電氣第2講 二極管課件

第二講第三章教學(xué)要求重點(diǎn)與難點(diǎn)1、了解半導(dǎo)體的特性；2、了解PN結(jié)的載流子運(yùn)動(dòng)，理解PN結(jié)的工作原理；3、理解二極管的單向?qū)щ娦裕莆斩O管的外特性，在實(shí)際應(yīng)用中正確選擇二極管的參數(shù)；4、了解特殊二極管的外特性及應(yīng)用。重點(diǎn)：PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，二極管的外特性及其應(yīng)用電路。難點(diǎn)：PN結(jié)的工作原理，載流子運(yùn)動(dòng)。本次課教學(xué)要求1、了解半導(dǎo)體的特性；2、了解PN結(jié)的載流子運(yùn)動(dòng)，理解PN結(jié)的工作原理；3、理解二極管的單向?qū)щ娦裕?、掌握二極管的外特性，在實(shí)際應(yīng)用中正確選擇二極管的參數(shù)。5、掌握二極管的等效電路及其基本應(yīng)用電路的工作原理；6、掌握穩(wěn)壓二極管的工作原理及應(yīng)用；7、了解發(fā)光二極管的特性及應(yīng)用。3.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)根據(jù)物體導(dǎo)電能力(電阻率)的不同，來劃分導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體材料元素：硅Si和鍺Ge化合物：砷化鎵GaAs等。電阻率：導(dǎo)體10－6～10－4

Ω.cm絕緣體1010～1022

Ω.cm半導(dǎo)體10－3～109

Ω.cm3.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)（續(xù)）3.1.1本征半導(dǎo)體1、半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)硅晶體的空間排列本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體。它在物理結(jié)構(gòu)上呈單晶體形態(tài)。空穴——共價(jià)鍵中的空位。電子空穴對(duì)——由熱激發(fā)而產(chǎn)生的自由電子和空穴對(duì)。空穴的移動(dòng)——空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來實(shí)現(xiàn)的。2、本征半導(dǎo)體本征激發(fā)電子空穴對(duì)的產(chǎn)生產(chǎn)生：價(jià)電子獲得足夠的能量，打破共價(jià)鍵，變成自由電子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。電子空穴對(duì)的產(chǎn)生速率正比于溫度。本征濃度電子空穴對(duì)的復(fù)合自由電子放出能量，填補(bǔ)空出的共價(jià)鍵，使電子-空穴對(duì)消失，稱為復(fù)合。復(fù)合速率正比于兩種載流子的濃度乘積。本征濃度溫度一定，電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生與復(fù)合運(yùn)動(dòng)將處于動(dòng)態(tài)平衡,自由電子和空穴保持與溫度對(duì)應(yīng)的不變的濃度。這個(gè)濃度稱為本征濃度。用Ni表示。載流子的本征濃度，決定了本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力。這種導(dǎo)電能力很弱，還不能付諸實(shí)用。半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)構(gòu)兩種載流子自由電子：帶負(fù)電的載流子?？昭ǎ嚎梢钥闯蓭д姷妮d流子。兩種電流電子電流空穴電流影響半導(dǎo)體導(dǎo)電能力的因素1、溫度——熱敏特性；2、光輻射——光敏特性；3、雜質(zhì)——摻雜特性。摻雜百萬分之一的相關(guān)雜質(zhì)，導(dǎo)電能力提高約一百萬倍。

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。本征半導(dǎo)體在摻入雜質(zhì)后稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體——摻入五價(jià)雜質(zhì)元素（如磷）的半導(dǎo)體。

P型半導(dǎo)體——摻入三價(jià)雜質(zhì)元素（如硼）的半導(dǎo)體。

3.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體(P44)在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，它主要由摻雜形成；自由電子是少數(shù)載流子，由熱激發(fā)形成。空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子。三價(jià)雜質(zhì)因而也稱為受主雜質(zhì)。2.P型半導(dǎo)體因三價(jià)雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，缺少一個(gè)價(jià)電子而在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位。在50oK左右，原共價(jià)鍵中的價(jià)電子便可以填補(bǔ)這個(gè)空位。即每摻雜一個(gè)三價(jià)雜質(zhì)原子，便可提供一個(gè)空穴。硼（B）多數(shù)載流子

3.雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響

摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:

T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

3以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3。

2摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3

本節(jié)中的有關(guān)概念注意：少子濃度比本征濃度小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體自由電子、空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子施主雜質(zhì)、受主雜質(zhì)

在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。此時(shí)將在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:

因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?P46)(1)PN結(jié)加正向電壓當(dāng)外加電壓使PN結(jié)中P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；反之稱為加反向電壓，簡稱反偏。PN結(jié)加正向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況多子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，大的正向擴(kuò)散電流空間電荷區(qū)變窄。PN結(jié)的伏安特性2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?續(xù))(2)PN結(jié)加反向電壓少子漂移運(yùn)動(dòng)占主導(dǎo)，極微弱的的反向飽和電流?？臻g電荷區(qū)變寬。PN結(jié)的伏安特性

