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1、模拟电子技术及应用,北京大学出版社刁修睦、杜保强主编课件制作刁修睦 山东潍坊学院信息与控制工程学院,第1章 半导体二极管及应用,1.1 半导体的基础知识1.2 半导体二极管1.3 二极管的应用,1.1 半导体的基本知识,价电子,共价键,图 1-1共价键结构,1.1.1 本征半导体,纯净的、晶体结构排列整齐的半导体叫做本征半导体。,将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子结构为共价键结构。,当温度 T=0 K 时，半导体不导电，如同绝缘体。,自由电子,空穴,T,图 1-2本征激发,1.1.1 本征半导体,在一定的温度下，部分价电子因受热而得到足够的能量，可以摆脱共价键的束缚成为自由电子，同时在原来
2、的共价键中便留下了一个空位，称为空穴。这种现象叫做热激发，也叫本征激发。,本征激发的结果：产生电子-空穴对,本征激发：,1.1.1 本征半导体,自由电子,空穴,T,图 1-2本征激发,一般在室温下，纯硅中的自由电子浓度n和空穴浓度p约为n=p1.51010个/cm3，纯锗中的自由电子浓度n和空穴浓度p约为n=p2.51013个/cm3，而金属导体中的自由电子浓度约为1022个/cm3。由此可知，本征半导体的导电能力是很差的。,1.1.2 杂质半导体,受主原子,空穴,图 1-3P 型半导体的结构,(b)结构示意图,(a)形成过程,一、P型半导体,掺杂结果：每掺入一个三价元素，产生一个空穴和一个不
3、导电的杂质负离子,图 1-4N 型半导体的结构,(b)结构示意图,(a)形成过程,二、N型半导体,掺杂结果：每掺入一个五价元素，产生一个自由电子和一个不导电的杂质正离子,1.1.3 PN结的形成及特性,耗尽层,一、PN结的形成,2.少子被动飘逸,1.多子自动扩散,3.动态平衡，扩散=漂移 PN结形成,PN结厚度：约10-610-4cm,PN结的其它称谓,势垒区,图1-5 PN结的形成,二、PN结的单向导电性,图 1-6 PN 结加正向电压时导通,1加正向电压时导通,二、PN结的单向导电性,图 1-7PN 结加反向电压时截止,2加反向电压时截止,1.2 半导体二极管,图1-8 二极管结构及电路符
4、号,VD,一、二极管的结构,以PN结为管芯，在PN结的两侧接上电极引线，并以外壳（金属、塑料或玻璃）封装，就制成了半导体二极管。由P区引出的电极称正极(或阳极)，由N区引出的电极称负极(或阴极)。电路符号中的箭头方向表示正向电流的方向。其结构示意和电路符号如图1-8所示。,图1-9 点接触型二极管,图1-10 面接触型二极管,二、二极管的分类,半导体二极管类型很多，按结构分，有点接触型和面接触型两类,点接触型二极管高频特性好，适用于高频电路，也用作数字电路中的开关元件。,面接触型二极管结面积比较大，允许通过的电流大，适用于整流，但由于极间电容大，故只宜用于低频电路。,1.2.2 二极管的伏安特
5、性,图1-11 某硅二极管的伏安特性曲线,一、正向特性,二、反向特性,死区：,Uth=,0.5V(硅管),0.1V(锗管),非线性区：,导通区：,UD（ON）=,0.60.7V(硅管),0.20.3V(锗管),反向截止区：,反向击穿区：,UBRU0,U UBR,开启电压,导通电压,击穿电压,击穿类型,齐纳击穿,雪崩击穿,图1-12 二极管的温度特性曲线,四、二极管的温度特性,半导体具有热敏性，温度变化容易造成半导体器件工作不稳定。正向特性中，若保持电流一定，温度每升高1，二极管的正向压降将减小22.5mV。即二极管的正向特性曲线将随温度的升高而左移。在反向特性中，当温度每升高10，反向饱和电流
6、IS将增加一倍。二极管的反向击穿电压也受温度的影响。,1.2.3 二极管的主要参数,1最大整流电流IF,在一定温度下，二极管长期工作允许通过的最大正向平均电流,点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安 以下，如2AP1，IF=16mA。面接触型二极管的最大整流电流较大，如2CPl0硅二极管的最大整流电流为100mA。对于大功率二极管，必须加装散热装置。,2最高反向工作电压URM,最高反向工作电压URM约为反向击穿电压UBR的一半，以保证二极管正常工作的余量。如2CPl0硅二极管的URM为25V，其UBR为50V。点接触型二极管的URM一般是数十伏，面接触型可达数百伏。,3反向电流（反向饱和电流）
