2章半导体二极管课件.ppt

1、第二节第二节 半导体二极管半导体二极管特殊二极管特殊二极管第二节第二节 半导体二极管半导体二极管一、一、二极管二极管(Diode)结构结构第二节第二节 半导体二极管半导体二极管一、一、晶体二极管晶体二极管(Diode)由一个由一个PN结加电极引线与外壳制成。结加电极引线与外壳制成。DN阳极或正极阳极或正极阴极或负极阴极或负极阳极或正极阳极或正极阴极或负极阴极或负极D对应对应P区区对应对应N区区第二节第二节 半导体二极管半导体二极管从材料分：从材料分：硅二极管和锗二极管。硅二极管和锗二极管。PN结接触面的大小分：结接触面的大小分：PN结结接触面小接触面小PN结接触面小，不能通过大结接触面小，不能

2、通过大电流但其结电容小，常用于高频检波及电流但其结电容小，常用于高频检波及小电流整流，使用时不能承受较高的反小电流整流，使用时不能承受较高的反向电压和大电流。向电压和大电流。PN结接触面积大，通过的结接触面积大，通过的正向电流比点接触型大，常用作整流管，正向电流比点接触型大，常用作整流管，但结电容大，适用于低频电路。但结电容大，适用于低频电路。PN结结接触面大接触面大按用途分：按用途分：普通、普通、整流、开关型二极整流、开关型二极管等。管等。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 晶体晶体二极管的结构类型二极管的结构类型:在在PN结上加上引线和封装，组成一个二极管结上加上引线和封装，组成一个二

3、极管二极管按结构分二极管按结构分点接触型点接触型面接触型面接触型平面型平面型PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路用于检波和变频等高频电路PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路于工频大电流整流电路可用于集成电路制造工艺中。可用于集成电路制造工艺中。PN 结面积结面积可大可小可大可小，常用于，常用于高频整流和开关电路中。高频整流和开关电路中。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例国家标准对半导体器件型号的命名举例第二节第二节 半导体二极管半导体二极管伏安特性：伏安特性：二极二极管的端电

4、压与电管的端电压与电流之间的关系。流之间的关系。伏安特性曲线：伏安特性曲线：描描述二极管的端电压述二极管的端电压与电流之间的关系与电流之间的关系曲线。曲线。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管mAVDERU+WI2 2、二极管的伏安特性、二极管的伏安特性OA正向死区正向死区UrAB正向导通区正向导通区硅硅0.5V0.5V左右左右锗锗0.1V0.1V左右左右硅硅0.5V-0.7V0.5V-0.7V锗锗0.1V-0.3V0.1V-0.3VAB二极管正向特性曲线 电流与电压关系电流与电压关系近似指数关系。近似指数关系。死区电压死区电压导通压降导通压降TUUIIeS Ur第二节第二节 半导体二极管半

5、导体二极管EAVDRU+WIOC反向截止区反向截止区CD反向击穿区反向击穿区硅硅-nA级级锗锗-A级级2 2、二极管的伏安特性、二极管的伏安特性CD 说明：说明：反偏时，反向电流很反偏时，反向电流很小，反向电阻很大，反向电小，反向电阻很大，反向电压超过压超过UBR则被击穿。则被击穿。)1(STUUIIe e第二节第二节 半导体二极管半导体二极管1.1.单向导电。单向导电。2.2.正偏：起始部分存在一个死区正偏：起始部分存在一个死区或门坎，称为或门坎，称为门限电压门限电压。硅：硅：Ur=0.5-0.7v;Ur=0.5-0.7v;锗：锗：Ur=0.1-0.2vUr=0.1-0.2vI 随随U，呈指

6、数规率，呈指数规率3.3.反偏：额定电压时，相同温度反偏：额定电压时，相同温度下：下：Is硅硅(nA,10-9)EEG(GeG(Ge）)I=-Is 基本不变基本不变4.4.当反压增大超过当反压增大超过U UBRBR时，发生反时，发生反向击穿，向击穿，U UBRBR称为实际反向击称为实际反向击穿电压。穿电压。实测伏安特性，实测伏安特性，5.温度对二极管的影响温度对二极管的影响18页：页：Is：一倍一倍/10U:22.5mV/1小结：小结：第二节第二节 半导体二极管半导体二极管0、绪论、绪论1、半导体的导电机理、半导体的导电机理2、PN结及其单向导电性结及其单向导电性3、二极管的结构、符号、电路图

