模电半导体二极管及其基本电路PPT教案.pptx

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1、模电 半导体二极管及其基本(jbn)电路第一页，共49页。半导体的基本知识（1）自然界的物体根据其导电能力(电阻率)的不同，可划分(hu fn)为导体、绝缘体和半导体。u半导体 Semiconductoru半导体的特性(txng)1）当受外界(wiji)热和光的作用时，它的导电能力明显变化。2）往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。第1页/共49页第二页，共49页。GeSiu半导体材料：导电性能介于导体与绝缘体之间的材料称为半导体材料。u典型(dinxng)的半导体有硅 Si和锗 Ge以及砷化镓GaAs等。半导体的基本知识（2）第2页/共49页第三页，共49页。在硅和锗晶体中

2、，原子(yunz)按四角形系统组成晶体点阵，每个原子(yunz)都处在正四面体的中心，而四个其它原子(yunz)位于四面体的顶点，每个原子(yunz)与其相临的原子(yunz)之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：u 半导体的共价键结构(jigu)半导体的基本知识（3）第3页/共49页第四页，共49页。共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去(ch q)价电子后的原子形成(xngchng)共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。半导体的基本知识（4）第4页/共49页第五页，共49页。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为(chn wi)束缚电子，常温下束缚电子

3、很难脱离共价键成为自由电子，因此半导体中的自由电子极少，所以半导体在常温下几乎不导电。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成(xngchng)晶体。+4+4+4+4半导体的基本知识（5）第5页/共49页第六页，共49页。本征半导体（1）本征半导体(Intrinsic Semiconductors)完全纯净的、结构完整(wnzhng)的半导体晶体。本征半导体的导电(dodin)机理在绝对(judu)0（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发（本征激发），使一些价电子获得足够的

4、能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。第6页/共49页第七页，共49页。+4+4+4+4自由电子(z yu din z)空穴(kn xu)束缚电子本征半导体中存在数量相等的自由电子(z yu din z)和空穴。电子空穴对由热激发而产生的自由电子和空穴对。本征半导体（2）第7页/共49页第八页，共49页。+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以(ky)认为空穴是载流子。本征半导体（3）第8页/共49页第九页，共49页。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越

5、强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部(wib)因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力(nngl)取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分(b fen)组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。本征半导体（4）第9页/共49页第十页，共49页。杂质(zzh)半导体（1）u 杂质(zzh)半导体(Extrinsic Semiconductors)在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要(zhyo)是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体掺入三价杂质元素

6、（如硼）的半导体。第10页/共49页第十一页，共49页。杂质(zzh)半导体（2）u N型半导体 因五价杂质原子中只有(zhyu)四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子(多子），它主要(zhyo)由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。电子空穴对电子第11页/共49页第十二页，共49页。正电荷量=施主原子(yunz)+本征激发的空穴负电荷量=施主(shzh)释放的电子+本征激发的电子电子(din

7、z)空穴对（平衡）不能移动N型半导体整体呈电中性，电子是多数载流子第12页/共49页第十三页，共49页。杂质(zzh)半导体（3）uP型半导体 因三价杂质(zzh)原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂(chn z)形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。空穴电子空穴对第13页/共49页第十四页，共49页。负电荷量=受主原子+本征激发(jf)的电子正电荷量=硅失电子释放的空穴(kn xu)+本征激发的空穴(kn xu)电子空穴(kn xu)对（平衡

8、）不能移动P型半导体整体呈电中性，空穴是多数载流子第14页/共49页第十五页，共49页。PNPN结的形成结的形成(xngchng)(xngchng)在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下(rxi)物理过程:因浓度(nngd)差空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡，PN结形成。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 P区 N区空间电荷区内电场第15页/共49页第十六页，共49页。1.空间电荷区中没有(mi yu)载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴.N区中的电子（都是多子）向对方运动(yndng)（扩散运动(yndng)

9、）。3.P 区中的电子和N 区中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们(t men)的运动（漂移运动）形成的电流很小。注意:PNPN结的特性第16页/共49页第十七页，共49页。PNPN结的性质结的性质(xngzh)PN(xngzh)PN结的单向导电性（结的单向导电性（11）当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向(zhn xin)电压，简称正偏(Forward Bias)uPN结加正向(zhn xin)电压时（Forward-Based PN Junction)特点：低电阻 大的正向扩散电流 PN结的伏安特性PN结加正向电压时的导电情况外电场第17页/共49页第十八页，共49

