基本半导体分立器件讲解课件.ppt

1、第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 第第1章章 半导体二极管半导体二极管 1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结 1.2 半导体二极管半导体二极管 1.3 特殊二极管特殊二极管 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.1 半导体的基本知识与半导体的基本知识与PN结结 1.1.1 1.1.1 半导体的基本特性半导体的基本特性 在自然界中存在着许多不同的物质，根据其导电性能的不同大体可分为导体、绝缘体和半导体三大类。通常将很容易导电、电阻率小于10-4cm的物质，称为导体，例如铜、铝、银等金属材料；将很难导电、电阻率大于1010cm的物质，称为绝缘

2、体，例如塑料、橡胶、陶瓷等材料；将导电能力介于导体和绝缘体之间、电阻率在10-3109cm范围内的物质，称为半导体。常用的半导体材料是硅（Si）和锗（Ge）。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.热敏性 所谓热敏性就是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加。半导体的电阻率对温度的变化十分敏感。例如纯净的锗从20 升高到30 时，它的电阻率几乎减小为原来的1/2。2.光敏性 半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性叫做光敏性。一种硫化镉薄膜，在暗处其电阻为几十兆欧姆，受光照后，电阻可以下降到几十千欧姆，只有原来的1%。自动控制中用的光电二极管和光敏电阻，就是利用光敏特性

3、制成的。而金属导体在阳光下或在暗处，其电阻率一般没有什么变化。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 3.杂敏性 所谓杂敏性就是半导体的导电能力因掺入适量杂质而发生很大的变化。在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼，电阻率就会下降到原来的几万分之一。所以，利用这一特性，可以制造出不同性能、不同用途的半导体器件，而金属导体即使掺入千分之一的杂质，对其电阻率也几乎没有什么影响。半导体之所以具有上述特性，根本原因在于其特殊的原子结构和导电机理。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.1.2 本征半导体本征半导体 在近代电子学中，最常用的半导体材料就是硅和锗，下面以它们为例

4、，介绍半导体的一些基本知识。一切物质都是由原子构成的，而每个原子都由带正电的原子核和带负电的电子构成。由于内层电子受原子核的束缚较大，很难活动，因此物质的特性主要由受原子核的束缚力较小的最外层电子，也就是价电子来决定。硅原子和锗原子的电子数分别为14和32，所以它们最外层的电子都是四个，是四价元素。其原子结构可以表示成如图1.1.1所示的简化模型。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.1 硅和锗的原子结构简化模型 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 在实际应用中，必须将半导体提炼成单晶体使它的原子排列由杂乱无章的状态变成有一定规律、整齐地排列的晶体结

5、构，如图1.1.2所示，称为单晶。硅和锗等半导体都是晶体，所以半导体管又称晶体管。通常把纯净的不含任何杂质的半导体称为本征半导体。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.2 本征硅（或锗）的晶体结构（a）结构图；（b）平面示意图与共价键 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 从图1.1.2（b）的平面示意图可以看出，硅和锗原子组成单晶的组合方式是共价键结构。每个价电子都要受到相邻的两个原子核的束缚，每个原子的最外层就有了八个价电子而形成了较稳定的共价键结构。所以，半导体的价电子既不像导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子，也不像在绝缘体中被束缚的那样紧。由

6、于导电能力的强弱，在微观上看就是单位体积中能自由移动的带电粒子数目的多少，因此，半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1 本征激发与复合 在绝对零度（273）时，半导体中的价电子不能脱离共价键的束缚，所以在半导体中没有自由电子，半导体呈现不能导电的绝缘体特性。当温度逐渐升高或在一定强度的光照下，本征硅或锗中的一些价电子从热运动中获得了足够的能量，挣脱共价键的束缚而成为带单位负电荷的自由电子。同时，在原来的共价键位置上留下一个相当于带有单位正电荷电量的空位，称之为空穴，也叫空位。这种现象，叫做本征激发。在本征激发中，带一个单位负电荷的自由电子

