第01章_晶体二极管(已修改)精选PPT.ppt
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1、第01章_晶体二极管(已修改)第1页,此课件共57页哦教教材:材:电子线路电子线路(线性部分线性部分)(第五版)(第五版)冯军冯军谢嘉奎谢嘉奎主编主编高等教育出版社高等教育出版社2010(东南大学)(东南大学)参考书:参考书:1、模拟电子技术基础简明教程模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行(第三版)杨素行主编主编高等教育出版社高等教育出版社2006(清华大学)(清华大学)2、模拟电子技术基础模拟电子技术基础(第(第3版)版)童诗白,华成英主编童诗白,华成英主编,高教出版社,高教出版社,2001(清华)(清华)3、电子技术基础电子技术基础(模拟部分)(模拟部分)康华光康华光编著编著高等教育出
2、版社高等教育出版社1999(华中理工)(华中理工)4、电子线路基础教程电子线路基础教程王成华王成华主编主编科学出版社科学出版社2000第2页,此课件共57页哦1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识1.3 1.3 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法1.2 PN1.2 PN结结1.4 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用1.0 1.0 概述概述第一章第一章 晶体二极管晶体二极管第3页,此课件共57页哦概概 述述晶体二极管结构及电路符号:晶体二极管结构及电路符号:PN结正偏(结正偏(P P接接接接+、N N接接-),D导通。导通。PN正极正极负极负极晶体二极管的主要特性:
3、晶体二极管的主要特性:单方向导电特性单方向导电特性PNPN结反偏(结反偏(结反偏(结反偏(N接接+、P接接接接-),D D截止。截止。即即主要用途:主要用途:用于整流、开关、检波电路中。用于整流、开关、检波电路中。第4页,此课件共57页哦1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识 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、绝缘体和半绝缘体和半导体导体 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把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体绝缘体,如陶瓷、云母、塑料、如陶瓷、云母、塑料、橡胶
4、等橡胶等;把导电把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,大大多数半导体器件所用的主要材料是硅多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗和锗(Ge)。第5页,此课件共57页哦 (1)热热敏敏性性:一一些些半半导导体体对对温温度度的的反反应应很很灵灵敏敏,其其电电阻阻率率随随着着温温度度的的上上升升而而明明显显地地下下降降,利利用用这这种种特特性性很很容容易易制制成成各各种种热热敏敏元元件件,如如热热敏敏电电阻阻、温温度度传传感器等。感器等。严格地说,导体、半导体和绝缘体的划分是以物质严格地说,导体、半导体和绝缘体的划分是以物质的电阻率的电阻率的大
5、小来确定的。的大小来确定的。电阻率小于电阻率小于10-3cm的称为的称为导体导体;电阻率大于电阻率大于108cm的称为绝缘体的称为绝缘体;其电阻率介于其电阻率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。1.1 半导体物理基础知识:半导体物理基础知识:半导体的半导体的3大特性:大特性:第6页,此课件共57页哦 (2)光光敏敏性性:有有些些半半导导体体的的电电阻阻率率随随着着光光照照的的增增强强而而明明显显地地下下降降,利利用用这这种种特特性性可可以以做做成成各各种种光光敏敏元元件件,如如光敏电阻和光电管等。光敏电阻和光电管等。(3)掺掺杂杂性性:半半导导体体的
6、的电电阻阻率率受受掺掺入入的的“杂杂质质”影影响响极极大大,在在半半导导体体中中即即使使掺掺入入的的杂杂质质十十分分微微量量,也也能能使使其其电电阻阻率率大大大大地地下下降降,利利用用这这种种独独特特的的性性质质可可以以制制成成各各种种各各样的晶体管器件。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,必必须研究半导体的内部结构。须研究半导体的内部结构。1.1 半导体物理基础知识:半导体物理基础知识:第7页,此课件共57页哦半导体:半导体:导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。1.1 1.1 半导体物理
7、基础知识半导体物理基础知识硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型:原子结构及简化模型:+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子惯性核惯性核第8页,此课件共57页哦 硅和锗的单晶称为硅和锗的单晶称为本征半导体本征半导体。它们是制造半导。它们是制造半导体器件的基本材料。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1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体第9页,此课件共57页哦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。q 共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。
8、当当T=0K(无外界影(无外界影 响)时,共价键中无自由移动的电子。响)时,共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称注意:注意:空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发本征激发。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挣脱共价键的束缚而的束缚而成为自由电子成为自由电子,原子中,原子中留下空位(即空穴)留下空位(即空穴),(即,(即产生产生自由电子空穴对自由电子空穴对)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。第10页,此课件共57页哦 当当原原子子中中