10、页。PN结的性质(xngzh)-PN结的单向导电性（2）PN结的伏安(f n)特性 当外加(wiji)电压使PN结中P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏(Reverse Bais)。u PN结加反向电压时(Reverse-Based PN Junction)特点：高电阻 很小的反向漂移电流PN结加反向电压时的导电情况外电场第18页/共49页第十九页，共49页。PNPN结的性质结的性质(xngzh)PN(xngzh)PN结的单向导电性（结的单向导电性（33）PN结加正向电压时，呈现(chngxin)低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现(chngxin)高电阻，具

11、有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第19页/共49页第二十页，共49页。半导体二极管半导体二极管(Diode)(Diode)结构结构(jigu)(jigu)（11）在PN结上加上引线(ynxin)和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管 PN结面积(min j)小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图第20页/共49页第二十一页，共49页。半导体二极管结构(jigu)（2）(3)平面(pngmin)型二极管 往往(wngwng)用于集成电路制造艺中。PN 结面积可大可小，用于高

12、频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(4)二极管的代表符号第21页/共49页第二十二页，共49页。半导体二极管结构半导体二极管结构(jigu)(jigu)（33）第22页/共49页第二十三页，共49页。半导体二极管结构(jigu)（4）第23页/共49页第二十四页，共49页。半导体二极管结构(jigu)（5）第24页/共49页第二十五页，共49页。二极管的伏安 二极管的伏安(f n)(f n)特性（特性（1 1）其中(qzhng)：PN结的伏安特性IS 反向(fn xin)饱和电流VT 温度的电压当量且在常温下（T=300K）二极管的伏安特性曲线可用

13、下式表示Current-Voltage Relationship第25页/共49页第二十六页，共49页。二极管的伏安 二极管的伏安(f n)(f n)特性（特性（2 2）当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象(xinxing)称为PN结的反向击穿。热击穿不可逆 雪崩击穿 齐纳击穿 电击穿可逆第26页/共49页第二十七页，共49页。二极管的伏安二极管的伏安(f n)(f n)特性特性（33）硅二极管2CP10的V-I 特性锗二极管2AP15的V-I 特性正向(zhn xin)特性反向(fn xin)特性反向击穿特性实际二极管器件的几个典型值：死区电压：硅管0.5V左右、

14、锗管0.2V左右导通压降：硅管0.7V左右、锗管0.3V左右反向饱和电流：硅管几十uA、锗管几百uA第27页/共49页第二十八页，共49页。二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流(zhngli)电流IF(2)最大反向(fn xin)工作电压VRM(3)反向(fn xin)饱和电流IRI FV RMI R以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第28页/共49页第二十九页，共49页。（4）微变电阻(dinz)rDiDuDIDUDQ iD uDrD 是二极管特性曲线(qxin)上工作点Q 附近电压的变化与电流的变

15、化之比：显然(xinrn)，rD是对Q附近的微小变化区域内的电阻。第29页/共49页第三十页，共49页。（5）二极管的极间电容二极管的两极(lingj)之间有电容，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样(zhyng)所表现出的电容是势垒电容。扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度(nngd)差，越靠近PN结浓度(nngd)越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。P+-N第30页

16、/共49页第三十一页，共49页。CB在正向和反向(fn xin)偏置时均不能忽略。而反向(fn xin)偏置时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。PN结高频(o pn)小信号时的等效电路：势垒电容和扩散电容的综合(zngh)效应rd第31页/共49页第三十二页，共49页。二极管的模型二极管的模型(mxng)(mxng)1.理想模型3.折线模型 2.恒压降模型特点：死区电压=0 正向导(xingdo)通压降=0 反向饱和电流=0特点(tdin)：正向导通压降=死区电压=0.7V或0.3V 反向饱和电流=0特点：正向导通压降=死区电压=0.5V或0.2V 反向饱和电流=0第32页/共49页第三十

17、三页，共49页。二极管电路分析 二极管电路分析(fnx)(fnx)举例（举例（1 1）含二极管电路(dinl)的分析方法确定(qudng)二极管的工作状态 根据工作状态用不同的模型代替二极管在等效后的线性电路中作相应的分析若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关UONI D或电压为UON的电压源第33页/共49页第三十四页，共49页。二极管电路 二极管电路(dinl)(dinl)分析举例（分析举例（2 2）如何判断二极管的工作(gngzu)状态？步骤(bzhu)1、假设二极管截止，即将二极管断开。2、计算二极管两端的电压 UD=V阳-V阴3、判断：若

