半导体材料及二极管精选PPT课件
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《半导体二极管》PPT课件 (2)
U
二极管方程：I IS (eUT 1)
式中： IS为反向饱和电流
量，
UT 是温度电压当
若|U| >> UT则 I ≈ 若- UIS>> UT U
则 I ISeUT
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三、二极管的主要参数
♥ 最大整流电流 IF
指二极管长期运行时， 允许通过管子的最大正向平均电流。
IF的数值是由二极管允许的温升所限定。 ♥ 最高反向工作电压 UR
第二节 半导体二极管
PN结及其单向导电性 二极管的伏安特性 二极管的主要参数 稳压管
下页 总目录
一、PN结及其单向导电性
1. PN结中载流子的运动
又称耗尽层，即PN结。
- - - - + +++ - - - - ++++ - - - - ++++
空间电荷区 扩散
漂移
内电场又称阻挡层，阻止扩散 运动，却有利于漂移运动。
- - - - ++++
+E U R
-
内电场
外电场削弱了内电场有利于扩 散运动，不利于漂移运动。
外电场
Uho - U
PN结处于正向导通(on)状态，正向等效电阻较小。
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☻ 加反向电压
空间电荷区
反向
称为反向接法或反向偏置 （简称反偏）
电流
- - - - + + ++ I - - - - ++++
cathode
阴极 对应N区
从管子的结构分：
二极管的符号
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
第一章二极管-PPT课件
本征半导体：
四价元素
外层四个电子
原子实或惯性核 为原子核和内层电子组成
价电子为相邻两原子所共有
3.本征激发：
本征激发 电子空穴 成对产生
自由电子（带负电-e)
+4
+4
+4
+4
+4
+4
+4
4.载流子 ：自由 +4 运动的带电粒子：
电子带负电： +4 －e=-1.6×10-19c,
空穴带正电:
e=1.6×10-19c.
锗管UD(ｏn)=0.2V。
（2）反向特性： 二极管两端加上反向 电压时，反向饱和电流IS很小（室温下， 小功率硅管的反向饱和电流IS小于0.1μA。 （3）反向击穿特性 二极管两端反向电压 超过U(BR)时，反向电流IR随反向电压的增大 而急剧增大， U(BR) 称为反向击穿电压。
（5）齐纳击穿：由高浓度掺杂材料制成的PN结中耗尽区宽度很窄，即使反向电
压不高也容易在很窄的耗尽区中形成很强的电场，将价电子直接从共价键中拉出 来产生电子-空穴对，致使反向电流急剧增加，这种击穿称为齐纳击穿。
§1 .2 二极管的特性及主要参数 一、 半导体二极管的结构和类型
构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode) 符号：阳极（正极） 阴极（负极） 分类： 1.根据材料 硅二极管、锗二极管 2.根据结构 点接触型、面接触型、平面型 1．二极管的结构和符号
空穴（带正电+e)
5.复 合： 自由电子和空穴在运动 中相遇重新结合成对消 失的过程。 电子电流:IN
空穴电流:IP 共有电子 递补运动
+4
+4
模拟电子课件第一章_半导体材料及二极管
–10 0 0.2 0.4
–20
I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
1
18
半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
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I/uA
锗管的伏安特性
图 二极管的伏安特性
ID
UD
-
UD / V
34
1.正偏伏安特性
当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。，
相应的电压叫死区电压。
死区电压： 硅二极管为0.5V左右 锗二极管为0.1V左右
i/mA 30
当正向电压超过死区电压后，二极 管导通, 电流与电压关系近似指数关 系。
42
3.二极管的其它主要参数
➢最大平均整流电流 : I F 允许通过的最大正向平均电流 ➢最高反向工作电压 : 最V大R 瞬时值，否则二极管击穿
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半导体中某处的扩散电流 主要取决于该处载流子的浓 度差（即浓度梯度），而与 该处的浓度值无关。即扩散 电流与载流子在扩散方向上 的浓度梯度成正比，浓度差 越大，扩散电流也越大。
图1.6 半导体中载流子的浓度分布
1
19
即:某处扩散电流正比于浓度分布曲线上该点处的斜率
和。
dn( x) dx
dp ( x) dx
在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，即构成 N 型半导体 (或称电子型半导体)。
常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。
1
10
原来晶格中的某些硅原子将 被杂质原子代替。 杂质原子与周围四个硅原子 组成共价键时多余一个电子。 这个电子只受自身原子核吸引， 在室温下可成为自由电子。
