晶体二极管ppt课件.ppt

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1、第一章 晶体二级管（Diode） 物质按其导电能力可分为导体、物质按其导电能力可分为导体、 绝缘体和半导体绝缘体和半导体 3 种。种。 通常人们把容易导电的物质称为导体通常人们把容易导电的物质称为导体, 如金、如金、银、铜等银、铜等; 把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体体, 如陶瓷、云母、塑料、如陶瓷、云母、塑料、 橡胶等橡胶等; 把导电能力介于把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体导体和绝缘体之间的物质称为半导体, 如硅和锗。导如硅和锗。导体、半导体和绝缘体的划分体、半导体和绝缘体的划分, 严格地说是以物质的电严格地说是以物质的电阻率阻率的大小

2、来确定的。的大小来确定的。 电阻率小于电阻率小于10-3cm的称的称为导体为导体; 电阻率大于电阻率大于108cm的称为绝缘体的称为绝缘体; 其电阻其电阻率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。 (1) 热敏性热敏性: 一些半导体对温度的反应很灵敏一些半导体对温度的反应很灵敏, 其电阻率随其电阻率随着温度的上升而明显地下降着温度的上升而明显地下降, 利用这种特性很容易制成各种热利用这种特性很容易制成各种热敏元件敏元件, 如热敏电阻、如热敏电阻、 温度传感器等。温度传感器等。 (2) 光敏性光敏性: 有些半导体的电阻率随着光照的增强而明显地有些半导

3、体的电阻率随着光照的增强而明显地下降下降, 利用这种特性可以做成各种光敏元件利用这种特性可以做成各种光敏元件, 如光敏电阻和光电如光敏电阻和光电管等。管等。 (3) 掺杂性掺杂性: 半导体的电阻率受掺入的半导体的电阻率受掺入的“杂质杂质”影响极大影响极大, 在半导体中即使掺入的杂质十分微量在半导体中即使掺入的杂质十分微量, 也能使其电阻率大大地也能使其电阻率大大地下降下降, 利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。 半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题, 必须必须研究半导体的内部结构。研

4、究半导体的内部结构。 半导体：半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅硅 、锗、锗 原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：大多数半导体器件所用的主要材料是大多数半导体器件所用的主要材料是硅硅 (Si) 、锗、锗 ( (Ge) ) 纯净的、不含杂质的半导体称为纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体本征半导体（比如硅（比如硅和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：硅和锗共价键结构示意图：共价键共价键 共价键具有共价键具有很强的结合力，很强的

5、结合力，当当T=0K及及无外无外界影响时，晶体界影响时，晶体中无自由移动的中无自由移动的电子。电子。 本征激发本征激发q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。这种现象称这种现象称本征激发本征激发。 当原子中的当原子中的价电子价电子在在光照或温度升高光照或温度升高时时获得能量获得能量挣脱共价键的束挣脱共价键的束缚而缚而成为自由电子成为自由电子，原子中，原子中留下空位留下空位（即（即空穴空穴），（即，（即产生自由电产生自由电子空穴对子空穴对）同时原子因失去价电子而带正电。）同时原子因失去价电子而带正电。 本征激发本征激发注意：注意：空穴空穴的出现是半导体区别

6、于导体的重要特征。的出现是半导体区别于导体的重要特征。 当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（自由电子与空穴自由电子与空穴的复合的复合）形成一种运动，该运动可等效地看作是）形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。空穴运动方向空穴运动方向与价电子填补方向相反。即与价电子填补方向相反。即自由电子和空穴自由电子和空穴都能在晶格中都能在晶格中自由移动自由移动。因。因而统称它们为而统称它们为半导体的载流子半导体的载流子。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子空穴空穴 带正电带正电本征半导

7、体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。温度一定时：温度一定时： 激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。T T导电能力导电能力载载流流子子或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性 半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有一种重要的特性就是掺杂性，即在本征半导体中加入微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加杂质后的半导体称为杂质半导体。根据加入杂质元素的不同可分为和。vN型半导体：型半导体：本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成