7、IR,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。此值越小，管子的单向导电性就越好。,4最高工作频率fM,保证二极管具有单向导电作用时允许的最高工作频率。fM主要决定于PN结电容的大小，结电容越小，fM越大。点接触型二极管的最高工作频率可达数百兆赫，而面接触型二极管（如整流二极管）最高工作频率只有3kHz左右。,伏安特性小结,二极管元件的伏安特性可用公式法、参数法、特性曲线法三种方法来表示。公式法的特点是便于定量分析计算；参数法描述元件的特性简单、明了，但是只能描述简单的静态特性，无法反映两个变量之间的关系；特性曲线法比较全面而直观地反映元件的特性，特别是变量之间的关系，信息量最大
8、。,1.2.4 二极管的等效电路,一、理想模型 二、恒压降模型 三、折线模型,能在一定条件下近似模拟二极管特性的线性电路称为二极管的等效电路（或等效模型）。,理想二极管可用开关S来等效，正偏时S闭合，反偏时S断开，,二极管正偏导通后的管压降是一个恒定值,二极管的导通压降随二极管电流的增加而增加，正向特性用一个理想电源和一个电阻rD近似,图1-17 二极管的交流微变等效电路,四、指数模型（数学模型）,在外加电压uD的作用下，二极管电流iD变化规律的数学表达式近似为：,uDUT，近似有,二极管正向导通时，由其两端的电压UD和通过它的电流ID，可以在伏安特性曲线上确定一点Q。在Q点的基础上附加微小的
9、变化量，电流会有较大的变化，且变化轨迹可近似看作一条直线，其斜率的倒数就是二极管的交流微变等效电阻rd。,五、交流微变等效电路（物理模型）,【例1.1】二极管电路如图1-18所示，VD为理想二极管，正向导通电压降为0V。U1=12V，U2=6V，R1=R2=500，求UAB。,解：图1-18中，假设断开二极管VD，计算VD二端的电位UCB和UDB，可见，UCB=12V，UDB=6V，若再接上二极管VD，二极管的阳极电位高于阴极电位，VD正偏导通。,UAB=(U1-U2)/(R1+R2)R2+U2=(12V-6V)/(500+500)500+6V=9V,因正向导通电压降为0，所以,分析：首先要根
10、据二极管的单向导电性，判断VD的工作状态是导通还是截止。,【例1.2】硅二极管电路如图1-19（a）所示，试分别用二极管的理想等效模型（b）和恒压降等效模型（C）计算电路中的电流IO和输出电压UO。,（1）当UI=2 V时；（2）当UI=20 V时。,解：将二极管用理想模型和恒压降模型分别代入计算式中。(1)当UI=2 V时，由图1-19（b）可得UO=2V，IO=UI/R=1mA由图1-19（c）可得：UO=1.3V，IO=UI-UD(ON)/R=1.3mA(2)当UI=20 V时，由图1-19（b）可得UO=20V，IO=UI/R=10mA由图1-19（c）可得：UO=19.3V，IO=U
11、I-UD(ON)/R=9.65mA,1.2.5 特殊二极管,(a)(b)图1-20 稳压二极管符号和伏安特性(a)电路符号(b)伏安特性曲线,一、稳压二极管,1稳压二极管的伏安特性曲线,稳压二极管反向击穿电压比普通二极管低。当反向电压加大到反向击穿电压值时，反向电流急剧上升。稳压二极管正是利用反向击穿电流在很大范围内变化，而反向电压变化很小的特性来稳定电压。,2稳压二极管的主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管反向正常工作时的电压。取决于制造时的掺杂浓度，通常为几伏到几十伏。(2)稳定电流IZ 稳压管正常工作时的最小电流值。若工作电流小于IZ，稳压效果很差。稳压管正常工作时的电流应大于IZ，一般
12、在几毫安以上。(3)最大稳定电流IZmax和最大耗散功率PZM 稳压管允许流过的最大电流和允许的最大功率损耗，通过管子的电流太大，会使管子内部的功耗增大，PN结温度上升而烧坏管子，所以稳压管正常工作时的电流和功耗不应超过这两个极限参数。一般有：PZM=UZ IZmax(1-4)(4)动态电阻rZ 稳压管反向击穿时的动态等效电阻，定义为电压变化量UZ与电流变化量IZ之比：rZ=UZIZ(1-5)动态电阻是反映稳压二极管稳压性能好坏的重要参数，rZ越小，稳压效果就越好。,3稳压二极管与一般二极管的区别,稳压二极管与一般的二极管的区别主要有以下几方面：（1）一般的二极管为了利用二极管的单向导电性，常