5价的杂质原子可以提供电子， 所以称为施主原子。
Problem: N型半导体是否呈电中性？
1
+4
+4
+5
+4
+4
+4
半导体二极管及其应用_PPT课件
5.1.2 本征半导体
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
本征半导体中虽然存在两种载流子，但因本征载流子
的浓度很低，所以总的来说导电能力很差。
本征半导体的载流子浓度，除与半导体材料本身的性质 有关以外，还与温度密切相关，而且随着温度的升高， 基本上按指数规律增加。
5.1 半导体的基础知识 5.2 半导体二极管 5.3 单相整流滤波电路 5.4 稳压二极管及其稳压电路
5.1 半导体的基本知识
5.1.1 半导体材料
5.1.2 本征半导体 5.1.3 杂质半导体 5.1.4 PN结的形成及特性
半导体的导电机制
5.1.1 半导体材料
根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。
3. PN结的其他特性
阳极 a
k 阴极
(d) 代表符号
其中
r——二极管等效电阻
当ω→∞， C的阻抗＝ 0；
C ——二极管等效电容，PF 级，非常小。
C的阻抗＝1/(ωC) 可见，频率ω越高， C的阻抗越小；
结果，影响到二极管的状态；
3. PN结的其他特性
3. 温度特性
当环境温度升高时，少数载流子的数目增多， 反向饱和电流随之增大。
1 T=300 K室温下,本征硅的电子和空穴浓度: n = p =1.4×1010/cm3
2 掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度: n=5×1016/cm3
3 本征硅的原子浓度: 4.96×1022/cm3
以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。
二极管PPT课件(完整版)
二极管反向击穿，两引脚之间内阻很小， 二极管无单向导电性，二极管损坏.
二极管主要参数
参数名称 符号
解说
是指二极管长时间正常工作下， 最大整流电流 Im 允许通过二极管的最大正向电流
值。
反向电流
是指二极管加上规定的反向偏置
Ico 电压情况下，同过二极管的反向 电流值。
最大反向工作 电压
Urm
二极管工作时承受最大的反向电
压，处于
R1
正向偏置
状态
I+
VD1
E1
-
R1
二极 管导
通通
路
I
VD1
二极管导通的条件：
正向偏置电压; 正向偏置电压大到一定程度，对于硅管 而言0.7V，对于锗管而言为0.2V。
二极管截止状态工作原理
如果给二极管正极加的电压低于负极加的电压，称为二极
管的反向偏置电压。给二极管加反向偏置电压后，二极管截止， 二极管两引脚间电阻很大，相当于开路。如图所示，只要是反 向电压二极管就没有电流流动，如果反向电压过大，二极管会 击穿，电流从负极流向正极，说明二极管已经损坏。
极管的正极，红表笔接二极管的负极，此
时表针应向右偏转一个很大的角度，所指
示阻值较小。此时阻值越小越好。
测量正向电阻
解说
几十到几KΩ
说明二极管正向电阻正常。
正向电阻为零或远小于几 欧姆
说明二极管已经击穿。
几百KΩ
正向电阻很大，说明二极管已经开路。
几十KΩ
二极管正向电阻较大，正向特性不好。
测量时表针不稳定二极管Fra bibliotek极为R1
负电压，反向
偏置状态
E1
VD1
E1
半导体二极管ppt课件
快 恢 复 二 极 管
形形色色的二极管
肖 特 基 二 极 管
二极管的封装 资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值
用于电视机、收音机、电源装置等电子产品中
的各种不同外形的二极管如下图所示。二极管
通常用塑料、玻璃或金属材料作为封装外壳，
五、二极管的检测 资金是运动的价值，资金的价值是随时间变化而变化的，是时间的函数，随时间的推移而增值，其增值的这部分资金就是原有资金的时间价值
用万用表检测普通二极管的好坏 测试图如图所示
1、万用表置于R×1k挡。测量正向电阻时，万用表的黑表
笔接二极管的正极，红表笔接二极管的负极。
2、万用表置于R×1k挡。测量反向电阻时，万用表的红表
稳压管在电路中主要 功能是起稳压作用。
击穿 特性
稳压管的伏安特性曲线
正向 特性
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
形形色色的二极管
高频二极管
阻尼二极管
金属封装整流二极管
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
发光二极管
形形色色的二极管
资金是运动的价值，资金的价值是随 时间变 化而变 化的， 是时间 的函数 ，随时 间的推 移而增 值，其 增值的 这部分 资金就 是原有 资金的 时间价 值
高，主要用于信号检测、取样、小电流整流等
整流二极管（2CZ、2DZ等系列）的IFM较大，fM很
二极管PPT课件
二极管的单向导电性
综上所述，二极管加正向电压大 于死区电压时才会导通，加反向电压 时管子处于截止状态，这一特性称为 二极管的单向导电性。
第13页/共21页
[例1.1] 图1-3所示电路中，当开关S闭合后，H1、H2两个指 示解 ：灯 ，由哪电 路一图个可可知能，发开光关 S？闭 合 后 ， 只 有 二 极 管 V 1 正 极 电 位 高 于 负 极 电 位 ，
(b)面接触型