7、和带一个单位正电荷的空穴总是成对出现的，所以称之为自由电子空穴对，如图1.1.3所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.3 本征激发产生自由电子空穴对 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 自由电子和空穴在热运动中又可能重新相遇结合而消失，叫做复合。本征激发和复合总是同时存在、同时进行的，这是半导体内部进行的一对矛盾运动。在温度一定的情况下，本征激发和复合达到动态平衡，单位时间本征激发出的自由电子空穴对数目正好等于复合消失的数目，这样在整块半导体内，自由电子和空穴的数目保持一定。一般在室温时，纯硅中的自由电子浓度n和空穴浓度p为 ni=n=p1.5

8、1010(个/cm3)（1-1）第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 对于纯锗来说，这个数据约为2.51013个/cm3，而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。从数字上可以看出，本征半导体的导电能力是很差的。温度越高，本征激发越激烈，产生的自由电子空穴对越多，当半导体重新达到动态平衡时的自由电子或空穴的浓度就越高，导电能力就越强。这实际上就是半导体材料具有热敏性和光敏性的本质原因。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2 自由电子运动与空穴运动 经过分析，我们知道在本征半导体中，每本征激发出一个自由电子，就会留下一个空穴，这时本来不带电的原子，就相当

9、于带正电的正离子，或者说留下的这个空穴相当于带一个单位的正电荷。在热能或外加电场的作用下，邻近原子带负电的价电子很容易跳过来填补这个空位，这相当于此处的空穴消失了，但却转移到相邻的那个原子处去了，如图1.1.4所示，价电子由B到A的运动，就相当于空穴从A移动到B。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.4 空穴运动 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.5 本征半导体中载流子的导电方式 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 因此，半导体中有两种载流子：一种是带负电荷的自由电子，一种是带正电荷的空穴。它们在外加电场的作用下都会出现

10、定向移动。微观上载流子的定向运动，在宏观上就形成了电流。自由电子逆电场方向移动形成电子电流IN，空穴顺电场方向移动形成空穴电流IP，如图1.1.5所示。所以半导体在外加电场作用下，电路中总的电流I是空穴电流IP和电子电流IN的和，即 I=IN+IP （1-2）第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 由于半导体具有杂敏性，因此利用掺杂可以制造出不同导电能力、不同用途的半导体器件。根据掺入杂质的不同，又可分为N型（电子型）半导体和P型（空穴型）半导体。1 N型半导体 在四价的本征硅（或锗）中，掺入微量的五价元素磷（P）之后，磷原子由于数量较少，不能改

11、变本征硅的共价键结构，而是和本征硅一起组成共价键，如图1.1.6所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.6 N型半导体 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 在N型半导体中，由于掺杂带来的自由电子浓度远远高于本征载流子浓度，因此多子浓度约等于掺杂的杂质浓度，远远高于少子空穴的浓度。所以当外加电场时，流过N型半导体的电流应为 I=IN+IPIN （1-3）2 P型半导体 在四价的本征硅（或锗）中掺入微量的三价元素硼（B）之后，参照上述分析，硼原子也和周围相邻的硅原子组成共价键结构，如图1.1.7所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器

12、件 图1.1.7 P型半导体 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 三价硼原子的最外层只有三个价电子，和相邻的三个硅原子组成共价键后，尚缺一个价电子不能组成共价键，因此出现了一个空位，即空穴。这样邻近原子的价电子就可以跳过来填补这个空位。所以硼原子掺入后一方面提供了一个带正电荷的空穴，一方面自己成为了带负电的离子，即掺入一个硼原子就相当于掺入了一个能接受电子的空穴，所以称三价元素硼为受主杂质，此时杂质半导体中的空穴浓度约等于掺杂浓度，远远大于自由电子浓度，称空穴为多子、自由电子为少子。这种杂质半导体叫做P型（空穴型）半导体。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件

