半導體二極管及其應(yīng)用電路

1、1會計學半導體二極管及其應(yīng)用電路半導體二極管及其應(yīng)用電路電子器件發(fā)展歷程：電子管晶體管集成電路大規(guī)模集成電路超大規(guī)模集成電路1904年電子管問世1947年晶體管誕生1958年集成電路研制成功電子管、晶體管、集成電路比較 第一片集成電路只有4個晶體管，而1997年一片集成電路中有40億個晶體管。有科學家預(yù)測，集成度還將按10倍/6年的速度增長，到2015或2020年達到飽和?，F(xiàn)代電子器件的鼻祖第一只晶體管的發(fā)明者（by John Bardeen , William Schockley and Walter Brattain in Bell Lab） 他們在1947年11月底發(fā)明了晶體管，并在12

2、月16日正式宣布“晶體管”誕生。1956年獲諾貝爾物理學獎。巴因所做的超導研究于1972年第二次獲得諾貝爾物理學獎。第一個集成電路及其發(fā)明者（ Jack Kilby from TI ） 1958年9月12日，在德州儀器公司的實驗室里，實現(xiàn)了把電子器件集成在一塊半導體材料上的構(gòu)想。42年以后， 2000年獲諾貝爾物理學獎。 “為現(xiàn)代信息技術(shù)奠定了基礎(chǔ)”。 模電與數(shù)電：tttu？模擬量模擬信號模擬電路模擬電子技術(shù)tu？數(shù)字量數(shù)字信號數(shù)字電路數(shù)字電子技術(shù)混頻級中頻放大級檢波級功率放大級超外差式無線電收音機原理框圖放大濾波采樣-保持模-數(shù)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)控制系統(tǒng)微處理機系統(tǒng)數(shù)-模轉(zhuǎn)換電壓-電流轉(zhuǎn)換檢測與傳感執(zhí)

3、行機構(gòu)生產(chǎn)設(shè)備物理系統(tǒng)電子系統(tǒng)電子系統(tǒng)：從電路板產(chǎn)生來看學習要求與教學環(huán)節(jié)確定電路功能與要求電路結(jié)構(gòu)設(shè)計電路參數(shù)計算元件選型電路可行性分析計算機仿真制板制作調(diào)試與測試掌握電子技術(shù)基本概念掌握各功能電路結(jié)構(gòu)掌握各類定性分析方法掌握各類參數(shù)估算方法熟悉各類元器件外特性熟悉EDA軟件熟悉制板軟件,培養(yǎng)動手操作能力熟悉電子儀器儀表課堂教學實驗教學電子實習課程設(shè)計第1章 半導體二極管及其應(yīng)用電路1.1半導體基礎(chǔ)知識1.2半導體二極管小 結(jié)1.3穩(wěn)壓二極管1.4二極管典型應(yīng)用電路1.5輔修內(nèi)容包含半導體元件等等是半導體元件之一，應(yīng)用廣泛你想知道嗎？什么是半導體？PN結(jié)是怎樣形成的？二極管是干什么用的？電子

4、電路你知道嗎？1.1.1半導體材料及其特性1.1.2雜質(zhì)半導體1.1.3PN結(jié)1.1.1 半導體材料及其特性半導體 導電能力介于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導體 純凈的半導體。如硅、鍺單晶體。共價鍵 相鄰原子共有價電子所形成的束縛。從導電性來分類，物體可分為：共價鍵結(jié)構(gòu)2. 本征半導體的共價鍵結(jié)構(gòu)導體、絕緣體、半導體1. 半導體的特殊性質(zhì)熱敏性、光敏性、摻雜性硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型原子核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)價電子(束縛電子)硅鍺本征半導體的晶體結(jié)構(gòu)空穴自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子，并在共價鍵中留下一個空穴的

5、過程。3. 本征半激發(fā)與復合空穴可在共價鍵內(nèi)移動自由電子本證激發(fā)與復合是一對相反的運動！半導體中有兩種載流子自由電子和空穴兩種載流子的運動：自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動載流子 運載電荷的粒子（帶電粒子）本征半導體中的電流是兩個電流之和電子電流、空穴電流自由電子帶負電，空穴帶正電。 結(jié)論：1. 本征半導體中電子空穴成對出現(xiàn)，且數(shù)量少； 2. 半導體中有電子和空穴兩種載流子參與導電； 3. 本征半導體導電能力弱，并與溫度有關(guān)。4.、 溫度對本征半導體中載流子的影響載流子的濃度隨溫度的升高而增加。動態(tài)平衡本征激發(fā)與復合運動最終要達到動態(tài)平衡。N 型+5+4+4+4+4+4

