模拟电子技术第7章.ppt
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1、模拟电子技术及应用模拟电子技术及应用北京大学出版社北京大学出版社刁修睦、杜保强刁修睦、杜保强主编主编课件制作刁修睦课件制作刁修睦 山东潍坊学院山东潍坊学院信息与控制工程学院信息与控制工程学院 第第1章章 半导体二极管及应用半导体二极管及应用1.1 半导体的基础知识半导体的基础知识1.2 半导体二极管半导体二极管1.3 二极管的应用二极管的应用+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1 半导体的基本知识半导体的基本知识价价电电子子共共价价键键图图 1-1共价键结构共价键结构1.1.1 本征半本征半导导体体纯净的、晶体结构排纯净的、晶体结构排列整齐的半导体叫做列整齐的半导体叫做本征半导体。本征半导
2、体。将将硅硅或或锗锗材材料料提提纯纯便便形形成成单单晶晶体体,它它的的原原子结构为共价键结构。子结构为共价键结构。当当温温度度 T=0 K 时时,半半导导体不导电,如同绝缘体。体不导电,如同绝缘体。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴T 图图 1-2本征激发本征激发1.1.1 本征半本征半导导体体在一定的温度下,部分在一定的温度下,部分价电子因受热而得到足价电子因受热而得到足够的能量,可以摆脱共够的能量,可以摆脱共价键的束缚成为自由电价键的束缚成为自由电子,同时在原来的共价子,同时在原来的共价键中便留下了一个空位,键中便留下了一个空位,称为空穴。这种现象叫称为空穴。这种
3、现象叫做热激发,也叫本征激做热激发,也叫本征激发。发。本征激发的结果:本征激发的结果:产生电子产生电子-空穴对空穴对 本征激发:本征激发:1.1.1 本征半本征半导导体体+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴T 图图 1-2本征激发本征激发一般在室温下,纯硅中的一般在室温下,纯硅中的自由电子浓度自由电子浓度n和空穴浓和空穴浓度度p约为约为n=p1.51010个个/cm3,纯锗中的自由电子,纯锗中的自由电子浓度浓度n和空穴浓度和空穴浓度p约为约为n=p2.51013个个/cm3,而,而金属导体中的自由电子浓金属导体中的自由电子浓度约为度约为1022个个/cm3。由此。由此可
4、知,本征半导体的导电可知,本征半导体的导电能力是很差的。能力是很差的。+4+4+4+4+4+4+4+4+41.1.2 杂质半导体杂质半导体+3受主受主原子原子空穴空穴图图 1-3P 型半导体的结构型半导体的结构(b)结构示意图结构示意图(a)形成过程形成过程一、一、P型半导体型半导体掺杂结果:掺杂结果:每掺入一个三每掺入一个三价元素,产生一个空穴和价元素,产生一个空穴和一个不导电的杂质负离子一个不导电的杂质负离子+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子自由电子+5图图 1-4N 型半导体的结构型半导体的结构(b)结构示意图结构示意图(a)形成过程形成过程二、二、N型半导体型半导体掺杂结
5、果:掺杂结果:每掺入一个五每掺入一个五价元素,产生一个自由电价元素,产生一个自由电子和一个不导电的杂质正子和一个不导电的杂质正离子离子施主原子施主原子1.1.3 PN结的形成及特性结的形成及特性耗尽层耗尽层空间电荷区空间电荷区PN一、一、PN结的形成结的形成PN2.少子少子被动被动飘逸飘逸1.多子多子自动自动扩散扩散3.动态平衡,动态平衡,扩散扩散=漂移漂移 PN结形成结形成PN结厚度:结厚度:约约10-610-4cm PN结的其它称谓结的其它称谓PN空间电荷区空间电荷区内电场内电场Uho 阻挡层阻挡层势垒区势垒区图图1-5 PN结的形成结的形成PN二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性外电