13、同样，这种P型半导体在外加电场的作用下，总的电路电流应为 I=IN+IPIP （1-4）整块半导体宏观上仍为电中性。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.1.4 PN1.1.4 PN结的形成与单向导电性结的形成与单向导电性 几乎所有的半导体器件都是由不同数量和结构的PN结构成的，因此，我们先来了解PN结的结构与特点。1 PN结的形成 在一块本征半导体上通过某种掺杂工艺，使其形成N型区和P型区两部分后，在它们的交界处就形成了一个特殊薄层，这就是PN结。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1）多子的扩散运动建立内电场 如图1.1.8（a）所示，和 分别代表P区

14、和N区的受主和施主离子（为了简便起见，硅原子未画出），由于 P区的多子是空穴，N区的多子是自由电子，因此在P区和N区的交界处自由电子和空穴都要从高浓度处向低浓度处扩散。这种载流子在浓度差作用下的定向运动，叫做扩散运动。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 多子扩散到对方区域后，使对方区域的多子因复合而耗尽，所以P区和N区的交界处就仅剩下了不能移动的带电施主和受主离子，N区形成正离子区，P区形成负离子区，形成了一个电场方向从N区指向P区的空间电荷区，这个电场称为内建电场，简称内电场，如图1.1.8（b）所示。在这个区域内，多子已扩散到对方因复合而消耗殆尽，所以又称耗尽层。在耗尽层

15、以外的区域仍呈电中性。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.8 PN结的形成（a）多子的扩散运动;（b）PN结中的内电场与少子漂移 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2）内电场阻碍多子扩散、帮助少子漂移运动，形成平衡PN结由于内电场的方向是从N区指向P区，因此这个内电场的方向对多子产生的电场力正好与其扩散方向相反，对多子的扩散起了一个阻碍的作用，使多子扩散运动逐渐减弱。内电场对P区和N区的少子同样产生了电场力的作用。由于P区的少子是自由电子，N区的少子是空穴，因此内电场对少子的运动起到了加速的作用。这种少数载流子在电场力作用下的定向移动，称为漂移运

16、动，如图1.1.8（b）所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2 PN结的单向导电特性 未加外部电压时，PN结内无宏观电流，只有外加电压时，PN结才显示出单向导电性。1）外加正偏电压时PN结导通 将PN结的P区接较高电位（比如电源的正极），N区接较低电位（比如电源的负极），称为给PN结加正向偏置电压，简称正偏，如图1.1.9所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 PN结正偏时，外加电场使PN结的平衡状态被打破，由于外电场与PN结的内电场方向相反，内电场被削弱，扩散增强，漂移几乎减弱为0，因此，PN结中形成了以扩散电流为主的正向电流IF。因为多子数量较多

17、，所以IF较大。为了防止较大的IF将PN结烧坏，应串接限流电阻R。扩散电流随外加电压的增加而增加，当外加电压增加到一定值后，扩散电流随正偏电压的增大而呈指数上升。由于PN结对正向偏置呈现较小的电阻（理想状态下可以看成是短路情况），因此称之为正偏导通状态。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.9 PN结外加正偏电压 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.1.10 PN结外加反偏电压 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2）外加反偏电压时PN结截止 将PN结的P区接较低电位（比如电源的负极），N区接较高电位（比如电源的正极），称为给

18、PN结加反向偏置电压，简称反偏，如图1.1.10所示。PN结反偏时，外加电场方向与内电场方向相同，内电场增强，使多子扩散减弱到几乎为零。而漂移运动在内电场的作用下，有所增强，在PN结电路中形成了少子漂移电流。漂移电流和正向电流的方向相反，称为反向电流IR。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 单向导电特性单向导电特性 PN结加正向电压，处于导通状态；加反向电压，处于截止状态，即PN结具有单向导电特性。PN结的电压与电流的关系 此方程称为PN结的伏安特性方程 用曲线示此方程，称为伏安特性曲线。)1(TUUSDeII第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 PN结的击穿