13、常既工作在正向特性区，也工作在反向特性区；而稳压二极管为了达到稳压的目的，通常工作在反向击穿区。（2）一般要求二极管的反向击穿电压比较高，而稳压管的反向击穿电压相对比较低。（3）二极管若被击穿，常常造成损坏，而稳压管虽然工作在反向击穿区，但只要限制流过稳压管的最大稳定电流，就不会损坏管子。,将电能直接转换成光能的半导体器件。包括可见光、不可见光（一般指红外光）发光二极管。常见的发光颜色有红、橙、黄、绿等色,如图1-21(a)所示。双色发光二极管如图 1-21(b)所示，彩色发光二极管如图1-21(c)所示,二、发光二极管与光敏二极管,1发光二极管（LED）,发光二极管的工作电流一般约为几至几十
14、毫安，正偏电压比普通二极管要高，约为1.53V。由发光二极管构成的点阵结构广泛用于交通信号灯、广告牌及大型电子显示屏等电子设备。,光敏二极管也叫光电二极管，其结构和一般二极管相似，也具有单向导电性，一般工作在反向偏置状态。在外加反向电压作用下,当光线照射在PN结上时，反向电流增加，其大小与光照强度（简称光强）成正比。利用光敏二极管制成光电传感器，可以把光信号转变为电信号，以便控制其他电子器件。光敏二极管的电路符号如图1-22(a)所示。光敏二极管一般有两种工作状态：（1）当光敏二极管上加有反向电压时，管子中的反向电流随光强变化而正比变化；（2）光敏二极管上不加反压，利用PN结在受光照（包括可见
15、光、不可见光）时产生正向压降的原理，作微型光电池使用。,2光敏二极管,图1-22(a),三、变容二极管,变容二极管是利用PN结的等效电容特性制成的，一般工作在反向偏置状态。当PN结的外加反向电压增大时，耗尽层加宽，相当于平板电容两极板之间距离加大，电容减小。反之，反向电压减小时，耗尽层变窄，等效平板电容两极板之间距离变小，电容增加。变容二极管容量很小，所以主要用于高频场合下，例如常用于彩色电视机选台回路。,图1-22(b)变容二极管,1.3 二极管的应用,图1-23 二极管整流电路（a）电路；（b）波形图。,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。,1.3.1
16、整流与稳压,一、整流,ui正半周，VD导通，在RL上得到一个极性为上正下负的电压uo，uo=ui，uD0；ui负半周，截止，RL的电流为零，uo=0，uDui。负载上输出电压uo为单向半波脉动电压。,二、稳压,UI（或RL）UO IZ IR UR Uo UI（或RL）UO IZ IR UR Uo,1.3.2 其它应用,图1-25 二极管限幅电路（a）电路(b)波形图,（a）,（b）,一、限幅,(a)(b)图1-26 二极管检波电路(a)电路原理图(b)输入输出波形,二、检波,三、续流,检波就是把原来调制在高频无线电波中的低频信号取出来。检波也叫解调。,为防止含电感元件电路在换路时出现高电压损坏
17、元器件，可在电感元件两端并上二极管，正常工作时，二极管反偏截止，当电源断开瞬时，二极管则导通，为电感提供了放电通路。电感电流仍维持原大小并按原方向继续流动，从而避免了电感元件上承受高电压。,小 结,1自然界中的物质，按照导电能力的强弱可分为导体、半导体和绝缘体三类。常温下，半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，半导体有热敏性、光敏性和掺杂性。掺杂性是制造各种半导体器件的主要理论依据。在纯半导体中接人不同的杂质，可分别形成P型和N型两种杂质半导体。它们是各种半导体器件的基本材料。2P型和N型半导体结合，在交界面处形成空间电荷区PN结，它是构成各种半导体器件的基础。单个PN结加上封装和引线就构成二极管，它具有单向导电性特性。3二极管是典型的非线性元件，在实际应用时，常根据特定条件下的等效模型进行简化分析。常见的二极管等效模型有：理想模型、恒压降模型、折线模型、指数模型和交流小信号模型等。4用二极管的单向导电性实现整流、限幅、检波、续流等，利用其反向击穿特性可制成稳压二极管，它与限流电阻串联后实现电路的稳压作用。发光二极管和光敏二极管在信号指示、照明及检测电路中得到广泛的应用。,