7、形、伏安特性、二极管的结构、符号、电路图形、伏安特性什么是N型半导体？什么是P型半导体？将两种半导体制作在一起时会产生什么现象？第二节第二节 半导体二极管半导体二极管N P结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？为什么具有单向导电性？两种半导体制作在一起时会产生电流吗？在N P结加反向电压时真没有电流吗？二极管与二极管与PN结的联系？结的联系？第二节第二节 半导体二极管半导体二极管结论：结论：二极管具有单向导电性二极管具有单向导电性二极管伏安方程：二极管伏安方程：式中：式中：IS为反向饱和电流为反向饱和电流 UT 是温度电压当量，是温度电压当量，常温下常温下UT近似为近似为26mV。)1(STUU

8、IIe eTUUIIeS 正向导通正向导通反向截止反向截止第二节第二节 半导体二极管半导体二极管结论：结论：二极管具有单向导电性二极管具有单向导电性正向正向导通区正向正向导通区；反向截止区。；反向截止区。正向导通正向导通反向截止反向截止第二节第二节 半导体二极管半导体二极管4、二极管的主要参数、二极管的主要参数最大整流电流最大整流电流 IF：指二极管长期运行时，允许通过管子指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。IF由二极管允许的温升所限定。由二极管允许的温升所限定。反向电流反向电流 IR：二极管两端加规定反向电压时，流过管子的二极管两端加规定反向电压时，流过管

9、子的反向电流。反向电流。IR值愈小愈好。值愈小愈好。IR受温度的影响很大。受温度的影响很大。最高工作频率最高工作频率 fM ：fM值主要决定于值主要决定于PN结结电容的大结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。最高反向工作电压最高反向工作电压 UR：工作时二极管两端的反向电压工作时二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将实际击穿电压常将实际击穿电压UBR的一半定为的一半定为UR。势垒电容势垒电容 Cb扩散电容扩散电容 Cd第二节第二节 半导

10、体二极管半导体二极管正向电压：正向电压：(1).(1).Q点点正向电阻正向电阻R R正比于正比于tg 。(2).(2).R与与Q有关，有关，Q不同不同,R也不同也不同反向电压：反向电压：I很小，很小，R很大很大。UDIDVD0IUQ UDID为非线性电阻：用静态电阻和动态电阻描述为非线性电阻：用静态电阻和动态电阻描述直流电阻：直流电阻：3.3.二极管的等效电阻：二极管的等效电阻：定义：定义：R=UD/ID;工作点工作点tg=UD/ID 二极管的正二极管的正向伏安特性向伏安特性第二节第二节 半导体二极管半导体二极管(1).MN为直流负载线为直流负载线(2).MN的斜率的斜率 tg =NO/OM=

11、-1/RLIDEDDRLUDE ED D/R RL LUD=ED-IDRL;ID=f(UD)两条曲线的交点为静态工作点两条曲线的交点为静态工作点Q Q：静态工作点静态工作点Q Q：Q(3).Q(3).Q点的直流电阻点的直流电阻:R=UD/IDTUUseII/0UDIDE ED DMNQU UD DI ID 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 作作Q Q的切线，则有的切线，则有:rD=U/I;或或rD=du/di 因为因为 iD=Is(e UD/UT-1);交流电导交流电导 g=dI/dU=ID/UT(19页）页）交流电阻：交流电阻：r=1/g=UT/ID 室温下室温下：UT=26mv 交流