19、结的击穿 PN结处于反向偏置时，在一定电压范围内，流过PN结的电流是很小的反向饱和电流。但是当反向电压超过某一数值(UB)后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿，UB称为击穿电压。PN结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 雪崩击穿雪崩击穿当反向电压足够高时，阻挡层内电场很强，少数载流子在结区内受强烈电场的加速作用，获得很大的能量，在运动中与其它原子发生碰撞时，有可能将价电子打出共价键，形成新的电子、空穴对。这些新的载流子与原先的载流一道，在强电场作用下碰撞其它原子打出更多的电子、空穴对，如此链锁反应，使反向电流迅速增大，这种击穿称为雪崩击穿。

20、第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 齐纳击穿齐纳击穿所谓齐纳击穿，是指当PN结两边掺入高浓度杂质时，其阻挡层宽度很小，即使外加反向电压不太高（一般为几伏），在PN结内就可形成很强的电场（可达到2106V/cm），将共价键的价电子直接拉出来。产生电子空穴对，使反向电流急剧增加，出现击穿（齐纳击穿）现象。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 补充说明补充说明 （1）对硅材料的PN结，击穿电压UB大于7伏时通常是雪崩击穿，小于4伏时通常是齐纳击穿；UB在4伏和7伏之间时两种击穿均有。由于击穿破坏了PN结的单向导电性，因此一般使用时应避免出现击穿现象。（2）需要指出的

21、是，发生击穿并不意味着PN结被损坏。当PN结反向击穿时，只要注意控制反向电流的数值（一般通过串接电阻R实现），不使其过大，以免因过热而烧坏PN结，当反向电压降低时，PN结的性能就可以恢复正常。稳压二极管正是利用了PN结的反向击穿特性来实现的，当流过PN结的电流变化时，结电压UB保持基本不变。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.2 半导体的特性及主要参数半导体的特性及主要参数1.2.1 1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图110所示。PN结

22、面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。PN结面积大，用于工频大电流整流电路。往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.2.1 半导体二极管的结构、外形与电路符号P N(阳极)外壳阴极引线阳极引线(阳极)(阴极)(阴极)(a)(b)V2AP2CP2CZ542CZ132CZ30(c)第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2 2类型类型 (1）按材料分:有硅二极管,锗二极管和砷化镓二极管等。(2）按结构分:根据PN结面积大小,有点接触型、面接触型二极管。(3）按用途分:有整流、稳压、开

23、关、检波、发光、光电、变容、阻尼等二极管。(4）按封装形式分:有塑封及金属封等二极管。(5）按功率分:有大功率、中功率及小功率等二极管。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(c)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b)面接触型阴极阳极(d)符号图图 1 10 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 一、PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型

24、半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差 多子的扩散运动由由杂质离子杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内 电 场 阻 止 多 子 扩 散 1.2.2 结结 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。图16 PN结的形成过程 PN 结形成的过程可参阅图 1 6。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 (1)PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区

25、，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况如图17所示。图17 PN结加正向电压时的导电情况第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 (2)PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是

26、一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。PN结加反向电压时的导电情况如图18所示。图 18 PN结加反向电压时的导电情况第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。图 19 PN结加反向电压时的导电情况第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.2.2 1.2.2 二极管的伏安特性曲线与近似模型二极管的伏安特性曲线与近似模型 1伏安特性曲线 二极管的伏安特性也就是

27、PN结的伏安特性。把二极管的电流随外加偏置电压的变化规律，称为二极管的伏安特性，以曲线的形式描绘出来，就是伏安特性曲线。二极管的伏安特性曲线如图1.2.2所示，下面分三部分对二极管的伏安特性曲线进行分析。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.2.2 二极管的伏安特性第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1）正向特性外加正偏电压UF 当UF0时，IF0，PN结处于平衡状态，即图 1.2.2中的坐标原点。当UF开始增加时，即正向特性的起始部分。由于此时UF较小，外电场还不足以克服PN结的内电场，正向扩散电流仍几乎为零。只有当UF大于死区电压（锗管约0.1 V，

