第二章半导体二极管及其应用电路教材课件.ppt

1、1第二章第二章 半导体二极管及其半导体二极管及其基本基本应用电路应用电路 1 第二章 半导体二极管及其基本应用电路 2022-11-1822 0 2 2/1 0/1 1 2 2.1 半导体基本知识 2022-11-183 半导体半导体(semiconductor)器件是在器件是在20世纪世纪50年代初发展起来年代初发展起来的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、的器件，由于具有体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机及功率转换效率高等优点，已广泛应用于家电、汽车、计算机及工控技术等众多领域，被人们视为现代技术的基础。工控技术等

2、众多领域，被人们视为现代技术的基础。这一章的任务就是让学习者在了解半导体的特殊性能、这一章的任务就是让学习者在了解半导体的特殊性能、PN结结(PN junction)的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识的形成及其单向导电性的基础上，进一步认识半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。半导体二极管、半导体三极管这些半导体器件。通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特通过对这些半导体器件的结构、工作原理、特性曲线及特性参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结性参数等方面的剖析，掌握二极管、三极管等半导体器件的结构特点和工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的构特点和

3、工作原理；在技术能力上掌握正确测试半导体器件的好坏及极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器件作为核心好坏及极性的判别方法，并能看懂由这些半导体器件作为核心元件构成的简单电子线路图，初步掌握一些元件构成的简单电子线路图，初步掌握一些EWB电路仿真技能。电路仿真技能。2 0 2 2/1 0/1 1 3 半导体(s e m ic o n d u c t2022-11-184 半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却半导体的导电性能力虽然介于导体和绝缘体之间，但是却能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独能够引起人们的极大兴趣，这与半导体材料本身存在的一些独特性能是分不开的。特

4、性能是分不开的。温度升高，大多数半导体的电阻率下降。温度升高，大多数半导体的电阻率下降。由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做由于半导体的电阻率对温度特别灵敏，利用这种特性就可以做成各种热敏元件。成各种热敏元件。许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。许多半导体受到光照辐射，电阻率下降。利用这种特性可制成各种光电元件。利用这种特性可制成各种光电元件。在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就它的导电能力就可增加几十万甚至几百万倍。利用这种特性就可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极

5、管可制成各种不同用途的半导体器件，如半导体二极管、三极管晶闸管、场效应管等。晶闸管、场效应管等。2 0 2 2/1 0/1 1 4 2.1 半导体基本知识 2022-11-185 在半导体物质中，目前用得最多的材料是在半导体物质中，目前用得最多的材料是硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子硅和锗。在硅和锗的原子结构中，最外层电子的数目都是的数目都是4个，个，因此被成为四价元素，因此被成为四价元素，如图如图2-1所示。所示。天然的硅和锗材料是不能制成天然的硅和锗材料是不能制成半导体器件的，必须经过高度提纯半导体器件的，必须经过高度提纯工艺将它们提炼成纯净的单晶体。工艺将它们提炼成纯净的单晶体。

6、单晶体的晶格结构是完全对称，原单晶体的晶格结构是完全对称，原子排列得非常整齐，故常称为晶体，子排列得非常整齐，故常称为晶体，就是我们所说的本征半导体其平面就是我们所说的本征半导体其平面示意图如图示意图如图2-2所示。所示。2 0 2 2/1 0/1 1 5 2.1.1 本征半导体 在半导2022-11-186 当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的当温度上升或受光照时，共价键中的一些价电子以热运动的形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，形式不断从外界获得一定的能量，少数价电子因获得的能量较大，而挣脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相而挣脱共价键

7、的束缚，成为自由电子，同时在原来的共价键的相应位置上留下一个空位，叫空穴。如图应位置上留下一个空位，叫空穴。如图2-3所示。所示。如图所示的如图所示的A处为空穴，处为空穴，B处为自由电子，显然，自由处为自由电子，显然，自由电子和空穴是成对出现的，电子和空穴是成对出现的，所以称它们为所以称它们为电子电子空穴对空穴对。把在光或热的作用下，本征把在光或热的作用下，本征半导体中产生电子半导体中产生电子空穴对空穴对的现象，叫本征激发。的现象，叫本征激发。2 0 2 2/1 0/1 1 6 当温度上升或受光照时，共价键中2022-11-187 在四价元素晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子在四价元素