8、。+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N型半型半导体导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由自由电子电子 常温情况下，常温情况下，杂质杂质元素元素全部全部电离电离为为自由电子自由电子和和正正离子离子，正离子在晶格中不，正离子在晶格中不能移动，不参与导电。能移动，不参与导电。（杂质电离（杂质电离（多数）（多数）和本征激发产生）和本征激发产生）（本征激发产生）本征激发产生） 常温情况下，常温情况下，杂质杂质元素全元素全部部电离电离为为空穴空穴和和负离子负离子，负，负离子在晶格中不能移动，不离子在晶格中不能移动，不参与导电。参与导电。+4+4+3+4+4v P型半导体：型半导体：简化模型

9、：简化模型：P P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。 多子浓度主要取决于掺杂浓度。多子浓度主要取决于掺杂浓度。空穴空穴（杂质电离（杂质电离（多数）（多数）和本征激发产生）和本征激发产生）（本征激发产生）（本征激发产生） 载流子在电场作用下的运动运动称载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，漂移运动，所形成的电流称所形成的电流称漂移电流。漂移电流。漂移与漂移电流漂移与漂移电流 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称

10、扩散运动，扩散运动，所形成的电流称所形成的电流称扩散电流。扩散电流。 扩散与扩散电流扩散与扩散电流 利用掺杂利用掺杂工艺，把工艺，把P型半型半导体和导体和N型半导型半导体在原子级上紧体在原子级上紧密结合。密结合。 PN结形成的物理过程结形成的物理过程: :因多子浓度差因多子浓度差产生空间电荷区产生空间电荷区引起多子扩散引起多子扩散出现内建电场出现内建电场阻止多子扩散阻止多子扩散利于少子漂移利于少子漂移最终达动态平衡最终达动态平衡P型型掺杂掺杂N型型E内内 PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流 相抵消，即通过相抵消，即通过PN结的电流为零。结的电流为零。室

11、温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V 的的为为单向导电性单向导电性（即正向导通，反向截止）；（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有除了单向导电性外还有反向击穿特性反向击穿特性、温度特性温度特性、电容特性电容特性。 ：是正向偏置的简称，正向偏置是指是正向偏置的简称，正向偏置是指给给PN结的结的P端端接电源的接电源的“+”+”极极，N端接端接电源的电源的“- -”极极的一种接法。而的一种接法。而PN结的正偏特性就是给结的正偏特性就是给PN结结加正偏电压时所表现出的特性。加正偏电压时所表现出的特性。 ：是反向偏置的简称，反向偏置是指是反向偏置的简称，反向

12、偏置是指给给PN结的结的P端端接电源的接电源的“-”-”极极，N端端接电源的接电源的“+”+”极极的一种接法。而的一种接法。而PN结的反偏特性就是给结的反偏特性就是给PN结加反偏电压时所表现出的特性。结加反偏电压时所表现出的特性。E外外IPN结结正正偏偏阻挡层阻挡层变薄变薄内建电内建电场减弱场减弱多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散形成形成较大较大的正向电的正向电流流IPNPN结导通结导通电压电压V V 电流电流I I E外外PN结结反反偏偏阻挡层阻挡层变宽变宽内建电内建电场增强场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子少子漂移漂移形形成成微小微小的反的反向电流向电流ISPNPN结

13、截止结截止I IS S与与V V 近似无关。近似无关。温度温度T T 电流电流I IS SIS PN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。即正向导通，反向截止。即正向导通，反向截止。 二极管（二极管（PN结）结）的伏安特性方程式的伏安特性方程式其中：其中： IS为反向饱和电流（其为反向饱和电流（其值很小，近似为值很小，近似为0 0），其），其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：正偏时： TSVVeII 反偏时：反偏时： 0SII（非线性关系）（非线性关系）)1(TSVVeII）室温热电压(26mVqkTVTID(mA)V(V)VD(on

