二極管及其應用2學習教案

1、會計學1二極管及其應用二極管及其應用(yngyng)2第一頁，共32頁。 導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)(wzh)稱為半導體。稱為半導體。本征半導體是純凈本征半導體是純凈(chnjng)的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。1 1、什么、什么(shn me)(shn me)是半導體？什么是半導體？什么(shn me)(shn me)是是本征半導體？本征半導體？ 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體

2、、橡膠等，其原子的最外層電子受原子絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。 半導體硅（半導體硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原子的最），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。無雜質(zhì)無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)第1頁/共31頁第二頁，共32頁。由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量(nngling)的價電子掙脫共價鍵的的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子束縛而成為自由電子自由

3、電子的產(chǎn)生使共價鍵中留自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為有一個空位置，稱為(chn wi)空穴空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。濃度加大。動態(tài)平動態(tài)平衡衡第2頁/共31頁第三頁，共32頁。兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電由電子和帶正電(zhngdin)的空穴均參與導

4、電，且運動的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)目方向相反。由于載流子數(shù)目很少，故導電性很差。很少，故導電性很差。運載運載(ynzi)電荷的粒子稱為載流電荷的粒子稱為載流子。子。 溫度升高，熱運動加劇溫度升高，熱運動加劇(jij)，載流子濃度增大，導，載流子濃度增大，導電性增強。電性增強。 熱力學溫度熱力學溫度0K時不導電。時不導電。第3頁/共31頁第四頁，共32頁。5磷（磷（P） 雜質(zhì)半導體主要雜質(zhì)半導體主要(zhyo)靠多數(shù)靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子載流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控。性可控。多數(shù)多數(shù)(dush

5、)載載流子流子 空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多空穴比未加雜質(zhì)時的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？第4頁/共31頁第五頁，共32頁。3硼（硼（B）多數(shù)多數(shù)(dush)載載流子流子 P型半導體主要靠空穴導電，摻型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質(zhì)入雜質(zhì)(zzh)越多，空穴濃度越高越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強， 在雜質(zhì)半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子(du z)變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子(du z)濃度的變化相同嗎？第5頁/共31頁第六頁，共32頁。 物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運動稱為擴散運動。氣體(qt)、液體、固體均有之。擴散運動擴散運動P區(qū)空穴區(qū)空穴(kn xu)

6、濃度遠高于濃度遠高于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低區(qū)的自由電子濃度降低(相遇而復合相遇而復合) ，產(chǎn)生內(nèi)電場。，產(chǎn)生內(nèi)電場。第6頁/共31頁第七頁，共32頁。 因電場(din chng)作用所產(chǎn)生的運動稱為漂移運動。 參與(cny)擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進

7、行。內(nèi)電場使空穴從電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、區(qū)、自由電子從自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。第7頁/共31頁第八頁，共32頁。PN結(jié)加正向電壓導通：結(jié)加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加劇，耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散由于外電源的作用，形成擴散電流，電流，PN結(jié)處于結(jié)處于(chy)導通狀導通狀態(tài)。態(tài)。PN結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電流很小，故可近似(jn s)認為其截止。認為其截

8、止。必要嗎？必要嗎？第8頁/共31頁第九頁，共32頁。1. 勢壘電容(dinrng) PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放(shfng)的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容稱為擴散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，結(jié)外加電壓頻率高到一

9、定程度，則失去單向?qū)щ娦?！則失去單向?qū)щ娦?！?頁/共31頁第十頁，共32頁。第10頁/共31頁第十一頁，共32頁。一、二極管的組成一、二極管的組成(z chn)二、二極管的伏安特性二、二極管的伏安特性(txng)及電流方程及電流方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓五、穩(wěn)壓(wn y)二極管二極管第11頁/共31頁第十二頁，共32頁。將將PN結(jié)封裝，引出結(jié)封裝，引出(yn ch)兩個電極，就構(gòu)成了二兩個電極，就構(gòu)成了二極管。極管。小功率小功率(gngl)二極管二極管大功率二大功率二極管極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管第12頁/

10、共31頁第十三頁，共32頁。點接觸型：結(jié)面積點接觸型：結(jié)面積(min j)小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的小，結(jié)電容小，故結(jié)允許的電流小，最高工作頻率高。電流小，最高工作頻率高。面接觸面接觸(jich)型：結(jié)型：結(jié)面積大，結(jié)電容大，面積大，結(jié)電容大，故結(jié)允許的電流大，故結(jié)允許的電流大，最高工作頻率低。最高工作頻率低。平面型：結(jié)面積可小、平面型：結(jié)面積可小、可大，小的工作頻率高可大，小的工作頻率高，大的結(jié)允許的電流大，大的結(jié)允許的電流大。第13頁/共31頁第十四頁，共32頁。材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3