8、晶体中掺入微量的五价元素，由于这种杂质原子能放出电子，因此称为能放出电子，因此称为“施主杂质施主杂质”。显然掺入的杂质越多，杂。显然掺入的杂质越多，杂质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大质半导体的导电性能越好，这种掺杂所产生的自由电子浓度远大于本征激发所产生的电子于本征激发所产生的电子空穴对的浓度，所以杂质半导体的导空穴对的浓度，所以杂质半导体的导电性能远超过本征半导体。电性能远超过本征半导体。在四价晶体中掺入微量的三价元素，三价原子在与四价原在四价晶体中掺入微量的三价元素，三价原子在与四价原子组成共价键时，因缺少一个电子而产生一个空穴。由于这种子组成共价键时，因缺少一个电

9、子而产生一个空穴。由于这种杂质原子能吸收电子，因此称为杂质原子能吸收电子，因此称为“受主杂质受主杂质”。在这种杂质半。在这种杂质半导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电导体中，空穴浓度远大于自由电子浓度，空穴为多子，自由电子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正子为少子。因为这种半导体的导电主要依靠空穴，而空穴带正电荷，所以称其为电荷，所以称其为P P型半导体型半导体（P-type semiconductor）或空穴型或空穴型半导体。半导体。2 0 2 2/1 0/1 1 7 2.1.2 杂质半导体1.N 型半2022-11-188需要指出的是：需要指出的是：不论

10、是不论是N型还是型还是P型半导体型半导体，虽然都有一种载流子占多数，虽然都有一种载流子占多数，但多出的载流子数目与杂质离子所带的电荷数目始终相平衡，即但多出的载流子数目与杂质离子所带的电荷数目始终相平衡，即整块杂质半导体既没有失去电子，也没有得到电子，整个晶体仍整块杂质半导体既没有失去电子，也没有得到电子，整个晶体仍然呈中性。然呈中性。为突出杂质半导体的主要特征，在画为突出杂质半导体的主要特征，在画P型或型或N型型半导体时，半导体时，常常只画多子和离子成对出现，如图常常只画多子和离子成对出现，如图2-4所示。所示。一般情况下，杂质半导体中的多数载流子的数量可达到少一般情况下，杂质半导体中的多数

11、载流子的数量可达到少数载流子数量的数载流子数量的10001000倍或更多，因此，杂质半导体的导电能力倍或更多，因此，杂质半导体的导电能力比本征半导体的导电能力将强上几十万倍。比本征半导体的导电能力将强上几十万倍。2 0 2 2/1 0/1 1 8 需要指出的是：不论是N 型还是P2022-11-189 半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向半导体中有电子和空穴这两种载流子，当这些载流子作定向运动时就形成电流。半导体中的载流子运动有漂移运动和扩散运运动时就形成电流。半导体中的载流子运动有漂移运动和扩散运动两种方式，相应地也就有漂移电流和扩散电流这两种电流。动两种方式，相应地也就有漂

12、移电流和扩散电流这两种电流。2 0 2 2/1 0/1 1 9 2.1.3 P N 结及其单向导电性在电子2022-11-1810 若在若在PN结两端接上外加电源，也就是结两端接上外加电源，也就是PN结被偏置了。由于偏结被偏置了。由于偏置电压的作用，动态平衡遭到破坏。置电压的作用，动态平衡遭到破坏。PN结将显示出其单向导电的结将显示出其单向导电的性能，性能，PN结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。结的单向导电性，是构成半导体器件的主要工作机理。此时，外部电场的方此时，外部电场的方向是从向是从P区指向区指向N区，显然与内电场的区，显然与内电场的方向相反，结果使空间电荷区变窄，方向相反

13、，结果使空间电荷区变窄，内电场被削弱。内电场的削弱使多数内电场被削弱。内电场的削弱使多数载流子的扩散运动得以增强，形成较载流子的扩散运动得以增强，形成较大的扩散电流（有多子的定向移动形大的扩散电流（有多子的定向移动形成，即所谓常称的电流）。在一定范成，即所谓常称的电流）。在一定范围内，外电场越强，正向电流越大，围内，外电场越强，正向电流越大，PN结对正向电流呈低电阻状态，这种结对正向电流呈低电阻状态，这种情况就称为情况就称为PN结正向导通。结正向导通。PN结的结的正向导通作用原理图如图正向导通作用原理图如图2-6所示。所示。2 0 2 2/1 0/1 1 1 0 若在P N 结两端接上外202