12、电阻交流电阻：rD=26mv/ID(mA)IQ0UU I 二极管工作时既有直流，又有交流二极管工作时既有直流，又有交流。二极管的交流等效电阻二极管的交流等效电阻rDui交流电阻很小，约为几交流电阻很小，约为几欧姆到几十欧姆。结论欧姆到几十欧姆。结论见见19页。页。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管5、二极管的模型、二极管的模型rSrdCjiuUruDrDiDVDiDQ0uDuD iDiD0uDUriD0uDUr=0SIS=0第二节第二节 半导体二极管半导体二极管二极管应用例题二极管应用例题UDC=0.45UIUR=?IF=?第二节第二节 半导体二极管半导体二极管【】如图所示，已知如图所示，

13、已知E5V，输入信号为正，输入信号为正弦波弦波ui10sint V，二极管的正向导通电压为，二极管的正向导通电压为0.6V，画出输出电压信号的波形图。画出输出电压信号的波形图。这个电路仍是分析二极这个电路仍是分析二极管的导通与否，图中二极管管的导通与否，图中二极管的正极接信号电压的正极接信号电压ui，二极，二极管的负极接电源管的负极接电源E的正极，的正极，两个量进行比较，确定二极两个量进行比较，确定二极管的导通与否。管的导通与否。分析方法：分析方法：【】二极管应用例题二极管应用例题(非理想）非理想）第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 当当ui E0.6V（导通电压）时，二极（导通电压）时，

14、二极管截止，此时二极管无电流通过，管截止，此时二极管无电流通过，uoui【】分析方法：分析方法：【】当当ui E0.6V（导通电压）时，二（导通电压）时，二极管导通，极管导通，uo E0.6V5.6V。虚线为输入电虚线为输入电压波形。压波形。ui E0.6Vui E0.6V已知已知E5V第二节第二节 半导体二极管半导体二极管【】在所示电路中，已知输入端在所示电路中，已知输入端A的电位的电位VA3.6V，输入端输入端B的电位的电位VB0.3V，电阻，电阻R10 k ，VE9V，二，二极管的导通电压为极管的导通电压为0.2V，求输出端求输出端F的电位和流过的电位和流过R的电流的电流I。分析方法：分

15、析方法：【】DA导通，导通，DB截止。截止。VF3.60.2=3.4V 当数个二极管的当数个二极管的负极负极（正极正极）并联）并联在一点，而加在这些二极管的在一点，而加在这些二极管的正极正极（负极负极）电位各不相同，且都）电位各不相同，且都高于高于负极负极（低于正极低于正极）电位时，）电位时，正极最正极最高高（负极最低负极最低）的二极管先导通。）的二极管先导通。mA241000 10943 I流过流过R中的电流为中的电流为第二节第二节 半导体二极管半导体二极管例：例：26页页 箝位电路箝位电路设设t=0时电容上的初始电压为零时电容上的初始电压为零;t=0+时，时，ui=Um,电容也被充上了大小

16、为电容也被充上了大小为Um的电压，极性如图。的电压，极性如图。此刻此刻uo=0并且并且uo=0将一直保持到将一直保持到t=t1。此后，此后，ui突降到突降到Um,二极管截止，如果电阻和电容再足够大，二极管截止，如果电阻和电容再足够大，RC时间常数远大与输入信号周期时间常数远大与输入信号周期,则则C上的充电电压一直保持上的充电电压一直保持Um,于是输出电压为于是输出电压为uo=uiUm=2Um,并一直保持到并一直保持到t2;显然，输出信号总不会出现正值，所以称为正向箝位电路。显然，输出信号总不会出现正值，所以称为正向箝位电路。工作原理工作原理:第二节第二节 半导体二极管半导体二极管6、稳压管、稳

17、压管(Zener diode)O稳压管的伏安特性和符号minZImaxZI稳压管是一种特殊稳压管是一种特殊的面接触型半导体的面接触型半导体硅二极管。因其具硅二极管。因其具有稳定电压的特性，有稳定电压的特性，故称为稳压管。故称为稳压管。稳压管的图形稳压管的图形符号及伏安特性符号及伏安特性特点：特点：1)1)、正向特性曲线同二极管；、正向特性曲线同二极管；2)2)、反向击穿电压较低，反向特性曲线、反向击穿电压较低，反向特性曲线 比较陡；比较陡；UZ为稳压值。为稳压值。3)3)、正常的工作区域为反向、正常的工作区域为反向击穿区，且可逆。击穿区，且可逆。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管4)4)、