11、V幾十A)(ufi 開啟開啟(kiq)電電壓壓反向反向(fn xin)飽和電飽和電流流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當量電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。第14頁/共31頁第十五頁，共32頁。TeSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度伏安特性受溫度(wnd)影影響響T（）在電流在電流(dinli)不變情況下管壓降不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流(dinli)IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正向特性左移，反向特性下移正向特性

12、為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線增大增大1倍倍/10STIiUu，則若反向電壓第15頁/共31頁第十六頁，共32頁。第16頁/共31頁第十七頁，共32頁。理想理想(lxing)二極管二極管近似分析近似分析(fnx)中中最常用最常用理想開關理想開關導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止時截止時IS0導通時導通時i與與u成成線性關系線性關系應根據(jù)不同應根據(jù)不同(b tn)情況選擇不同情況選擇不同(b tn)的等效電路！的等效電路！1. 將伏安特性折線化？100V？5V？1V？第17頁/共31頁第十八頁，共32頁。Q越高，rd越小。

13、當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)(dngti)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)(dngti)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用時直流電源作用(zuyng)小信號小信號(xnho)作作用用靜態(tài)電流靜態(tài)電流/11DTDTuUSuUSDDDdDDDTTd IeIidiIerududuUU第18頁/共31頁第十九頁，共32頁。1.整流電路 整流電路是利用二極管的單向(dn xin)導電作用，將交流電變成直流電的電路。 第19頁/共31頁第二十頁，共32頁。全波整流全波整流(zhngli)220VuLioRLe2e2+-+220VuLioRLe2e2-+-+e2uLUdc2第2

14、0頁/共31頁第二十一頁，共32頁。 限幅電路(dinl)是限制輸出信號幅度的電路(dinl)。第21頁/共31頁第二十二頁，共32頁。鉗位電路：使輸出電位鉗制在某一數(shù)值上保持不變。設二極管為理想元件(yunjin)，當輸入UAUB3V時，二極管V1，V2正偏導通，輸出被鉗制在UA和UB上，即UF3V；當UA0V，UB3V，則V1導通，輸出被鉗制在UFUA0V，V2反偏截止。第22頁/共31頁第二十三頁，共32頁。uD=ViRQIDUDRuViDDV與與uD可比，則需圖解可比，則需圖解(tji)：實測特性實測特性 對對V和和Ui二極管二極管的模型的模型有什么不同？有什么不同？第23頁/共31頁

15、第二十四頁，共32頁。 穩(wěn)壓二極管又稱齊納二極管，是一種用特殊工藝(gngy)制造的面結(jié)型硅半導體二極管。1. 伏安(f n)特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結(jié)組結(jié)組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電壓。壓。限流電阻限流電阻斜率？斜率？第24頁/共31頁第二十五頁，共32頁。2. 主要參數(shù) 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路過大而損壞，因而穩(wěn)壓管

16、電路(dinl)中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！流電阻?。?）穩(wěn)定(wndng)電流IZ (常記為Izmin) 、 最大穩(wěn)定(wndng)電流Izmax。（5）額定( dng)功耗maxZZZMIUP（1）穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)U（%/）（3）動態(tài)電阻ZZIUZr第25頁/共31頁第二十六頁，共32頁。3、穩(wěn)壓(wn y)二極管的應用電路UoIZDZRIOIRUiRLRLIoIRUoIZIRVo1）穩(wěn)壓(wn y)電路5mA 20mA, V,10minmaxzzzWIIU例：某穩(wěn)壓管k10LR要求：當輸入電壓(diny)由正常值發(fā)生20%波動時，負載電壓(

17、diny)基本不變。求：限流電阻R和輸入電壓 ui 的正常值。第26頁/共31頁第二十七頁，共32頁。令輸入電壓降到下限(xixin)時，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin 。mA10minLZWzRUIi101080RUiRu.zWiuoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程(lin l fn chn)，可解得：k50V7518.R,.ui解：令輸入電壓達到(d do)上限時，流過穩(wěn)壓管電流為Izmax mA25maxLZWzRUIi102521RUiRu.zWi第27頁/共31頁第二十八頁，共32頁。2）限幅電路(dinl)第28頁/共31頁第二十九頁，共32頁。流子（少子）一部分與多數(shù)載流子（多子）復合而發(fā)光。故發(fā)光二極管工作時要加正向電壓。電路中常用做指示或顯示及光信息傳送。V，反向擊穿電壓比普通二極管低，約5V左右。當正向電流達到1mA 左右時開始發(fā)光，發(fā)光強度近似與工作電流成正比；但工作電流達到一定數(shù)值時，發(fā)光強度逐漸趨于飽和，與工作電流成非線性關系。一般小型發(fā)光二極管正向工作電流為1020mA，最大正向工作電流為3050mA。第29頁/共31頁第三十頁，共32頁。 二極管正向電壓一般(ybn)為2V，改變R 的大小可以改變LED 正向電流大小，從而改變發(fā)光