结面积大、正向电流大、结 电容大，用于大电流整流电路。
金属触丝 N型锗片
阳极引线
阴极引线
( a ) 点接触型 外壳
铝合金小球 阳极引线
N型硅
PN结 金锑合金
底座
阴极引线 ( b ) 面接触型
第8页/共21页
(c) 平面型
用于集成电路制作工艺中。 PN结结面积可大可小，用于高频整 流和开关电路中。
1、半导体的特点：
（1）半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间 。 （2）半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。 （3）在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强 。
半导体中两种携带电荷粒子： （1）空穴（带正电荷） （2）自由电子（带负电荷）
载流子
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2、Ｐ型半导体和Ｎ型半导体
即处于正向导通状态，所以H1指示灯发光。
图1-3 [例1.1]电路图
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4. 晶体二极管的主要参数
（1）最大整流电流IFM
指管子长期运行时，允许通过的最大直流电流。
（2）反向击穿电压UBR
指管子反向击穿时的电压值。
（3）最高反向工作电压URM
二极管正常工作时允许承受的最高反向电压 （约为UBR的一半）。
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直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交 流电流。
利用线性电路的叠加原理，可以画出只反映交变 电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流等效 电路，如图1.21(b)所示，由此交流通路可求出 :
IdmR V m rd300 1 00 3.390.33m A
V dmIdm rd1.12m V
1.3.4 二极管应用电路
1.3.3 二极管模型
1.二极管伏安特性的分段线性近似模型
（a)理想开关模型
图1.18 二极管模型 （b）恒压源模型 （c）折线近似模型
例1.1 硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电 路如图1.19所示，求二极管工作点。
图1.19
解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作 点。
VDVON0.7V
为什么？
图1.15 Si和Ge两种二极管伏安特性的差别
1.3.2 二极管的直流电阻和交流电阻
1.直流电阻
RD
VD ID
Q
静态工作点
图1.16 二极管的直流电阻
2.交流电阻
rd
dvD d iD
Q
rd VT ID
如何证明？
说明:交流电阻与直流 电流成反比。
图1.17 二极管的交流电阻
3.二极管的其它主要参数
I dm
图1.21 二极管交流电路效电路
解：当未加正弦电压源，即 v(t) 时0V，由例1.1可知，二
极管的工作点
，VD 0.7，V则I可D估7.算67m 出A该工作
点处的交流电阻为
rd
VT 26mV3.39 ID 7.67mA
在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。
1.整流电路
图1.22 直流稳压电源方框图
试分析半波整流电路的工作原理，指出其不足， 提出改进方法。
图1.23 半波整流电路
试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足， 提出改进方法。
全波整流电路
试分析桥式整流电路的工作原理
桥式整流电路
2.滤波电路
试分析滤波电路的工作原理。
图1.25 滤波电路
➢温度对二极管反向特性的影响
T2T1
IS(T2)IS(T1)210
图1.14 温度对二极管伏安特性的影响
5. Si二极管与Ge二极管的差别
➢ Si 二极管的开启电压约 0.5-0.6V，Ge二极管 的开启电压约0.1-0.2V。
➢ Si二极管反向电流比Ge 二极管反向电流小得多， Si 管是pA量级，Ge管 是μA量级。
第一章 半导体材料及二极管
1.3 晶体二极管及其应用
二极管的核心是一个PN结。
图1.11 二极管的结构和电路符号
1.3.1 晶体二极管的伏安特性
二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流
与其端电压 v D 之间的关系。
iD
vD
iD Is (eVT 1)
（1.16）
v D --加在二极管上的端电压
i D --流过二极管上的电流
试找出图中的错误
图1.28 钳位电路原理分析 图1.29 钳位电路的波形
1.3.5 稳压管及其应用
1.稳压管的伏安特性
图1.30 稳压管伏安特性曲线及电路符号
2.稳压管的主要参数
稳定电压 V z 最小稳定电流 I z m in 最大稳定电流 I z m a x 动态电阻 r z 电压温度系数
Izmax
Vz RLmax
Izmin
Vz RLmin
例1.3 采用 Vz 9V,rz 4的Si稳压管2DW3的稳压电路如
图1.34所示。如果输入电压V I 的波动VI 10% ，试问
输出电压的波动 V o ?