18、稳压管主要参数、稳压管主要参数ZZZIUr DZZU CUUZZU%/T 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管2312DW71、2有温度补偿作用有温度补偿作用1、2、对、对3 可单独使用可单独使用用于温度稳定性高的场合用于温度稳定性高的场合上页下页返回稳压管构成的稳压电路稳压管构成的稳压电路 图中图中R为限流电阻，用为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。为负载电阻。UiR-DZRL-UOIILIZUZ 由于稳压管工作在其反由于稳压管工作在其反向特性端，因而在反向击向特性端，因而在反向击穿的情况下可以保证负载穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围两端

19、的电压在一定的范围内基本保持不变。内基本保持不变。第2章上页下页返回 限流电阻限流电阻R的选择的选择UiR-DZRL-UOIILIZUZOiOZOZUUIIUU)32)35.1maxmax（maxZZminZIII稳压电路的稳压原理稳压电路的稳压原理 IRUUUIUUIiZZLO OO OO O稳压管的选择稳压管的选择第二节第二节 半导体二极管半导体二极管例例1 电路如图所示，已知电路如图所示，已知UImax=15V，UImin=10VIZmax=50mA，IZmin=5mA，RLmax=1k，RLmin=600UZ=6V,对应对应UZ=0.3V。求求rZ，选择限流电阻选择限流电阻R。第二节第

20、二节 半导体二极管半导体二极管第二节第二节 半导体二极管半导体二极管例例2 有两个稳压管有两个稳压管 D1 和和 D2，它们的稳压值为，它们的稳压值为UZ1=6 V，UZ2=8 V，正向导通压降均为正向导通压降均为 UD=0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值将它们串联可得到几种稳压值?上页下页返回稳压管应用电路分析举例稳压管应用电路分析举例UO1ILUi1R-DZ1RL-IIZUZDZ2Ui2R-DZ1RL-UO2IILIZUZDZ2电路如图：电路如图：UZ1=4V；UZ2=5V，正向压降为，正向压降为0.5V,求求U0?Ui1=4V U0?Ui1=8V U0?若使若使 U U0 0=5.3

21、V,=5.3V,怎么办怎么办?Ui2=12V U0?Ui2=8V U0?若使若使 U0=5.5V,怎么办怎么办?上页下页返回实践思考题实践思考题+-+-+-第二节第二节 半导体二极管半导体二极管7 7、特殊二极管、特殊二极管图图2.24 2.24 光电二光电二极极管管光电二极管光电二极管的图形、等效电路及伏安特性的图形、等效电路及伏安特性是一种将光能转换成电能的器件，其反向是一种将光能转换成电能的器件，其反向电流随光照强度的变化而上升。电流随光照强度的变化而上升。光电二极管光电二极管的反向电的反向电流与光照度成正比。流与光照度成正比。1 1）、光电二极管）、光电二极管的的管壳上有一个玻璃窗管壳

22、上有一个玻璃窗口以便接受光照口以便接受光照2 2）、可用于光测量）、可用于光测量3 3）、制成光电池）、制成光电池 知识拓展：第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 发发光二光二极极管图形管图形发 光发 光二 极二 极管管 的的图 形图 形符号符号发光二极管发光二极管是一种将电能转是一种将电能转换成光能的器件，即当管子换成光能的器件，即当管子通以电流后将发出光来。通以电流后将发出光来。常作为显示器件，工作电流在几常作为显示器件，工作电流在几个到几十毫安。个到几十毫安。当管子加正向电当管子加正向电压时，在正向电流激发下，管子压时，在正向电流激发下，管子发光。发光的颜色有红，黄，绿，发光。发光的颜

23、色有红，黄，绿，蓝，白等。蓝，白等。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 LED LED显示器：显示器：1.共阴极电路共阴极电路:7只发光管的阴极接地，只发光管的阴极接地，接高电位的段可发光。接高电位的段可发光。共阳极电路共阳极电路共阴极电路共阴极电路abcg a+5vbcg2.共阳极电路：共阳极电路：7只发光管的阳极接正电源，只发光管的阳极接正电源，接地的区段可发光。接地的区段可发光。第二节第二节 半导体二极管半导体二极管PNPN结的结电容随其反向电压结的结电容随其反向电压而变化。而变化。用于高频技术，用于高频技术，例如电子调协器，通例如电子调协器，通过调电压改变电容，过调电压改变电容，改