14、)- -ISSiGeVD(on)= 0.7VIS=(10-910-16)A硅硅PNPN结结VD(on)= 0.25V锗锗PNPN结结IS=(10-610-8)AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R很小很小 I PNPN结导通结导通；V VD(on)时时 IR很小很小( (IR -IS) 反向反向R很大很大 PNPN结截止结截止。温度每升高温度每升高10，IS约增加一倍。约增加一倍。 温度每升高温度每升高1， VD(on)约减小约减小2.5mV。 | |V反反| | = =V(BR)时时， IR急剧急剧 PNPN结反向击穿结反向击穿。 V(BR)ID(mA)V(V)UZID(mA)U(V

15、)IZminIZmax+- -VZ Z 利用利用PN结结的的反向击穿特性反向击穿特性，可，可制成稳压二极管。制成稳压二极管。 要求要求：Izmin Iz Cb ，则则 Cj Cd即即以扩散电容为主以扩散电容为主 PNPN结反偏结反偏时时，CT CD ，则则 Cj CT即即以势垒电容为主以势垒电容为主PN正极正极负极负极)1(TSVVeIIVD(on)V(V)V(BR)ID(mA)VD(on)半导体二极管图片半导体二极管图片 晶体二极管的晶体二极管的内部结构内部结构就是一个就是一个PNPN结。因而结。因而它们的它们的伏安特性伏安特性相似，它有不同的表示方法，相似，它有不同的表示方法，或者表示为不

16、同形式的模型：或者表示为不同形式的模型： 适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型 便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学模型数学模型直流简化电路模型直流简化电路模型交流小信号电路模型交流小信号电路模型 电路分析时采用的电路分析时采用的数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式) 1e (TSVVII理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：) 1e (TSSnVIrVIIrS 体电阻体电阻 + + 引线接触电阻引线接触电阻 + + 引线电阻引线电阻其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I 正常时正常时: : n 1I 过小或过大时过小或过大时: : n 2注意：注

17、意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际面漏电流的影响，实际IS理想理想IS。曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I (mA)V(V)VD(on)-IS当当V VD(on)时时 二极管二极管导通导通当当V 0，则管子导通；反之截止。，则管子导通；反之截止。实际二极管：若实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。例例2 2：设

18、二极管是理想的，求：设二极管是理想的，求VAO值。值。图图(a)(a)，假设假设D开路开路，则则D两端电压两端电压： VD=V1V2= 6 12= 18 0V， VD2=V2( (V1) )=15V 0V 由于由于VD2 VD1 ，则则D2优先导通优先导通。此时此时VD1= 6V 2V时，时，D导通，则导通，则vO O= =vivi 2V时，时，D截止，则截止，则vO O=2V由此可画出由此可画出vO的波形。的波形。 +-D+- -+- -2V100Rvo ovit620vi(V)vO O(V)t026小信号分析法小信号分析法 即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用即将电路中的二极管用小

19、信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。分析步骤：分析步骤： 将直流电源短路，画交流通路。将直流电源短路，画交流通路。 用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。 利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。 Page28 Page28 例例3 3电源设备组成框图：电源设备组成框图：tvitv1tv2tv3tvO O整流与稳压电路整流与稳压电路 整流电路整流电路D+-+-RvO Ovi当当vi 0V时，时，D导通，则导通，则vO=vi当当vi 0V时，时，D截止，则截止，则vO=0V由此，利用二极管的单向导由此，利用二极管的单向导电性，实现了电性，实现了半波整流半波整流。 若输入信号为正弦波：若输入信号为正弦波： 平均值：平均值： imo1VVVOt0vit0vO O V2vi0, ,V20限幅电路限幅电路( (或削波电路）或削波电路）作作 业业v1-13v1-16(a)v1-17*教教 学学 要要 求求