28、硅管约0.5 V）后，外加电场才足以克服内电场，使扩散运动迅速增加，才开始产生正向电流IF。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2）反向特性外加反向偏压UR 当外加反向偏压时，宏观电流是由少子组成的反向漂移电流。当反向电压UR在一定范围内变化时，反向电流IR几乎不变，所以又称为反向饱和电流IS。当温度升高时，少子数目增加，所以IS增加。室温下一般硅管的反向饱和电流小于1 A，锗管为几十到几百微安，如图中B段所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 3）击穿特性外加反压增大到一定程度 击穿特性属于反向特性的特殊部分。当UR继续增大，并超过某一特定电压值时，反向

29、电流将急剧增大，这种现象称之为击穿。发生击穿时的UR叫击穿电压UBR，如图1.2.2中C段所示。如果PN结击穿时的反向电流过大（比如没有串接限流电阻等原因），使PN结的温度超过PN结的允许结温（硅PN结约为150200，锗PN结约为75100）时，PN结将因过热而损坏。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 4）二极管的温度特性 半导体具有热敏性，而电子电路又不可避免地要受到外界温度及电路本身发热的影响。所以，温度变化容易造成半导体器件工作不稳定，研究温度对半导体器 件的影响是十分必要的。图1.2.4所示的正向特性中，对于同一电流，温度每升高1，二极管的正向压降将减小22.5 m

30、V。即二极管的正向特性曲线将随温度的升高而左移。温度对二极管的反向特性影响更大：当温度每升高10，反向饱和电流IS将增加一倍。二极管的反向击穿电压也受温度的影响。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.2.4 温度对二极管伏安特性的影响 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数 为了正确选用及判断二极管的好坏，必须对其主要参数有所了解。1 最大整流电流IF 指二极管在一定温度下，长期允许通过的最大正向平均电流，否则会使二极管因过热而损坏。另外，对于大功率二极管，必须加装散热装置。2 反向击穿电压UBR 管子反向击穿时

31、的电压值称为反向击穿电压UBR。一般手册上给出的最高反向工作电压URM约为反向击穿电压的一半，以保证二极管正常工作的余量。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 3 反向电流IR（反向饱和电流IS）指在室温和规定的反向工作电压下（管子未击穿时）的反向电流。这个值越小，则管子的单向导电性就越好。它随温度的增加而按指数上升。4 结电容与最高工作频率fM PN结加电压后，其空间电荷区会发生变化，这种变化造成的电容效应称为结电容。5.二极管的直流电阻RD 此值可由二极管特性曲线求出。FFDIUR第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.2.4 二极管电路的分析方法二极管电

32、路的分析方法 线性化：用线性电路的方法来处理，将非线性器件用恰当的元件进行等效，建立相应的模型。（1）理想二极管模型：相当于一个理想开关，正偏时二极管导通管压降为0V，反偏时电阻无穷大，电流为零。（2）理想二极管串联恒压降模型：二极管导通后，其管压降认为是恒定的，且不随电流而变，典型值为0.7V。该模型提供了合理的近似，用途广泛。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 （3）折线模型：修正恒压降模型，认为二极管的管压降不是恒定的，而随二极管的电流增加而增加，模型中用一个电池和电阻 rD来作进一步的近似，此电池的电压选定为二极管的门坎电压Uth，约为0.5V，rD的值为200欧。第

33、第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.2.3 二极管的近似模型（a）理想模型;（b）恒压降模型第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.2.5 二极管在电子技术中的应用二极管在电子技术中的应用 二极管在电子技术中广泛地应用于整流、限幅、钳位、开关、稳压、检波等方面，大多是利用其正偏导通、反偏截止的特点。1整流应用 利用二极管的单向导电性可以把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电，如图1.2.5所示。这种方法简单、经济，在日常生活及电子电路中经常采用。根据这个原理，还可以构成整流效果更好的单相全波、单相桥式等整流电路。第第1 1章章 基本半导体分立

