫度。非線性元件第20頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4、PN結(jié)的伏-安特性曲線當(dāng)PN結(jié)外加正向電壓u>>UT時(shí)，IS當(dāng)PN結(jié)外加反向電壓|u|>>UT時(shí)，，1可忽略，式中的負(fù)號(hào)也說明了反向偏置時(shí)電流的方向與正向偏置時(shí)電流的方向相反。，i≈-IS，UBRPN結(jié)的反向擊穿有雪崩擊穿和齊鈉擊穿兩種，當(dāng)摻雜溶度比較高時(shí)，擊穿通常為齊納擊穿；當(dāng)摻雜溶度比較低時(shí)，擊穿通常為雪崩擊穿。無論那種擊穿，若對(duì)電流不加限制，都可能造成PN結(jié)的永久性損壞。第21頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2半導(dǎo)體二極管一、結(jié)構(gòu)與符號(hào):有玻璃外殼,塑料外殼,金屬外殼,里面是一個(gè)PN結(jié),引出到外面有兩個(gè)電極,P為+極,N為–極圖形符號(hào)是:文字符號(hào)是:VD,或者D+-二、伏安特性:1、二極管開啟電壓Uth硅管為0.5V，鍺管為0.2VUonUth2、二極管導(dǎo)通電壓Uon硅管為0.5~0.7V，鍺管為0.2~0.3V第22頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月-左移th減小增加下降第23頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.3二極管的主要參數(shù)(1)最大整流電流IF

指二極管長(zhǎng)期工作時(shí)允許流過的正向平均電流的最大值。這是二極管的重要參數(shù)，使用中不允許超過此值。對(duì)于大功率二極管，由于電流較大，為了降低PN結(jié)的溫度，提高管子的帶負(fù)載能力，通常將管子安裝在規(guī)定的散熱器上使用。

(2)反向工作峰值電壓UR

反向工作峰值電壓UR是二極管工作時(shí)允許外加反向電壓的最大值。

通常UR為二極管反向擊穿電壓UBR的一半。第24頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月(3)反向峰值電流IR

反向峰值電流IR是二圾管未擊穿時(shí)的反向電流。IR愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂谩?4)最高工作頻率fM

最高工作頻率fM是二極管工作時(shí)的上限頻率，超過此值，由于二極管結(jié)電容的作用，二極管將不能很好的實(shí)現(xiàn)單向?qū)щ娦?。?5頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4.2.4二極管極性的簡(jiǎn)易判別法利用萬用表的R×100，或R×1K檔測(cè)量。數(shù)字萬用表的紅表筆插在“+”插孔上，相當(dāng)于紅表筆與萬用表內(nèi)電池的負(fù)極相連，黑表筆與萬用表內(nèi)電池的正極相連。反向電阻要比正向電阻大得多。(1)當(dāng)萬用表的黑表筆接至二極管陽極，紅表筆接至陰極時(shí)，二極管處在正向偏置，測(cè)得電阻很小；(2)當(dāng)萬用表的黑表筆接至二極管陰極，紅表筆接至陽極時(shí)，二極管處在反向偏置，測(cè)得電阻很大。第26頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月模擬萬用表的紅表筆插在“+”插孔上，相當(dāng)于紅表筆與萬用表內(nèi)電池的正極相連，黑表筆與萬用表內(nèi)電池的負(fù)極相連。第27頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二極管正向特性的數(shù)學(xué)模型1、理想模型——理想的開關(guān)2、恒壓模型——其正向壓降為0.7V(硅管)4.2.5二極管的等效電路ii理想二極管+電壓源第28頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3、折線模型：認(rèn)為二極管的正向壓降不是恒定的，而是隨通過二極管電流的增加而增加。例如：二極管的Uth=0.5V當(dāng)i=1mA時(shí)，uD=0.7V則注意：不同二極管的rD和 Uth是不一樣的i理想二極管+電壓電源+動(dòng)態(tài)電阻第29頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月模型分析法應(yīng)用舉例（1）使用理想模型得：uD=0ViD=VDD/R（2）使用恒壓模型得：uD=0.7ViD=（VDD-VD）/R+-uDVDDRDiD圖3.16（3）使用折線模型得：uD=Vth+iDrDiD=（VDD-Vth）/（R+rD）VDDVD時(shí)，使用恒壓模型較好VDD較低時(shí)，使用折線模型較合理根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的模型是關(guān)鍵第30頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4.3二極管的應(yīng)用4.3.1二極管整流電路1、半波整流

二極管正半周導(dǎo)通負(fù)半周截止第31頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月2、橋式整流（全波整流）↗→+↗↑↑↓←↑←-→↘↑↓←↑↘+-←正半周負(fù)半周第32頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月3、倍壓整流:-u2+u1u2uo+-2u2-u2++--2u2+-+-2u2++--2u2+第33頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月4、限幅電路(1)當(dāng)ui>US時(shí)，作用：讓信號(hào)在預(yù)置的電平范圍內(nèi)有選擇地傳輸一部分(2)當(dāng)ui<US時(shí)，VD導(dǎo)通，uo=0.7VD截止，uo=ui若VD導(dǎo)通壓降可忽略第34頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例1：如果圖示電路中設(shè)二極管為恒壓模型。求電路中輸出的電壓Vo值說明二極管處于何種狀態(tài)？解：假設(shè)先將A、B斷開，則VA=-10V,VB=-5V，∴VAB=VA-VB=-5V，可見接入后二極管將處于反向截止?fàn)顟B(tài)，電路中電流為0（反向電阻無窮大），∴電阻R上的壓降為0，Vo=-5V第35頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例2：如果圖示電路中設(shè)二極管為恒壓模型。求電路中輸出的電壓Vo值說明二極管處于何種狀態(tài)？解：假設(shè)先將A、B斷開，VB1＝0V，VB2=-12，VA＝