6、磷原子多余電子載流子數(shù) 電子數(shù)1. N 型半導體在本征半導體中摻入微量的5價雜質(zhì)元素空穴少子（少數(shù)載流子）電子多子（多數(shù)載流子）多余電子雜質(zhì)原子為施主原子正離子帶正電，不能移動1.1.2 雜質(zhì)半導體P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空位空穴多子（多數(shù)載流子）電子少子（少數(shù)載流子）載流子數(shù) 空穴數(shù)2. P 型半導體在本征半導體中摻入微量的3價雜質(zhì)元素空位電中性雜質(zhì)原子為受主原子負離子帶負電，不能移動區(qū)分N型半導體和P型半導體！4. 雜質(zhì)半導體的導電作用IIPINI = IP + INN 型半導體 I INP 型半導體 I IP3. 雜質(zhì)半導體中載流子的濃度5. P 型與N 型半導體的簡化示意圖

7、P型N型少數(shù)載流子（少子）自由電子多數(shù)載流子（多子）（空穴）負離子多數(shù)載流子（多子）自由電子少數(shù)載流子（少子）空穴正離子【問題引導】N型、P型半導體多子是什么，少子是什么？負離子、或正離子是怎么形成的？N型P型1.1.3 PN 結(jié)1. PN 結(jié)(PN Junction)的形成擴散運動由于載流子濃度差而引起的運動復合使交界面形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)、耗盡層、阻擋層、PN結(jié)內(nèi)電場漂移運動載流子在電場力作用下的運動擴散和漂移達到動態(tài)平衡：擴散電流 等于漂移電流， 總電流 I = 0。PN結(jié)是怎么形成的？P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場抵消內(nèi)電場使空間電荷區(qū)變窄有利于擴散運動不利于漂移運動 IF限流電阻

8、，可以不要嗎？擴散運動加強形成正向電流 IF2. PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?1) PN結(jié)外加正向電壓時處于導通狀態(tài)正向電壓、正向接法、正向偏置、正偏P 區(qū)N 區(qū)IRPN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?，呈小電阻，電流較大;反偏截止，電阻很大，電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 IRIR = I少子 0(2) PN結(jié)外加反向電壓時處于截止狀態(tài)反向電壓、反向接法、反向偏置、反偏反向飽和電流 Is 內(nèi)電場外電場外電場與內(nèi)電場同向使空間電荷區(qū)變寬有利于漂移運動 不利于擴散運動【問題引導】什么是PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?. PN 結(jié)的伏安特性)1e (T/S UuII反向飽和電流溫度電壓當量qkTUT 電子電量玻

9、爾茲曼常數(shù)當 T = 300(27C)：UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時iISISPN結(jié)具有單向?qū)щ娦?！該常?shù)非常重要！內(nèi)電場P型N型自由電子漂移 撞擊價電子內(nèi)電場P型N型價電子被拉出變成自由電子內(nèi)電場P型N型等效電容極板等效充電電荷常把PN結(jié)當電容使用！內(nèi)電場P型N型等效電容極板等效充電電荷5. PN節(jié)的溫度特性無論是正偏還是反偏，當溫度升高時，電流增加1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)類型1.2.2 二極管的伏安特性1.2.4 二極管的主要參數(shù)1.2.3 二極管的勢壘電容與擴散電容1.2.5 二極管等效電路1.2.1 二極管的結(jié)構(gòu)與類型構(gòu)成：PN 結(jié)

10、+ 引線 + 管殼 = 二極管(Diode)符號：A(anode)C(cathode)分類：按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型陽極陰極陽極陰極點接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負極引線負極引線 面接觸型N型鍺PN 結(jié) 正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極引線負極引線集成電路中平面型PNP 型支持襯底點接觸型：結(jié)面積小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。面接觸型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管1.2.2 二極管的伏安特性1. 二極管結(jié)電流方

11、程)1e (TD/SD UuIi反向飽和電流溫度電壓當量qkTU T電子電量玻爾茲曼常數(shù)當 T = 300(27C)：UT = 26 mV二極管實質(zhì)就是一個PN結(jié)！2. 二極管的伏安特性曲線OuD /ViD /mA正向特性Uth開啟電壓U Uth時， iD 急劇上升0 U Uth時 ，iD = 0反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0時, iD = IS U U(BR) 時，反向電流急劇增大(反向擊穿)IS 材料材料開啟電壓開啟電壓Uth 導通電壓導通電壓UD(on) 反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.60.8V（通常?。ㄍǔＨ?.7V）1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.

