模电半导体二极管及其基本电路.pptx

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1、1.1半导体的基础知识1.1.1本征半导体1.1.2杂质半导体1.1.3PN结第1页/共56页半导体的特点1.热敏性：半导体的导电能力与温度有关利用该特性可做成热敏电阻2.光敏性：半导体的导电能力与光的照射有关系利用该特性可做成光敏电阻3.掺杂性：掺如有用的杂质可以改变半导体的导电能力利用该特性可做成半导体器件第2页/共56页1.1.1本征半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体 纯净的半导体。如硅、锗单晶体。第3页/共56页硅(锗)的原子结构简化模型惯性核价电子(束缚电子)1、半导体的原子结构第4页/共56页2、本征半导体的晶体结构硅(锗)的共价键结构共价键 相邻原子共有

2、价电子所形成的束缚。第5页/共56页3、本征半导体的导电情况自由电子空穴空穴空穴可在共价键内移动当温度为绝对零度以下时，该结构为绝缘体在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)第6页/共56页本征激发：本征激发：复复合：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。漂漂移：移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，并在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。载流子载流子：自由与动的带电粒子第7页/共56页两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运

3、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。第8页/共56页1.1.2杂质半导体一、N型半导体N型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数第9页/共56页二、P型半导体P型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子电子 少子载流子数 空穴数第10页/共56页三、杂质半导体的导电作用IIPINI=IP+INN型半导体IINP型半导体I IP第11页/共56页四、P型、N型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数

4、载流子P型：N型：第12页/共56页1.1.3PN结一、PN结(PNJunction)的形成1.载流子的浓度差引起多子的扩散2.复合使交界面形成空间电荷区产生了一个内电场，电场的作用是阻碍多子的扩散促进少子产生漂移内建电场此时产生了两种电流：扩散电流和漂移电流第13页/共56页3.继续扩散和漂移达到动态平衡扩散电流等于漂移电流，总电流I=0。二、PN结的单向导电性1）.外加正向电压(正向偏置)forwardbias此时形成的空间电荷区域称为PN结（耗尽层）1.定性分析第14页/共56页P区N区内电场外电场外电场使多子向PN结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。IF限流电阻扩散运动加强形成正向电

5、流IF。IF=I多子I少子I多子2）.外加反向电压(反向偏置)reversebiasP区N区内电场外电场外电场使少子背离PN结移动，空间电荷区变宽。IRPN结的单向导电性：正偏导通，呈小电阻，电流较大;反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流IRIR=I少子0第15页/共56页2、定量估算反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV加正向电压时加反向电压时iIS第16页/共56页3、伏安特性Ou/VI/mA反向击穿正向特性第17页/共56页1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3二极管的主

6、要参数第18页/共56页1.2.1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：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型平面型第19页/共56页点接触型正极引线触丝N型锗片外壳负极引线负极引线面接触型N型锗PN结正极引线铝合金小球底座金锑合金正极引线负极引线集成电路中平面型PNP型支持衬底第20页/共56页第21页/共56页1.2.2二极管的伏安特性一、PN结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当T=300(27C)：UT=26mV第22页/共56页二、二极管的伏安特性OuD/ViD/mA正向特

7、性Uth死区电压iD=0Uth=0.5V0.1V(硅管)(锗管)U UthiD急剧上升0U UthUD(on)=(0.60.8)V硅管0.7V(0.10.3)V锗管0.2V反向特性ISU(BR)反向击穿U(BR)U 0iD=IS0.1A(硅)几十A(锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿)第23页/共56页反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因：齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。(击穿电压6V，正温度系数)击穿电压在6V左右时，温度系数趋近零。第24页/共56页硅管的伏安特性锗管的伏安特性6040200.020.040 0.4 0.82550iD/mAuD/Vi

8、D/mAuD/V0.20.42550510150.010.020第25页/共56页温度对二极管特性的影响6040200.0200.42550iD/mAuD/V20C90CT升高时，UD(on)以(22.5)mV/C下降第26页/共56页1.2.3二极管的主要参数1.IF最大整流电流(最大正向平均电流)2.URM最高反向工作电压，为U(BR)/23.IR反向电流(越小单向导电性越好)4.fM最高工作频率(超过时单向导电性变差)iDuDU(BR)IFURMO第27页/共56页影响工作频率的原因PN结的电容效应结论：1.低频时，因结电容很小，对PN结影响很小。高频时，因容抗增大，使结电容分流，导致单