6、场方向外电场方向内电场方向内电场方向耗尽层耗尽层ERI图图 1-6 PN 结加正向电压时导通结加正向电压时导通 什么是什么是PN结的单向结的单向导电性?导电性?有什么作用?有什么作用?空间电荷区变窄,有利空间电荷区变窄,有利于扩散运动,电路中有于扩散运动,电路中有较大的正向电流。较大的正向电流。1加正向电压时导通加正向电压时导通二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性耗尽层耗尽层图图 1-7PN 结加反向电压时截止结加反向电压时截止 PN外电场方向外电场方向内电场方向内电场方向ERIS空间电荷区变宽,有利空间电荷区变宽,有利于漂移运动,电路中有于漂移运动,电路中有较小的反向电流。较小的反向电流
7、。2加反向电压时截止加反向电压时截止PN结反向电流的大小受结反向电流的大小受温度的影响明显温度的影响明显 1.2 半导体二极管半导体二极管图图1-8 二极管结构及电路符号二极管结构及电路符号VD一、二极管的结构一、二极管的结构 以以PN结为管芯,在结为管芯,在PN结的结的两侧接上电极引线,并以外两侧接上电极引线,并以外壳(金属、塑料或玻璃)封壳(金属、塑料或玻璃)封装,就制成了半导体二极管。装,就制成了半导体二极管。由由P区引出的电极称正极区引出的电极称正极(或或阳极阳极),由,由N区引出的电极称区引出的电极称负极负极(或阴极或阴极)。电路符号中。电路符号中的箭头方向表示正向电流的的箭头方向表
8、示正向电流的方向。其结构示意和电路符方向。其结构示意和电路符号如图号如图1-8所示。所示。图图1-9 点接触型二极管点接触型二极管图图1-10 面接触型二极管面接触型二极管二、二极管的分二、二极管的分类类半导体二极管类型很多,按结构分,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有点接触型和面接触型两类 点接触型二点接触型二极管高频特极管高频特性好,适用性好,适用于高频电路,于高频电路,也用作数字也用作数字电路中的开电路中的开关元件。关元件。面接触型二极面接触型二极管结面积比较管结面积比较大,允许通过大,允许通过的电流大,适的电流大,适用于整流,但用于整流,但由于极间电容由于极间电
9、容大,故只宜用大,故只宜用于低频电路。于低频电路。1.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性图图1-11 某硅二极管的伏安特性曲线某硅二极管的伏安特性曲线一、正向特性一、正向特性二、反向特性二、反向特性死区:死区:Uth=0.5V (硅管硅管)0.1V (锗管锗管)非线性区:非线性区:导通区:导通区:UD(ON)=0.60.7V (硅管硅管)0.20.3V (锗管锗管)反向截止区:反向截止区:反向击穿区:反向击穿区:UBRU0 U UBR开启电压开启电压导通电压导通电压击穿电压击穿电压击穿类型击穿类型齐纳击穿齐纳击穿雪崩击穿雪崩击穿图图1-12 二极管的温度特二极管的温度特性曲线性曲线四、四
10、、二极管的温度特性二极管的温度特性半导体具有热敏性,温度变化半导体具有热敏性,温度变化容易造成半导体器件工作不稳定。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,正向特性中,若保持电流一定,温度每升高温度每升高1,二极管的正向,二极管的正向压降将减小压降将减小2。即二极管的正。即二极管的正向特性曲线将随温度的升高而左向特性曲线将随温度的升高而左移。在反向特性中,当温度每升移。在反向特性中,当温度每升高高10,反向饱和电流,反向饱和电流IS将增加将增加一倍。二极管的反向击穿电压也一倍。二极管的反向击穿电压也受温度的影响。受温度的影响。1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1最大
11、整流电流最大整流电流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点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安 以下,如以下,如2AP1,IF=16mA。面接触型二极管的最大整流电流较大,如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硅二极管的最大整流电流为流为100mA。对于大功率二极管,必须加装散热装置。对于大功率二极管,必须加装散热装置。2最高反向工作电压最高反向工作电压URM最高反向工作电压最高反向工作电压URM约为反向击穿电压约为反向击穿电压UBR的一半,以保证二极