12、3V（通常?。ㄍǔＨ?.3V）幾十A反向飽和電流擊穿電壓記得對二極管限流！不要讓二極管擊穿了！反向擊穿類型：電擊穿熱擊穿反向擊穿原因： 齊納擊穿：(Zener)反向電場太強，將電子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù))擊穿電壓在 6 V 左右時，溫度系數(shù)趨近零。硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.040 0.4 0.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.0203. 溫度對二極管特性的影響604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90CT 升高時，UD(on)以 (2

13、 2.5) mV/ C 下降【問題引導】溫度變化會導致半導體元件的一些參數(shù)發(fā)生變化！內(nèi)電場P型N型等效電容極板等效充電電荷1.2.3 二極管的勢壘電容與擴散電容內(nèi)電場P型N型等效電容極板等效充電電荷1.2.4 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流 (最大正向平均電流)2. URM 最高反向工作電壓， 為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?2. fM 最高工作頻率 (超過時單向?qū)щ娦宰儾?4. RD 直流電阻1. rd 交流電阻iDuDU (BR)I FURMOUDIDQ)(26DDTDDd IIUdiduIUr直流參數(shù)：交流參數(shù)：影響工作頻率的原因 PN 結(jié)的電

14、容效應(yīng) 結(jié)論：1. 低頻時，因結(jié)電容很小，容抗很大， 結(jié)電容對 二極管影響很小。 高頻時，因結(jié)電容容抗減小，使結(jié)電容分流， 導致二極管單向?qū)щ娦宰儾睢?. 結(jié)面積小時結(jié)電容小，工作頻率高。高頻信號時，必須考慮二極管的電容效應(yīng)！1.2.5 二極管等效電路1. 理想二極管模型特性uDiD符號及等效模型SS正偏導通，uD = 0, rd = 0反偏截止， iD = 0 , rd = 2. 二極管的恒壓降模型（理想二極管串聯(lián)電壓源模型）uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.3 V (Ge)導通時3. 二極管的折線化模型uDiDUonUIIUrD 斜率1/ rdrDUon導通

15、時 uD=Uon+rdid截止時 id=0二極管的動態(tài)電阻4. 二極管的低頻小信號模型二極管的動態(tài)電阻反映了靜態(tài)工作點附近微變電壓和微變電流的動態(tài)關(guān)系根據(jù)TD/sDeUuIi 得)(26DDTDDDDd IIUdiduiurIDmAiD=ID+idiD全電流ID直流分量id交流分量步驟：1. 設(shè)定工作電壓(如 0.7 V；2 V (LED)；UZ )2. 確定工作電流(如 1 mA；10 mA；5 mA)3. 根據(jù)歐姆定律求電阻 R = (UI UD)/ ID(R 要選擇標稱值)1.2.6 選擇二極管限流電阻記得對二極管限流！1.3.1 穩(wěn)壓二極管的工作原理1.3.2 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1.

16、3.3 穩(wěn)壓電路符號工作條件：反向擊穿iZ /mAuZ/VOUZ IZ IZMUZIZ iZ+-uZ1.3.1 穩(wěn)壓二極管的工作原理伏安特性【問題引導】穩(wěn)壓二極管的工作區(qū)是？穩(wěn)壓二極管起穩(wěn)壓作用是工作在反向擊穿區(qū)！進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流1.3.2 穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ流過規(guī)定電流時穩(wěn)壓管兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好小于 IZ 時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 iZ /mAuZ/VOUZIZIZMUZIZ5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT%100ZZT TUUCUZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù)；4 V UZ UN二極管導通采用恒壓降模型，二極管等效為 0.7 V 的恒壓源 PN記得先判斷：二極管導通嗎？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 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)0