34、器件基本半导体分立器件 图1.2.5 二极管的整流应用(a)二极管整流电路;(b)输入与输出波形第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2限幅应用 利用二极管的单向导电性，将输入电压限定在要求的范围之内，叫做限幅。图1.2.6（a）所示的双向限幅电路中，交流输入电压ui和直流电压E1都对二极管VD1起作用；相应的VD2也同时受ui和E2的控制。在假设VD1、VD2为理想二极管时，有如下限幅过程发生：当输入电压ui3 V时，VD1导通，VD2截止，uo3 V；当ui-3 V时，VD2导通，VD1截止，uo3 V；当ui在3 V与+3 V之间时，VD1和VD2均截止，因此uoui，输

35、出波形如图1.2.6（b）所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.2.6 二极管的限幅应用（a）双向限幅电路;（b）输入与输出波形 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 限幅电路分析限幅电路 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 E取不同值时的波形输入E=0E0E0第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 3稳压应用 在需要不高的稳定电压输出时，可以利用几个二极管的正向压降串联来实现。还有一种稳压二极管，可以专门用来实现稳定电压输出。稳压二极管有不同的系列，用以实现不同的稳定电压输出。4开关应用 在数字电路中经常将半导体二极

36、管作为开关元件来使用，因为二极管具有单向导电性，可以相当于一个受外加偏置电压控制的无触点开关。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 5.钳位电路将电路中某点电位值钳制在选定的数值上而不受负荷变动影响的电路叫钳位电路。这种电路可组成二极管门电路，实现逻辑运算。如图所示的电路，实现逻辑“与“和逻辑“或”运算。ABCFABL+VL=ABF=A+B+C第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.3 特特 殊殊 二二 极极 管管 1.3.1 1.3.1 稳压二极管稳压二极管 1稳压二极管的伏安特性曲线 稳压二极管简称稳压管，是一种用特殊工艺制造的面结型硅半导体二极管，可以稳

37、定地工作于击穿区而不损坏。稳压二极管的外形、内部结构均与普通二极管相似，其电路符号、伏安特性曲线如图1.3.1所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 稳压二极管的伏安特性曲线与电路符号（a）伏安特性曲线;（b）电路符号从伏安特性曲线看到，稳压管正向偏压时，其特性和普通二极管一样；反向偏压时，开始一段和二极管一样，当反向电压大到一定数值时，反向电流突然上升，这一特性称反向击穿特性，比普通二极管陡直。利用反向击穿区内电流在很大范围内变化，而管子两端的电压却变化很小的特性进行稳压。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2、主要参数、主要参数（1）稳定电流）稳定电流

38、IZ稳压管正常工作时的参考电流值；工作电流 IZ 时,在不超过稳压管的额定功耗的条件下，工作电流越大，稳压效果越好；（2）稳定电压）稳定电压UZ稳压管工作电流为规定值时，稳压管两端的电压；（3）动态电阻）动态电阻RZ RZ=UZ /IZ ；（4）最大功耗）最大功耗 PZM 在管子不致于过热损坏前提下的最大功率损耗值；在管子不致于过热损坏前提下的最大功率损耗值；PZM=UZ IZM ；（5）电压温度系数）电压温度系数 描述稳定电压对于温度的敏感程度；温度系数越小越好；衡量稳压管的温度稳定性；第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 UZ =12V ,IZM=18mA，为保证管子不致烧

39、坏，确定限流电阻？当电路中电流为 IZM 时，R两端的电压为US-UZ 因此，R的最小值应该是：（US-UZ）/IZM=440 欧姆；第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 直流稳压电路（参数稳压）分析。例如：UD+UZ恒压模型，(条件：ID1mA)Uo=0.7vI1=(E-UO)/R1=(E-0.7)/R1I2=0.7/RLID=I1-I2(a)(b)稳压模型，（条件：IZ IZmin)Uo=UZI1=(E-UZ)/R1I2=UZ/RLIZ=I1-I2R1R1I1 I2 IDI1EE+-RLRL I2 Iz第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 稳压管应用稳压管应