14、2-11-1811 2 0 2 2/1 0/1 1 1 1 3.P N 结的反向截止 2022-11-1812 2 0 2 2/1 0/1 1 1 2 2.1.4 P N 结的反向击穿 2022-11-1813 2 0 2 2/1 0/1 1 1 3 2.2 半导体二极管2.2.1 2022-11-1814 2 0 2 2/1 0/1 1 1 4 2.2.2 二极管的伏安特性 2022-11-1815 2 0 2 2/1 0/1 1 1 5 1.正向特性（f o r w a r d c h2022-11-1816 2 0 2 2/1 0/1 1 1 6 4.温度对特性的影响 2022-11-1

15、817 4）最高工作频率）最高工作频率 Mf5）二极管使用注意事项）二极管使用注意事项 2 0 2 2/1 0/1 1 1 7 4）最高工作频率 1）直流电阻）直流电阻DDDIURDRQDR 3.二极管的直流电阻和交流电阻1）直流电阻 2022-11-18192）交流电阻（动态电阻）交流电阻（动态电阻）drtgIUr1ddrQdrIIUgrmV261TddK300T 2 0 2 2/1 0/1 1 1 9 3.二极管的直流电阻和交流电阻指在图2-12 理想模型 a)U-I 特性 b)、c)符号及等效模型2.2.4 二极管的分析方法 由二极管组成的2022-11-1821 图2-13 小信号模型

16、 a)U-I 特性 b)电路符号2 0 2 2/1 0/1 1 2 1 2.恒压降模型 该模型2022-11-1822图2-14 小信号模型 2 0 2 2/1 0/1 1 2 2 3.小信号模型 如果只2022-11-1823 V6S1UV3140sin2.0s2tu k1SR图2-172 0 2 2/1 0/1 1 2 3 例2-3：已知图22022-11-1824 0s2uDImA3.5k1V)7.06(SFS1DRUUI 9.45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA3140sin2.0k)109.41(V3140sin2.03dDs2dttrRuimA)3124sin2.

17、03.5(dDDtiIi2 0 2 2/1 0/1 1 2 4 解：首先 2022-11-1825 0s2uDImA3.5k1V)7.06(SFS1DRUUI 9.45.3mAmV26mV26DdIr 0S1UdimA 3140sin2.0k)109.41(V3140sin2.03dDs2dttrRuimA)3140sin2.03.5(dDDtiIi2 0 2 2/1 0/1 1 2 5 解：首先 2022-11-1826 ZUZmaxI2 0 2 2/1 0/1 1 2 6 2.2.5 特殊二极管介绍1.硅2022-11-1827 ZmaxI ZI ZUZmP Zr ZU2 0 2 2/1

18、0/1 1 2 7 稳定电压 ：2022-11-1828 2 0 2 2/1 0/1 1 2 8 2.光电二极管 光2022-11-1829 2 0 2 2/1 0/1 1 2 9 3.发光二极管 发光2022-11-18302 0 2 2/1 0/1 1 3 0 随着近年来发光二极管发2022-11-1831 2 0 2 2/1 0/1 1 3 1 4.变容二极管 普2022-11-1832 tUu sin222 2u)0(sin222OttUuu 2u)2(sin222VDttUuu2 0 2 2/1 0/1 1 3 2 2.3 整流电路 二极2022-11-1833 L2LOO45.0R

19、URUI202202O222)(sin221)(21UttdUtduU2 0 2 2/1 0/1 1 3 3 图2-2 5 2.负载上的直流电压和2022-11-1834DILIODFIII2RM2UU 2 0 2 2/1 0/1 1 3 4 3.二极管的选择 流2022-11-1835 2u2uD1iLRD2iLR 2 0 2 2/1 0/1 1 3 5 2.3.2 单相全波整流电路 1.2022-11-183622O9.022UUUL2O9.0RUI DILILD2D1F21IIII 22UUUU22DMRM2 0 2 2/1 0/1 1 3 6(2)负载上的直流电压和电流的计算 2.单相

