电工与电子技术课件(9)

PN结的单向导电特性: 外加正向电压时，正向电阻很低，扩散电流大，导通；外加 反向电压时，反向电阻很大，漂移电流小，截止。 第9页 2012-12-13
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二、 半导体二极管 （一）二极管结构 把PN结用外壳封装起来再加上电极和引出线就构成了半导体 二极管，简称二极管，P区的引出线称为正极或阳极，记作“＋” ；N区的引出线称为负极或阴极，记作“－”。二极管符号如图所 示。 uD 二极管按所用的半导体材料可以分为硅二 极管和锗二极管。按工艺结构可以分为点接触 iD D 型二极管、面接触型二极管和平面型二极管。
束缚
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3.半导体中的两种载流子 半导体中有两种载流子，①自由电子，②空穴。电子带负电，空 穴带正电。二者数量相等，称为电子-空穴对。
+4 +4 +4
+4 +4 +4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
Байду номын сангаас
热激发
束缚电子
空穴
空穴与自由电子一样在电场的作用下可以参与导电 ，在电场中 ，空穴移动的方向和自由电子移动的方向是相反的，但因它们带电 第4页 2012-12-13 的极性也相反，所以二者形成的电流方向是相同的。
E
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（二）PN结的单向导电特性 PN结加不同方向的电压，其导电性能也不同，PN结加正向电压 时导通，而加反向电压时截止，这就是PN结的单向导电特性。 1、PN结加正向电压导通 PN结加正向电压：P区接电源的正极，N区接电源的负极。
正向偏置
P 区 N 区
-
-
-
E
+ + +
+ + +
+ + +
+ + +
外电场与内电场方向相反 外电场﹥内电场 空间电荷区变窄 扩散运动﹥漂移运动 产生扩散电流IF（由于由多子 产生的，故该电流大。称为正 向电流)。
IF
E
R
2012-12-13 PN结导通时，呈现的电阻为正向电阻，很小。 第8页
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2、PN结加反向电压截止 PN结加正向电压： P区接电源的负极，N区接电源的正极 P 区 N 区 外电场与内电场方向相同，空间 - - - + + + + 电荷层变宽, 因此漂移运动>扩散 - - - + + + + 运动，由少子形成漂移电流Is ， 由于少数载流子的浓度很低，所 - - - + + + + 以Is也很小，这个电流通常称为 E0 反向饱和电流，往往可以忽略不 E R IR 计，所以可以近似地认为PN结加 反向电压时是截止的。
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（四）二极管的简化电路模型 二极管是非线性器件，因此分析二极管电路比较困难。为了 解决这个难题，通常是在一定的条件下用一个线性电路模型代替二 极管，使分析变得简单，且误差也不大，这个线性电路被称为二极 管的等效电路模型。用的比较多的是理想模型和恒压降模型。 1．二极管的理想模型 该模型是认为二极管加正向电压导通时压降为零，加反向电 压截止时电流为零。 uD uD
iD
二极管的理想模型也称为理想二极管，它的 符号和伏安特性如图所示。这个模型会使二极管 电路的分析变得极其简单 ，且当输入信号较大 时产生的误差也不是很大。 2012-12-13
0
iD
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2．恒压降模型： 当二极管加的正向电压大于或等于二极管的 开启电压时就导通，且导通后的二极管两端的电 压降为恒定值，硅管取0.7V，锗管取0.2V；当二 极管加反向电压时或所加的正向电压小于开启电 压时就截止，且流过二极管的电流为零。 二极管的恒压降模型：用一个二极管 的理想模型串联一个值为Uth的电压源组 iD 成，其等效模型和伏安特性如图: [例]二极管电路如图所示，试判断电路中的 二极管是导通还是截止，并求出AO两端的 电压UAO的值，设二极管的管压降为0.7V。 解：D2管截止；D1管导通。 由于D1管导通，而二极管的电压降是0.7V。 2012-12-13 ∴ UAO=-0.7V
金属触丝 N 型锗片
阳极引线 二氧化硅保护层 铝合金小球 阳极引线 阳极引线 阴极引线 PN结 N型硅 金锑合金 P型硅 N 型硅 底座 外 (a) 点接触型 壳 阴极引线 阴极引线
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(c) 平面型
(b) 面接触型第10页
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（二）二极管伏安特性 二极管的伏安特性是指加到二 极管两端的电压uD与流过二极管中 的电流iD之间的函数关系。其伏安特