40、用 当电路的输入电压发生变化或负载的大小变化时，负载两端的电压因稳压管的存在而基本不变。UIUORRLILIzIRVDz图 1-17 稳压管电路第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 负载不变，输入电压变化负载不变，输入电压变化 若输入电压UI升高，必将引起输出电压UO升高，而并联在负载两端的稳压管其电压UZ稍一增加，就会使流过稳压管的电流急剧增加，这将导致限流电阻R上的压降增加，从而使负载两端的输出电压下降。可见稳压管是利用其电流的剧烈变化通过限流电阻转化为压降的变化来吸收输入电压UI的变化，从而维持了输出电压UO的稳定。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 输

41、入电压不变，负载变化输入电压不变，负载变化 若负载电阻RL减小，会造成输出电流IL和IR的增大，引起输出电压UO的减小。此时将导致稳压管中电流IZ的急剧减小，限流电阻R上的压降也将减小，从而使输出电压UO提高，维持了输出电压UO的稳定。以上讨论表明，限流电阻的作用不仅是保护稳压管，而且还起着调整电压的作用。正是稳压管和限流电阻的相互配合，才完成了稳压的过程。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 稳压管和限流电阻的选择稳压管和限流电阻的选择 稳压管的选择：选择稳压管主要从电路的输出电压值和负载电流的大小两方面进行考虑：稳压管稳定电压UZ等于电路的输出电压UO；稳压管稳压电流IZ应

42、大于电路负载电流IO的5倍左右。满足这两个条件，再根据电路要求的稳压精度，来选择稳压管。限流电阻的选择：限流电阻R在电路路中起到保护稳压管和调整电压的作用，要从两方面来考虑：一是它的阻值，二是它的额定功率。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.3.2 发光二极管与光电二极管发光二极管与光电二极管 发光二极管和光电二极管都属于光电子器件，光电子器件在电子系统中也有十分广泛地应用，具有抗干扰能力强、损耗小等优点。1发光二极管 发光二极管属于电光转换器件的一种，是可以将电能直接转换成光能的半导体器件，简称“LED”，是英文Light Emitting Diode的缩写，其电路符号

43、如图1.3.2所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1.23 发光二极管的外形和符号 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 发光二极管也具有单向导电性：当外加反偏电压时，二极管截止，不发光；当外加正偏电压导通时，因流过正向电流而发光。其发光机理是由于正偏时电子与空穴复合并释放出能量所致，而颜色与发光二极管的材料和掺杂元素有关。发光二极管可以分为发不可见光和发可见光两种。前者有发红外光的砷化镓发光二极管等;后者有发红光、黄光、绿光以及蓝光和紫光的发光二极管等。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 发光二极管的工作电流一般约为几至几十毫安，正

44、偏电压比普通二极管要高，约为1.53 V，具有功耗小，体积小，可直接与集成电路连接使用的特点。并且稳定、可靠、长寿（105106小时）、光输出响应速度快（1100 MHz），应用十分方便和广泛，除应用于信号灯指示（仪器仪表、家电等）、数字和字符指示（接成七段显示数码管）等发光显示方式以外，另一种重要应用是将电信号转变为光信号，通过光缆传输，接受端配合光电转换器件再现电信号，实现光电耦合、光纤通信等应用。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 2光电二极管 光电二极管也叫光敏二极管，它的结构和一般二极管相似，也具有单向导电性。光电二极管的PN结被封装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管

45、子的顶部，可以直接受到光的照射。光敏二极管的电路符号如图1.3.3所示。其应用见图1.3.4所示。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 习题习题 1.1 硅二极管电路如图所示，试用二极管的理想模型和恒压降模型计算电路中的电流和输出电压UAO。（1）E=3 V；（2）E=10 V。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.2 二极管电路如图所示，试判断各二极管是导通还是截止，并求出A、O端的电压UAO（设二极管为理想二极管）。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.3 图所示的电路中，ui10 sint（V），VD为理想二极管，试画出各电路输出电压uo的波形。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 图1-521.4 画出如图所示电路中的输出电压uo的波形，ui如图示。（设二极管为理想二极管）。第第1 1章章 基本半导体分立器件基本半导体分立器件 1.5 设硅稳压二极管VDZ1和VDZ2的稳定电压分别为5 V和10 V，求图所示各电路的输出电压UO的值。