VI
Vo
图1.34
解：
图1.35 稳压电路模型及增量等效模型
输入电压的变化量为：
3.稳压管电路
图1.32 稳压管稳压电路
1）稳压原理 试分析稳压原理
R/ R//RL,VI/ RLRLRVI
图1.33 稳压管电路原理分析 问题：还有其他的分析方法吗？
2）限流电阻R的选取
Iz IRILVI R Vz V RzL 稳压管正常工作范围：
IzminIz Izmax
可以求得：
VImax Vz R VImin Vz
➢最大平均整流电流 I F ➢最高反向工作电压 V R ➢反向电流 I R ➢最高工作频率 f m a x
含二极管电路的分析 （非线性伏安关系）
代数法：求解非线性方程组
计算复杂，必须借助计算机
几何法：图解法
粗糙，必须知道伏安关系曲线
模型法：近似线性法
方便，可以利用线性电路分析方法
如何模型化？
根据伏安关系
IDE R V D33 0 0 0 .77.67m A
为什么采用恒压源模型？
2.二极管的交流小信号模型
图1.20 二极管的交流小信号模型
例1.2 若在例1.1电路中串联一个正弦电压源
，
图1v.(t2)11 （00asin ）2为1其04m 电V路图，估算此时二极管上交流
电压与电流成分的振幅值
和 （T＝300VKd ）m 。
V I 1 0 % V I 1 .5 V
输出电压的变化量为：
VoRrzr/z/R //LRLVI 0.094V
输出电压的相对变化量为：
Vo 0.0941%
Vo
9
例1.4 为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要 求该稳压电源为汽车收音机提供一个9V的电压， 稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变 化范围（11～13.6）V，收音机的电流介于0(关 掉)～100mA(最大音量)之间。
1.正偏伏安特性
二极管的正偏伏安特性方程:
vD
iD I se VT
（1.17）
二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增 加。
2.反偏伏安特性
二极管的反偏伏安特性方程:
is Is
（1.18）
仅有可很见小，的二反极向管饱反和向电电流流。i D 不随反向偏压 v D而变化，
图1.12 二极管的伏安特性曲线
3.限幅电路
限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路。
Vomax
VIL VIH
Vomin
图1.26 限幅电路的电压传输特性
试分析双向限幅电路的工作原理。
图1.27 双向限幅电路
4.钳位电路
钳位电路是一种能使整个信号电压直流平移的电 路。在稳定状态下，输出波形完全是输入波形的复 制品，但输出波形相对于输入波形有直流平移现象， 平移程度取决于电路。
3.反向击穿特性
当加在二极管上的 反偏电压超过某一 数值VBR时，反偏电 流将急剧增大，这 种现象称为二极管 的反向击穿
图1.13 二极管的反向击穿特性
导致二极管出现反向击穿的原因有下面两种： 雪崩击穿 齐纳击穿
4.温度对二极管伏安特性的影响
➢温度对二极管正向特性的影响
dvD dT
(2~2.5)mVoC