18、 UD0，则二极管工作于导通状态 若 UD0，则二极管工作于截止状态第34页/共49页第三十五页，共49页。二极管电路分析 二极管电路分析(fnx)(fnx)举例（举例（3 3）例1：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合(zh)时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。解：（1）当UA=UB=0时设D1、D2截止(jizh)，则等效电路为U D1U D2D 1D 2U 0R5VU AU BD 1D 2U 0R5V由电路，有 UD1=0-（-5）=50 UD2=0-（-5）=50则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=0D 1D 2U 0R5V第35页/共49页第三十六

19、页，共49页。二极管电路分析二极管电路分析(fnx)(fnx)举例（举例（44）（2）当UA=UB=3V时设D1、D2截止(jizh)，则等效电路为由电路(dinl)，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=3-（-5）=80则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VU D1U D2D 1D 2U 0R5V3V3VD 1D 2U 0R5V3V3V第36页/共49页第三十七页，共49页。二极管电路 二极管电路(dinl)(dinl)分析举例（分析举例（5 5）（3）当UA=3V，UB=0时设D1、D2截止(jizh)，则等效电路为由电路(dinl)，有 UD1=3-（-5）=80 U

20、D2=0-（-5）=50U D1U D2D 1D 2U 0R5V3VD 1D 2U 0R5V3V出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！规定：承受正偏压大的二极管优先导通。第37页/共49页第三十八页，共49页。二极管电路 二极管电路(dinl)(dinl)分析举例（分析举例（6 6）则D2处于截止状态(zhungti)，最终电路如上图所示：所以(suy)，U0=3VD 1D 2U 0R5V3V则等效电路为：由电路，有 UD2=0-3=-30第38页/共49页第三十九页，共49页。（4）当UA=0，UB=3V时所以(suy)，U0=3V同理可得：D1截止(jizh)，D2导通。D 1D 2U 0

21、R5V3V二极管电路 二极管电路(dinl)(dinl)分析举例（分析举例（7 7）试一试P61 2.4.3第39页/共49页第四十页，共49页。RLuiuouiuott 例2：二极管半波整流二极管电路 二极管电路(dinl)(dinl)应用举例 应用举例 试一试P61 2.4.12第40页/共49页第四十一页，共49页。稳压 稳压(wn y)(wn y)二极管（齐纳二极管 二极管（齐纳二极管)-)-伏安特性 伏安特性(a)符号(b)伏安特性 利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。第41页/共49页第四十二页，共49页。稳压 稳压(wn y)(wn y)二极管

22、二极管-稳压 稳压(wn y)(wn y)二极管主要参数 二极管主要参数(1)稳定(wndng)电压VZ(2)动态(dngti)电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。rZ=VZ/IZ(3)最大耗散功率 PZM(4)最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流 IZmin第42页/共49页第四十三页，共49页。稳压 稳压(wn y)(wn y)二极管 二极管-稳压 稳压(wn y)(wn y)电路分析 电路分析正常(zhngchng)稳压时 VO=VZ#稳压条件 稳压条件(tiojin)(tiojin)是什么？是什么？IZmin IZ IZmax#不加 不加R R

23、可以吗？可以吗？#上述电路 上述电路V VI I为正弦波，且幅值 为正弦波，且幅值大于 大于V VZ Z，V VO O的波形是怎样的？的波形是怎样的？第43页/共49页第四十四页，共49页。uoiZDZRiLiuiRL已知稳压管的技术参数:解：令输入(shr)电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入(shr)电压 ui 的正常值。方程(fngchng)1要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压不变。稳压二极管电路分析举例（稳压二极管电路分析举例（1 1）第44页/共49页第四十五页，共49页。令输入电压降到下限(xixin)时，流过稳压管的电流为Izmin。方程(

24、fngchng)2uoiZDZRiLiuiRL联立方程(lin l fn chn)1、2，可解得：稳压二极管电路分析举例（稳压二极管电路分析举例（22）第45页/共49页第四十六页，共49页。稳压二极管电路稳压二极管电路(dinl)(dinl)分析举例（分析举例（33）例：图中的稳压管的稳定电压值分别是7V和13V，求输出(shch)电压，采用恒压降模型RS uo40V2KRS uo40V2KRS uo40V2KRS uo40V2KRS uo3V2KRS uo40V2K第46页/共49页第四十七页，共49页。熟悉(shx)二极管的外特性及主要参数。正确理解PN结的形成(xngchng)及单向导电性掌握(zhngw)二极管的理想模型和恒压降模型方程。熟悉稳压管的外特性及主要参数。掌握稳压管电路的原理以及限流电阻的计算。本章基本要求第47页/共49页第四十八页，共49页。电子(dinz)技术 第二章 结 束模拟(mn)电路部分第48页/共49页第四十九页，共49页。