第1章 晶体二极管.ppt

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1、课程概述课程概述电子线路：电子线路：指包含电子器件、并能对电信号指包含电子器件、并能对电信号实现某种实现某种功能功能处理的电路。处理的电路。电路组成：电路组成：电子器件电子器件 +外围电路外围电路电子器件：电子器件：二极管、三极管、场效应管、二极管、三极管、场效应管、集成电路。集成电路。外围电路：外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源直流电源、电阻、电容、电流源电路等。电路等。1第第 1 章晶体二极管章晶体二极管1.0概述概述1.1半导体物理基础知识半导体物理基础知识1.2PN 结结1.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用晶体二极管的应用2教学要求n为什么采用半

2、导体材料制作电子器件n空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？n什么是N型半导体？什么是P型半导体？当两种半导体制作在一起时会产生什么现象？nPN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗?它为什么具有单向导电性？在PN结加反向电压时果真没有电流吗？3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 接接+、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：晶体二极管的主要特性：单方向导电特性单方向导电特性PN 结反偏结反偏(N 接接+、P 接接-)-)，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、

3、检波电路中。41.1半导体物理基础知识半导体物理基础知识半导体：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。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5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本征半导体本征半导体6 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

4、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。当当 T=0 K(无外界影无外界影响响)时，共价键中无自由移动的电子。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。7当当原原子子中中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位，同时原子因失去价电子而带正电。空位，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

5、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8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。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

6、热敏特性光敏特性光敏特性nipi 分别代表自由电子与空穴的浓度，k波耳兹曼常数，Ego为热力学零度时破坏共价键所需能量,A常量9v N 型半导体：型半导体：1.1.2杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N 型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体本征半导体（Si）中掺入少量中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。10v P 型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型：简化模型：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空空 穴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。11 杂质半导体

7、中载流浓度计算杂质半导体中载流浓度计算N 型半导体型半导体(热平衡方程热平衡方程)(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。121.1.3两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散漂移与漂移电流漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称载流子在电场作用下的运动称漂移运动，漂移运动，所形成的所形成的电流称电流称漂移电流。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13 半导体的电导率半导体的电导率电压：电压：V=E l电流：电流：I=S

8、Jt+-V长度长度 l截面积截面积 S电场电场 EI电阻：电阻：电导率：电导率：14载载流流子子在在浓浓度度差差作作用用下下的的运运动动称称扩扩散散运运动动，所所形形成成的电流称的电流称扩散电流。扩散电流。扩散电流密度：扩散电流密度：扩散与扩散电流扩散与扩散电流N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xnopo151.2PN 结结利利用用掺掺杂杂工工艺艺，把把 P 型型半半导导体体和和 N 型型半半导导体体在在原原子子级上紧密结合，级上紧密结合，P 区与区与 N 区的交界面就形成了区的交界面就形成了 PN 结。结。掺杂掺杂N 型型P 型型PN 结结161.2.1动态平衡下的动

9、态平衡下的 PN 结结阻止多子扩散阻止多子扩散出现内建电场出现内建电场开始因浓度差开始因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注意：注意：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，通过相抵消，通过 PN 结的电流为零。结的电流为零。PN 结形成的物理过程结形成的物理过程17 内建电位差：内建电位差：室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3 V硅管硅管 VB 0.5 0.7 V 阻挡层宽度：阻挡层宽度：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 V

10、B越大，阻越大，阻 挡层宽度挡层宽度 l0 越小。越小。181.2.2PN 结的伏安特性结的伏安特性 PN 结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场 Elo+-+-VPN 结结正偏正偏阻挡层变薄阻挡层变薄内建电场减弱内建电场减弱多子扩散多子扩散 少子漂移少子漂移多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流的正向电流 IPN 结导通结导通I电压电压 V 电流电流 I 19 PN 结结单向导电特性单向导电特性P+N内建内建电场电场 Elo-+-+VPN 结结反偏反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子漂移形成少子漂移形成微小微小的反向电流的反向电

11、流 IRPN 结截止结截止IRIR 与与 V 近似无关。近似无关。温度温度 T 电流电流 IR结论：结论：PN 结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。20 PN 结结伏安特性方程式伏安特性方程式PN 结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压热电压 26 mV(室温室温)其中：其中：IS 为为反反向向饱饱和和电电流流，其其值值与与外外加加电电压压近近似似无无关关，但但受温度影响很大。受温度影响很大。正偏时：正偏时：反偏时：反偏时：21 PN 结结伏安特性曲线伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7 VI