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(guān)，這個(gè)電流也稱為反向飽和電流。PN結(jié)加反向電壓時(shí)的導(dǎo)電情況其中IS——反向飽和電流UT——溫度的電壓當(dāng)量且在常溫下（T=300K）3PN結(jié)V-I特性表達(dá)式其中，q為電子電荷(1.610-19C)，k為波耳茲曼常數(shù)(1.3810-23J/K)PN結(jié)的伏安特性電擊穿機(jī)理當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時(shí)，反向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆齊納擊穿雪崩擊穿電擊穿——可逆*4

PN結(jié)的反向擊穿齊鈉擊穿：電場(chǎng)直接導(dǎo)致PN結(jié)擊穿（PN結(jié)內(nèi)共價(jià)鍵被外電場(chǎng)打破，產(chǎn)生大量載流子，電流劇增。）雪崩擊穿：載流子的碰撞電離產(chǎn)生連鎖反應(yīng)導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，盡管PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度還不到擊穿場(chǎng)強(qiáng)。勢(shì)壘電容示意圖

*5

PN結(jié)的電容效應(yīng)(P47)

(1)勢(shì)壘電容CbPN結(jié)加外加電壓時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度隨電壓變化，從而導(dǎo)致空間電荷區(qū)積累的電荷隨電壓變化，這就是PN結(jié)的結(jié)電容效應(yīng)。（3）PN結(jié)電容在實(shí)際應(yīng)用中的幾點(diǎn)考慮1）正偏置時(shí)，擴(kuò)散電容占主導(dǎo)；反偏置時(shí)，勢(shì)壘電容占主導(dǎo)。3）PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦浴?）正偏置時(shí)，二極管電阻小，PN結(jié)電容影響??；反偏置時(shí)，二極管電阻大，PN結(jié)電容影響大。4）利用二極管的電容效應(yīng)制造的變?nèi)荻O管，廣泛用于電子系統(tǒng)。3.2半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管3.2.1二極管的常見結(jié)構(gòu)將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。點(diǎn)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3.2.2二極管的伏安特性

二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量從二極管的伏安特性可以反映出：

1.單向?qū)щ娦?.伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線3.2.3二極管的主要參數(shù)最大整流電流IF：最大平均值最大反向工作電壓UR：最大瞬時(shí)值反向電流IR：即IS最高工作頻率fM：因PN結(jié)有電容效應(yīng)結(jié)電容為擴(kuò)散電容（Cd）與勢(shì)壘電容（Cb）之和。擴(kuò)散路程中電荷的積累與釋放空間電荷區(qū)寬窄的變化有電荷的積累與釋放3.2.4二極管的等效電路

1.將伏安特性折線化理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！3.2.4二極管的等效電路（續(xù)）Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流2.微變等效電路3.2.5二極管基本應(yīng)用電路（P53）1、整流電路1)半波整流電路vo(4)輸出電壓平均值（Uo）：(1)輸出電壓波形：u1u2aTbDRLuoiL(3)二極管上承受的最高電壓：(2)二極管上的平均電流：ID=ILu1u2aTbD1RLuoD2u2iL(4)uo平均值Uo：Uo=0.9U2(1)輸出電壓波形：(2)二極管上承受的最高電壓：uo(3)二極管上的平均電流：2)單相全波整流電路3.2.5二極管基本應(yīng)用電路（續(xù)）2、下限檢測(cè)電路注：在邏輯電路中，本電路為二極管與門電路分析方法：優(yōu)先導(dǎo)通分析法。3.2.5二極管基本應(yīng)用電路（續(xù)）3、放大器輸入保護(hù)電路P55圖3.2.11利用二極管反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓時(shí)工作在反向電擊穿狀態(tài)。3.3穩(wěn)壓二極管及其基本應(yīng)用電路(P55)3.3.1穩(wěn)壓二極管1、符號(hào)及伏安特性(a)符號(hào)及等效電路(1)穩(wěn)定電壓UZ(2)動(dòng)態(tài)電阻rZ

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓。rZ=UZ/IZ(3)最大耗散功率

PZM(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin(5)穩(wěn)定電壓溫度系數(shù)——uZ2.穩(wěn)壓二極管主要參數(shù)正常穩(wěn)壓時(shí)UO=UZ#穩(wěn)壓條件是什么？IZmin

≤IZ≤IZmax#不加R可以嗎？#上述電路uI為正弦波，且幅值大于UZ，uO的波形是怎樣的？3.3.2穩(wěn)壓二極管的基本應(yīng)用電路(P57)1、穩(wěn)壓管并聯(lián)穩(wěn)壓電路3.3.2穩(wěn)壓二極管的基本應(yīng)用電路(續(xù))2、穩(wěn)壓管限幅電路對(duì)稱雙限幅電路不對(duì)稱雙限幅電路1、光電二極管IU照度增加3.4光電子器件1）符號(hào)及伏安特性

2）分析要點(diǎn)a.無光照，與普通二極管相同；b.有光照加反向電壓，為光控恒流源；c.有光照無外加電壓，為光電池，？為正極。P

2、發(fā)光二極管（P