24、变谐振频率，实现改变谐振频率，实现频道选择。频道选择。变容变容二二极极管图形管图形由由电容效应小电容效应小工作速度高，特别适应高频工作速度高，特别适应高频或开关状态应用，反向电压或开关状态应用，反向电压较低。较低。肖特基肖特基二二极极管图形管图形第二节第二节 半导体二极管半导体二极管1、N型半导体中的电子载流子称为（型半导体中的电子载流子称为（）。）。(a)多数载流子多数载流子 (b)少数载流子少数载流子 (c)电子空穴对电子空穴对 思考题：思考题：3、稳压二极管的正常工作区域为、稳压二极管的正常工作区域为()。A反向截止区反向截止区 B 正向导通区正向导通区 C反向击穿区反向击穿区一、选择填

25、空题一、选择填空题5 5、在稳压管稳压电路中，流过稳压管的电流、在稳压管稳压电路中，流过稳压管的电流I IZ Z大于最小稳定大于最小稳定电流电流I IZminZmin，小于最大电流，小于最大电流I IZmaxZmax，则可判断稳压管的工作区域，则可判断稳压管的工作区域为为()()。(a)(a)反向击穿反向击穿 (b)(b)正向导通正向导通 (c)(c)反向截止反向截止2 2、PNPN结正向偏置时具有（结正向偏置时具有（）。）。(a)(a)反向截止特性反向截止特性 (b)(b)单向导电特性单向导电特性 (c)(c)正向导通特性正向导通特性4、在硅稳压管稳压电路中、在硅稳压管稳压电路中,其输入电压

26、小于稳压管稳定电压其输入电压小于稳压管稳定电压UZ时，稳压管的工作区域为时，稳压管的工作区域为()。(a)正向导通正向导通 (b)反向截止反向截止 (c)反向击穿反向击穿 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体。具有如下特性：温敏性、光敏性和掺杂特性。具有如下特性：温敏性、光敏性和掺杂特性。以上特性对半导体的导电能力有较大影响，利用这些性以上特性对半导体的导电能力有较大影响，利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件。能可制作成具有各种特性的半导体器件。PN结是构成半导体器件的基本单元，具有单向导

27、电性、结是构成半导体器件的基本单元，具有单向导电性、非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。非线性电阻特性、电容效应、击穿稳压特性。当当PN结加正向电压时，结加正向电压时，PN结导通，呈现低阻特性。结导通，呈现低阻特性。当当PN结加反向电压时，结加反向电压时，PN结截止，呈现高阻特性。结截止，呈现高阻特性。小小 结结第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 晶体二极管实际上就是一个晶体二极管实际上就是一个PN结；描述二极管的性能结；描述二极管的性能 （即：伏安特性）可用二极管的电流方程来描述：（即：伏安特性）可用二极管的电流方程来描述：I=Is(e U/UT-1)Is e U/UT硅管：当硅管：

28、当UD0.7V时，二极管导通，导通后，时，二极管导通，导通后，UD0.7V锗管：当锗管：当UD0.2V时，二极管导通，导通后，时，二极管导通，导通后，UD 0.2V 稳压管是一种的特殊类型的二极管；稳压管是一种的特殊类型的二极管；工作区在反向击穿区，可以提供一个稳定的电压。工作区在反向击穿区，可以提供一个稳定的电压。晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅。晶体二极管基本用途是整流稳压和限幅。半导体光电器件分光敏器件和发光器件：半导体光电器件分光敏器件和发光器件：可实现光可实现光电、电电、电光转换。光转换。光电二极管在反压下工作；发光二极管在正偏电压下工作。光电二极管在反压下工作；发光二极管在正偏电压下工作。小小 结结第二节第二节 半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管作业：作业：5，6，8，9第二节第二节 半导体二极管半导体二极管谢谢