12、管的一半,以保证二极管正常工作的余量。如正常工作的余量。如2CPl0硅二极管的硅二极管的URM为为25V,其,其UBR为为50V。点。点接触型二极管的接触型二极管的URM一般是数十伏,面接触型可达数百伏。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)反向电流(反向饱和电流)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。越小,管子的单向导电性就越好。4最高工作频率最高工作频率fM保证二极管具有单向导电作用时允许的最高工作频率。保证二极管具有单向导电作用时允许的最高工作频率。f
13、M主要决定于主要决定于PN结电容的大小,结电容越小,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)最高工作频率只有率只有3kHz左右。左右。伏安特性小结伏安特性小结 二极管元件的伏安特性可用公式法、参数法、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。特性曲线法三种方法来表示。公式法公式法的特点是便于定量分析计算;的特点是便于定量分析计算;参数法参数法描述元件的特性简单、明了,但是只描述元件的特性简单、明了,但是只能描述简
14、单的静态特性,无法反映两个变量能描述简单的静态特性,无法反映两个变量之间的关系;之间的关系;特性曲线法特性曲线法比较全面而直观地反映元件的特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。性,特别是变量之间的关系,信息量最大。1.2.4 二极管的等效电路二极管的等效电路 一、理想模型一、理想模型 二、恒压降模型二、恒压降模型 三、折线模型三、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)。二极管的等效电路(或等效模型)。理想二极管可用开关理想二极管可用开关S来等效,正偏时来等效,正偏时S闭闭合
15、,反偏时合,反偏时S断开,断开,二极管正偏导通后二极管正偏导通后的管压降是一个恒的管压降是一个恒定值定值 二极管的导通压降随二极二极管的导通压降随二极管电流的增加而增加,正管电流的增加而增加,正向特性用一个理想电源和向特性用一个理想电源和一个电阻一个电阻rD近似近似 uio(a)(b)图图1-13 二极管的理想模型二极管的理想模型(a)伏安特性伏安特性 (b)等效电路等效电路(a)(b)图图1-14 二极管的恒压降模型二极管的恒压降模型(a)伏安特性伏安特性 (b)等效电路等效电路UD(ON)uioUD(ON)+_UDuiUDrD+_o(a)(b)图图1-15 二极管的折线模型二极管的折线模型
16、(a)伏安特性伏安特性 (b)等效电路等效电路图图1-16 二极管的指数模型二极管的指数模型uDiDo图图1-17 二极管的交流微变等效电路二极管的交流微变等效电路rd uDuDiDoQUDID iD四、指数模型四、指数模型(数学模型)(数学模型)在外加在外加电压电压uD的作用下,二极管的作用下,二极管电电流流iD变变化化规规律的数学表达式近似律的数学表达式近似为为:uDUT,近似有,近似有 二极管正向导通时,由其两端的电压二极管正向导通时,由其两端的电压UD和通过它的电流和通过它的电流ID,可以在伏,可以在伏安特性曲线上确定一点安特性曲线上确定一点Q。在。在Q点的基础上附加微小的变化量,电流
17、会点的基础上附加微小的变化量,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二极管的交流微变等效电阻rd。五、交流微变等效电路五、交流微变等效电路(物理模型)(物理模型)图图1-18 例例1.1图图VD+_+_+_U2U1R1R2UABABCD【例】【例】二极管二极管电电路如路如图图1-18所示,所示,VD为为理想二极管,正向理想二极管,正向导导通通电电压压降降为为0V。U1=12V,U2=6V,R1=R2=500,求,求UAB。解:解:图图1-18中,假中,假设设断开二极管断开二极管VD,
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