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在本征半导体中，电子-空穴对的数量很少，其导电性能很 差。且导电能力受环境的影响又很大。当温度变化或半导体受 到光照时，它的导电能力就会有很大的变化，利用这一点可以 用半导体制作热敏和光敏器件。 4.本征复合:电子和空穴相遇后,电子-空穴对消失的过程。 三、杂质半导体 +4 +4 +4 1.N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五 价元素（如磷），不改变原有半导 +4 +5 +4 体的共价键结构。+5价元素多余的 价电子变成自由电子。 在N型半导体中，电子数量比 +5 +4 +4 空穴数量多。电子被称为多数载流 子，空穴被称为少数载流子。 第5页 2012-12-13
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第二节 半导体二极管
一、PN结及其单向导电特性 采用不同的掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在一块硅片 上，在它们的交界面附近就形成了PN结。PN结具有单向导电性。 P 区 N 区 （一）PN结的形成 不移动的正 P 区 N 区
E为内电场的方向： 能移动的空穴 N区→P区。 不能移动 的负离子
Uo(t)/V 8 6
0
3
5
t/ms
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（五）特殊二极管 1、稳压二极管 DZ 稳压二极管又称为稳压管，它是一种特 殊面接触型二极管。其电路符号如图所示。 稳压管的正向特性和反向特性与普通二极管基本相同，只是 稳压管的反向击穿特性更陡一些，这说明当流过稳压管的击穿电 流在较大范围变化时，其两端的电压变化很小，正是利用这一点 才使得稳压管具有稳定电压的特性，所以稳压管正常工作时，要 工作在反向击穿状态。 iD(mA) 稳压管反向击穿是可逆的，当撤掉 反向电压后，稳压管可以恢复正常。但 如果流过稳压管的电流过大，超过稳压 管的最大允许电流，则稳压管也会烧坏 UZ 。因此稳压管在使用时必须串联一个合 uD(V) IZ 适的限流电阻，以免烧坏。 IZM 第17页 2012-12-13
uD
uD
0 U th
D1
Uth
iD
A D2
8V 3KΩ 5V
第14页
O
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[例] 电路如左图所示，其中输入电压Ui（t）的波形如右图所示， 在0≤t≤5ms的时间内，试绘出输出电压Uo(t)的波形。设二极管是理 想的。 U (t)/V
200Ω D
i
10
200Ω
Ui(t)
6V
Uo(t)
0
5
t/ms
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2.P型半导体 在本征半导体中掺入少量的三 +4 +4 +4 价元素（如硼），不改变原有半导 体的共价键结构。这种半导体被称 为P型半导体。 +4 +3 +4 P型半导体的空穴数量比电 子数量多。空穴被称为多数载流 子，电子被称为少数载流子。 +3 +4 +4 掺入的杂质数量越多，多数载流子 的数量越多，它的导电能力就越强。 载流子的运动有两种形式： ①扩散运动：由于载流子浓度差异引起的载流子从高浓度区向低 浓度区的运动。 ②漂移运动：载流子受电场作用沿电场力方向的运动。 第6页 2012-12-13
解：二极管的阴极通过电阻接6V电源的正极，而阳极通过电阻接 输入信号的正极。 ∴当输入电压Ui≤6V时，二极管D处于截止状态，Uo＝6V 显然：当t=0-3ms时，Ui(t)≤6V，∴Uo=6V 第15页 2012-12-13
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当t＝3-5ms时，Ui(t)≥6V，Uo(t)应满足式
在t=3ms时，Uo(t) =6V 在t=5ms时，Ui=10V，代入上式得：Uo＝8V 所以得到输出电压的波形如所以得到输出电压的波形如下所示 。
-
-- - - - - -
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
+ + + + + +
电子
-
能移动的自 由电子
2.内电场建立:由于扩散运动，使得在交界面附近本征复合,电子 1.扩散运动:在P型半导体与N型半导体的交界面附近，因杂质浓度 4.PN结形成：当多子的扩散运动与少子的漂移运动达到平衡，空 3.漂移运动:内电场会削弱多子的扩散，但加强少子的漂移运动,推 空穴对消失,留下不能移动的负离子和电子, 形成空间电荷层， 的不同引起扩散运动(多子运动) 。 动少子越过空间电荷区，进入对方区域(少子运动）。 间电荷层达到相对稳定，我们把此时的空间电荷层称为PN结。 产生内电场。 第7页 2012-12-13
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（三）二极管主要参数 二极管的参数是描述其性能和工作范围的重要数据，是合理 选择和正确使用二极管的主要依据。 1．最大整流电流IF: IF是指二极管长期运行时，允许通过的最大 正向平均电流。在实际应用时，流过二极管的正向平均电流不能 超过此值，否则会因PN结过热而烧坏。 2．最大反向工作电压UR: UR是二极管工作时允许外加的最大反 向电压，超过此值有可能会引起二极管的反向击穿。为保证二极 管工作的可靠性，一般把UR定义为反向击穿电压UBR的一半。 3．反向电流IR: IR是二极管反向工作且未被击穿时的电流，就是 前面讲的二极管的反向饱和电流。IR越小二极管的单向导电性越 好。IR受温度影响很大。 第12页 2012-12-13