20、桥式整流电路 (1)电路组成及工作原理 2022-11-1838 2uLRLR2u 2 0 2 2/1 0/1 1 3 8 2.单相桥式整流电路 2022-11-1839 22O9.022UUUL2D45.0RUI2u2DRM2UU OF21II 2RM2UU2 0 2 2/1 0/1 1 3 9(2)负载上的直流电压和电流的计算2022-11-1840 2 0 2 2/1 0/1 1 4 0 将单向桥式整流电路中2022-11-18412O45.0UUL2LOO45.0RURUIODFIII2RM2UU2 0 2 2/1 0/1 1 4 1 整流电路小结1.单相半波整流电路2022-11-1

21、842 2O9.0 UUL2LOO9.0RURUI2/ODFIII2RM22UU2 0 2 2/1 0/1 1 4 2 2.单相全波整流电路 输出电压的2022-11-18432O9.0 UUL2LOO9.0RURUI2/ODFIII2RM2UU2 0 2 2/1 0/1 1 4 3 3.单相桥式整流电路负载的电流平 697页 泛读 6 9 7 页第二章半导体二极管及其应用电路教材课件第二章半导体二极管及其应用电路教材课件第二章半导体二极管及其应用电路教材课件应用二：自动感应节能灯电路应用二：自动感应节能灯电路自动感应节能灯电路 应用二：自动感应节能灯电路自动感应节能灯电路 2022-11-1

22、849直流分量的幅值负载上最低次谐波分量S 直流分量效值负载上交流分量的总有 2 0 2 2/1 0/1 1 4 9 2.4 滤波电路2.4.1 滤波的概念2022-11-1850 2 0 2 2/1 0/1 1 5 0 2.4.2 桥式整流电容滤波电路 2022-11-1851 LROU为使滤波效果良好，一般取时间常数的值大一些，通常选取为使滤波效果良好，一般取时间常数的值大一些，通常选取2/)53(LTCR 考虑电网电压的波动，电容考虑电网电压的波动，电容C C的耐压值可选为的耐压值可选为（1.51.52 2）U22O(AV)0.1 UU2O(AV)2.1 UU（半波）（全波）2 0 2

23、2/1 0/1 1 5 1 根据以上分析可知，采用电2022-11-1852 2O9.0 UU2 0 2 2/1 0/1 1 5 2 2.4.3 其他滤波电路1.桥式整2022-11-1853 2 0 2 2/1 0/1 1 5 3 2.型桥式整流滤波电路 2022-11-1854 2u2u 2 0 2 2/1 0/1 1 5 4 2.5 倍压整流电路 2022-11-1855 2 0 2 2/1 0/1 1 5 5 2.6 应用电路介绍应用一：具有静2022-11-1856 。2 0 2 2/1 0/1 1 5 6 从图2-3 6 可以看出2022-11-1857 2 0 2 2/1 0/1

24、 1 5 7 应用二：二极管在仪表输入回路中起保护2022-11-1858 2 0 2 2/1 0/1 1 5 8 应用三：二极管用于电感性负载的续流 2022-11-1859 2 0 2 2/1 0/1 1 5 9 应用四：欠压保护电路 2022-11-18602 0 2 2/1 0/1 1 6 0 应用五：限幅电路 限幅2022-11-1861 2 0 2 2/1 0/1 1 6 1 应用六：交流电源指示灯 2022-11-1862 2u2u2 0 2 2/1 0/1 1 6 2 应用七：倍压整流电路 倍2022-11-1863 0CC1V12CCCCVV2CCV2CCV21CCCCVV2

25、 0 2 2/1 0/1 1 6 3 应用八：计算机电源断电保护电路 2022-11-1864 2 0 2 2/1 0/1 1 6 4 应用九：调节过道灯亮度的电路 2022-11-1865 DCDUDCLLCXfDU 2 0 2 2/1 0/1 1 6 5 应用十：电视机高频头调节电路 2022-11-1866 2 0 2 2/1 0/1 1 6 6 应用十一：无绳电话机电源电压检测电路2022-11-1867 2 0 2 2/1 0/1 1 6 7 应用十二：电源保险过热保护器 2022-11-1868 2 0 2 2/1 0/1 1 6 8 当保险丝F U 中的电流696 9 模拟电子技术基础习题