12、S=(10-9 10-16)A硅硅 PN 结结VD(on)=0.25 V锗锗 PN 结结IS=(10-6 10-8)AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R 很小很小 I PN 结导通；结导通；V 6 V)形成原因：形成原因：碰撞电离。碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因：形成原因：场致激发。场致激发。发生条件发生条件PN 结掺杂浓度较高结掺杂浓度较高(lo 较窄较窄)外加反向电压较小外加反向电压较小(6 V)23因为因为 T 载流子运动的平均自由路程载流子运动的平均自由路程 V(BR)。击穿电压的温度特性击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压具有正温度系数。雪崩击穿电压具有正温度

13、系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。因为因为 T 价电子获得的能量价电子获得的能量 V(BR)。稳压二极管稳压二极管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ Z 利用利用 PN 结的反向击穿特性，结的反向击穿特性，可可制成稳压二极管。制成稳压二极管。要求：要求：Izmin Iz CD，则，则 Cj CT PN 结总电容：结总电容：Cj=CT+CD PN 结正偏时，结正偏时，CD CT，则，则 Cj CD故：故：PN 结正偏时，以结正偏时，以 CD 为主。为主。故：故：PN 结结反偏时，以反偏时，以 CT 为主。为主。通常：通常：CD 几十几十 pF 几千几

14、千 pF。通常：通常：CT 几几 pF 几十几十 pF。261.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法晶晶体体二二极极管管的的内内部部结结构构就就是是一一个个 PN 结结。就就其其伏伏安安特特性性而而言言，它它有有不不同同的的表表示示方方法法，或或者者表表示示为为不同形式的模型：不同形式的模型：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 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271.3.1晶体二极管的模型晶体二极管的模型数学模型数学模型伏安特性方程式

15、伏安特性方程式理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：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 2rS 体电阻体电阻+引线接触电阻引线接触电阻+引线电阻引线电阻注意：注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面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，实际漏电流的影响，实际 IS 理想理想 IS。28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 V

16、 VD(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。34例例 2设二极管是理想的，求设二极管是理想的，求 VAO 值。值。图图(a)，假设，假设 D 开路，则开路，则 D 两端电压：两端电压：VD=V1 V2=6 12=18 0 V，VD2=V2 (V1)=15 V 0 V。由于由于 VD2 VD1，则，则 D2 优先导通优先导通。此时此时 VD1=6 V 2 V 时，时，D 导通，则导通，则 vO=vivi 2 V 时

17、，时，D 截止，则截止，则 vO=2 V由此可画出由此可画出 vO 的波形。的波形。+-DV+-+-2 V100 Rvo ovit62Ovi(V)vo o(V)tO2636 小信号分析法小信号分析法 即即将将电电路路中中的的二二极极管管用用小小信信号号电电路路模模型型代代替替，利利用用得得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。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

18、路分析电压与电流的变化量。371.4晶体二极管的应用晶体二极管的应用电源设备组成框图：电源设备组成框图：电电 源源变压器变压器整流整流电路电路滤波滤波电路电路稳压稳压电路电路vivotvitv1tv2tv3tvo38 整流电路整流电路1.4.1整流与稳压电路整流与稳压电路D+-+-RvOvi当当 vi 0 V 时，时，D 导通，则导通，则 vO=vi当当 vi 0 V 时，时，D 截止，则截止，则 vO=0 V由由此此，利利用用二二极极管管的的单单向向导电性，实现了导电性，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：VOtOvitOvO39 稳压电路稳压电路

19、某原因某原因 VO IZ I 限流电阻限流电阻 R：保证稳压管工作在保证稳压管工作在 Izmin Izmax 之间之间稳压原理：稳压原理：VO VR VO=VZ输出电压：输出电压：D+-+-RRLILVIVOIZI401.4.2限幅电路限幅电路(或削波电路或削波电路)V2 vi V1时，时，D1、D2 截止，截止，vo=vi tOvitOvo oVi V1时，时，D1导通、导通、D2 截止，截止，vo=V1 Vi V2 时，时，D2 导通、导通、D1 截止，截止，vo=V2 由此由此，电路实现双向限幅功能。，电路实现双向限幅功能。vo ovi+-D1+-+-RD2V1 V2+-其中：其中：V1 为上限幅电平，为上限幅电平，V2 为下限幅电平。为下限幅电平。V1 V2 V2V141