9、的的价价电电子子激激发发为为自自由由电电子子时时,原原子子中中留留下下空空位位,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。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动,该运动可等效地看作是种运动,该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。注意:注意:空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。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 空穴的运动空穴的运动空空 穴穴 带正电带正电第11页,此课件共57页哦温度一定时:温度一定时:激发与复合在某一热平衡值上达到激发与
10、复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度:热平衡载流子浓度:本征半导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。T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性第12页,此课件共57页哦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。+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,杂质杂质元素全元素全部部
11、电离电离为为自由电子自由电子和和正离子正离子,正离子在晶格中不能移动,正离子在晶格中不能移动,不参与导电。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)1.1.2 杂质半导体:杂质半导体:第13页,此课件共57页哦 常温情况下,常温情况下,杂质杂质元素全部元素全部电离电离为为空穴空穴和和负离子负离子,负离子在,负离子在晶格中不能移动,不参与导电。晶格中不能移动,不参与导电。+4+4+3+4+4v P型半导体:型半导体:简化模型: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
12、掺入少量三价三价元素构成。元素构成。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)第14页,此课件共57页哦 杂质半导体中载流子浓度计算杂质半导体中载流子浓度计算N型半导体型半导体(热平衡条件)(热平衡条件)(电中性方程)(电中性方程)P型半导体型半导体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。多子浓度取决于掺杂浓度。多子浓度取决于掺杂浓度。第15页,此课件共57页哦1.1.3 1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散 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
13、运动,漂移运动,所形成所形成的电流称的电流称漂移电流。漂移电流。漂移电流密度漂移电流密度总漂移电流密度:总漂移电流密度:迁移率迁移率漂移与漂移电流漂移与漂移电流第16页,此课件共57页哦电导率:电导率:半导体的电导率半导体的电导率电阻:电阻:电压:电压:V=E l电流:电流:I=S Jt+-V长度长度l截面积截面积S电场电场EI第17页,此课件共57页哦 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扩散运动,扩散运动,所所形成的电流称形成的电流称扩散电流。扩散电流。(扩散电流扩散电流是半导体区别于导体的特有电流)是半导体区别于导体的特有电流)扩散电流密度扩散电流密度:扩散与扩散电流
14、扩散与扩散电流N N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xnopo第18页,此课件共57页哦1.2 1.2 PN结结多子:多子:多子:多子:空穴空穴少子:少子:自由电子自由电子少子:少子:1.2.2PN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型型半导体。半导体。此时将在此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成如型半导体的结合面上形成如下物理过程下物理过程:自由电子自由电子空穴空穴第19页,此课件共57页哦因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场
15、内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移,而少子漂移可削弱内电场而少子漂移可削弱内电场 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 PN结的形成结的形成多子多子:空穴:空穴多子多子:自由电子自由电子内电场方向内电场方向少子少子:自由电子自由电子少子少子:空穴:空穴第20页,此课件共57页哦内电场方向内电场方向 PN结的形成结的形成空间电荷区空间电荷区(耗尽层)(耗尽层)对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面,离型半导体结合面,离子薄层形成的
16、子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称称耗尽层耗尽层。第21页,此课件共57页哦 注意:注意:掺杂浓度(掺杂浓度(Na、Nd)越大,内建电位差)越大,内建电位差 VB 越高,阻挡层宽度越高,阻挡层宽度 l0 0 越小。越小。思考:思考:思考:思考:若将若将PN结用导线连接起来,导线上会有电流产生吗?结用导线连接起来,导线上会有电流产生吗?内建电位差:内建电位差:阻挡层宽度:阻挡层宽度:室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V第22页,此课件共57页哦 PNPN结结结结的的基本特
17、性基本特性基本特性基本特性为为单向导电性单向导电性(即正向导通,反向截止);除了单向(即正向导通,反向截止);除了单向导电性外还有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。正偏正偏:是正向偏置的简称,正向偏置是指给是正向偏置的简称,正向偏置是指给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“-”极极的一的一种接法。而种接法。而PN结的正偏特性就是给结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时结加正偏电压时所表现出的特性。所表现出的特性。反偏反偏:是反向偏置的简称,反向偏置是指给是反向偏置的简称,反向偏置是指给PN结的结的P端端接电源的接电源的“-
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