9、向导电性变差。2.结面积小时结电容小，工作频率高。第28页/共56页1.3二极管的模型1.3.1理想二极管模型1.3.二极管恒压源模型1.3.二极管的交流小信号模型第29页/共56页1.3.1理想二极管模型特性uDiD符号及等效模型SS正偏导通，uD=0；反偏截止，iD=0 U(BR)=第30页/共56页uD=UD(on)0.7V(Si)0.2V(Ge)1.3.1二极管的恒压降模型第31页/共56页1.3.二极管的交流小信号模型图解法第32页/共56页公式法：第33页/共56页1.4 半导体二极管的应用 二极管在电路中有着广泛的应用，利用它的单向导电性，可组成整流、限幅、检波电路，还可做元件保

10、护以及在数字电路中作为开关元件等。1.4.1二极管在限幅电路中的应用限幅电路分为串联限幅电路、并联限幅电路、并联限幅电路和双向限幅电路三种。1.串联限幅电路第34页/共56页E0时传输特性电路组成第35页/共56页E0时输出波形E=0时输出波形E0时输出波形工作原理第36页/共56页2.并联限幅电路第37页/共56页3.双向限幅电路第38页/共56页1.4.2 二极管在整流电路中的应用1.单相半波整流电路第39页/共56页2.全波整流电路第40页/共56页1.5特殊二极管1.5.1稳压二极管1.5.2光电二极管第41页/共56页1.5.1稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ/mAu

11、Z/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性第42页/共56页二、主要参数1.稳定电压UZ流过规定电流时稳压管两端的反向电压值。2.稳定电流IZ越大稳压效果越好，小于Imin时不稳压。3.最大工作电流IZM最大耗散功率PZMPZM=UZIZM4.动态电阻rZrZ=UZ/IZ越小稳压效果越好。几几十第43页/共56页5.稳定电压温度系数CT一般，UZ4V，CTV7V，CTV0(为雪崩击穿)具有正温度系数；4VUZ7V，CTV很小。第44页/共56页例1.5.1分析简单稳压电路的工作原理，R 为限流电阻。IR=IZ+ILUO=UIIRRUIUORRLILIRIZ第45页/共56页1.5.

12、2发光二极管与光敏二极管一、发光二极管LED(LightEmittingDiode)1.符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十mA，导通电压(12)V符号u/Vi/mAO2特性第46页/共56页2.主要参数电学参数：I FM，U(BR)，IR光学参数：峰值波长P，亮度L，光通量发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型：普通LED，不可见光：红外光点阵LED七段LED,第47页/共56页第48页/共56页二、光敏二极管1符号和特性符号特性uiO暗电流E=200lxE=400lx工作条件：反向偏置2.主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片第49

13、页/共56页补充：选择二极管限流电阻步骤：1.设定工作电压(如0.7V；2V(LED)；UZ)2.确定工作电流(如1mA；10mA；5mA)3.根据欧姆定律求电阻R=(UIUD)/ID(R 要选择标称值)第50页/共56页小 结第 1 章第51页/共56页一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 自由电子空穴价电子两种半导体N型(多电子)P型(多空穴)二、二、二极管1.1.特性特性单向导电导电正向电阻小(理想为0)，反向电阻大()。第52页/共56页iDO uDU(BR)IFURM2.2.主要参数主要参数正向最大平均电流IF反向最大反向工作电压U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流IR(IS)(受温度影响)IS第53页/共56页3.二极管的等效模型理想模型(大信号状态采用)uDiD正偏导通电压降为零相当于理想开关闭合反偏截止电流为零相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压UD(on)时导通等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on)=(0.60.8)V估算时取0.7V硅管：锗管：(0.10.3)V0.2V折线近似模型相当于有内阻的恒压源UD(on)第54页/共56页4.二极管的应用限幅整流5.特殊二极管工作条件主要用途稳压二极管反偏稳压发光二极管正偏发光光敏二极管反偏光电转换第55页/共56页感谢您的观看。第56页/共56页