-9

V，VB1A＝VB1-VA＝9V，VB2A=VB2-VA＝-12-(-9)=-3V∴將D1、D2接入后，D1導(dǎo)通，D2截止，VA被D1箝位在－0.7V上。∴Vo=VA=-0.7V導(dǎo)通截止第36頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例3：已知二極管電路及其輸入波形如圖所示，忽略二極管正向壓降和正向電阻。試求VO的波形。當(dāng)Vi>1v時(shí)，D1導(dǎo)通，Vo被鉗位在1v，D2因而截止。當(dāng)Vi<1v，D1、D2均截止，Vo隨Vi而變化。解：分析第37頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月例:求Uab=?先得判斷VD1、VD2導(dǎo)通或者截止第38頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月5、開關(guān)電路應(yīng)用：高速開關(guān)，邏輯電路vAvBv0000100010111其邏輯關(guān)系如下表：第39頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月

穩(wěn)壓管又稱齊納二極管。它是一種特殊的面接觸型硅晶體二極管。由于它有穩(wěn)定電壓的作用，經(jīng)常應(yīng)用在穩(wěn)壓設(shè)備和一些電子線路中。

4.4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管的符號(hào)第40頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月 穩(wěn)壓管的正常工作范圍，是在伏安特性曲線上的反向電流上升的A、B段。這一段的電流，對(duì)于常用的小功率穩(wěn)壓管來講，一般為幾毫安至幾十毫安。IZminIZmaxAB穩(wěn)壓管工作在反向擊穿狀態(tài)穩(wěn)壓管的特性曲線與普通二極管基本相似，只是穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。ⅠZ+UZ_↓第41頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月一、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓VZ

穩(wěn)定電壓就是穩(wěn)壓二極管在正常工作時(shí)，管子兩端的電壓值。這個(gè)數(shù)值隨工作電流和溫度的不同略有改變，既是同一型號(hào)的穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓值也有一定的分散性。

(2)穩(wěn)定電流IZ、最小穩(wěn)定電流IZmin、大穩(wěn)定電流IZmax

穩(wěn)定電流：工作電壓等于穩(wěn)定電壓時(shí)的反向電流；

最小穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管工作于穩(wěn)定電壓時(shí)所需的 最小反向電流；

最大穩(wěn)定電流：穩(wěn)壓二極管允許通過的最大反向電 流。第42頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）額定功耗PZM

額定功耗PZM等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ與最大穩(wěn)定電流IZM的乘積，穩(wěn)壓管的功耗超過此值時(shí)，會(huì)因PN結(jié)溫度過高而損壞。

（4）動(dòng)態(tài)電阻rd

動(dòng)態(tài)電阻rd是穩(wěn)壓管工作在穩(wěn)壓區(qū)時(shí)，端電壓變化量與電流變化量的比，即ΔUZ/ΔIZ，rd愈小，電流變化時(shí)UZ的變化愈小，即穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓特性愈好。（5）溫度系數(shù)α溫度系數(shù)α表示溫度每變化1℃時(shí)，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值的變化量。穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓小于4V的管子具有負(fù)溫度系數(shù)（屬于齊納擊穿），即溫度升高時(shí)穩(wěn)定電壓值下降；穩(wěn)定電壓大于7V的管子具有正溫度系數(shù)（屬于雪崩擊穿），即溫度升高時(shí)穩(wěn)定電壓值上升；而穩(wěn)定電壓在4～7V之間的管子，溫度系數(shù)非常小，齊納擊穿和雪崩擊穿均有，互相補(bǔ)償，溫度系數(shù)近似為零。第43頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月二、穩(wěn)壓管的應(yīng)用穩(wěn)壓管常用在整流濾波電路之后，用于穩(wěn)定直流輸出電壓的小功率電源設(shè)備中。如圖是由R、Dz組成的穩(wěn)壓電路，電路的穩(wěn)定電壓的原理如下：只要R參數(shù)選得適當(dāng)，就可以基本上抵消Vi的升高值，因而使Vo基本保持不變。RDZRLV0ViIRIZI0++--第44頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2月可見，在這種穩(wěn)壓電路中，起自動(dòng)調(diào)節(jié)作用的主要是穩(wěn)壓二極管Dz，當(dāng)輸出電壓有較小的變化時(shí)，將引起穩(wěn)壓二極管電流Iz的較大變化，通過限流電阻R的補(bǔ)償作用，保持輸出電壓Vo基本不變。RDZRLV0ViIRIZI0++--第45頁，課件共50頁，創(chuàng)作于2023年2