半导体二极管及其基本电路课件.ppt

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1、3 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 半导体二极管,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2 PN结的形成及特性,1,感谢你的观看,2019年5月13日,2,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体,3.1.4 杂质半导体,半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,导电的重要特点,1、其能力容易受环境因素影响（温度、光照等）,2、掺杂可以显著提高导电能力,感谢你的观看,2019年5月13日,3,3.1.2 半导体的共价键结构,原子结构简化

2、模型,完全纯净、结构完整的半导体晶体。,3.1.3 本征半导体,在T=0K和无外界激发时，没有载流子，不导电,两个价电子的共价键,正离子核,感谢你的观看,2019年5月13日,4,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,温度,光照,自由电子,空穴,本征激发,空穴 共价键中的空位,空穴的移动空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由热激发或光照而产生自由电子和空穴对。,温度 载流子浓度,感谢你的观看,2019年5月13日,5,空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度载流子浓度导电能力,

3、感谢你的观看,2019年5月13日,3.1.4 杂质半导体,N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）,P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）,自由电子 多子 空穴 少子,空穴 多子自由电子 少子,6,感谢你的观看,2019年5月13日,7,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:,以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。,杂质对半导体导电性的影响,感谢你的观看,2019年5月13日,8,本征半导体、本征激发,本节中的有关概念,自由电子空穴,N型半导体、施主杂质(5价)P型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数载流子,杂质半导体,复合,*半导体导电特点1：其能力容易受温度、光

4、照等环境因素影响温度载流子浓度导电能力,*半导体导电特点2：掺杂可以显著提高导电能力,感谢你的观看,2019年5月13日,9,3.2 PN结的形成及特性,3.2.1 PN结的形成,3.2.2 PN结的单向导电性*,3.2.3 PN结的反向击穿,3.2.4 PN结的电容效应,感谢你的观看,2019年5月13日,10,3.2.1 PN结的形成,1.浓度差多子的扩散运动,2.扩散空间电荷区内电场,3.内电场少子的漂移运动 阻止多子的扩散,4、扩散与漂移达到动态平衡,载流子的运动：,扩散运动浓度差产生的载流子移动,漂移运动在电场作用下，载流子的移动,P区,N区,形成过程可分成4步(动画),感谢你的观看

5、,2019年5月13日,11,PN结形成的物理过程：,因浓度差,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,最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。,多子的扩散运动,杂质离子形成空间电荷区,对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。,感谢你的观看,2019年5月13日,12,3.2.2 PN结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加正向电压，简称正偏,加反向电压，简称反偏,扩散 漂移 大的正向扩散电流（多子）低电阻 正向导通,漂移 扩散 很小的反向漂移电流（少子）高电阻 反向

6、截止,感谢你的观看,2019年5月13日,13,3.2.2 PN结的单向导电性,PN结特性描述,2、PN结方程,陡峭电阻小正向导通,1、PN结的伏安特性,特性平坦反向截止 一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,非线性,其中,IS 反向饱和电流,VT 温度的电压当量,且在常温下（T=300K）,近似估算,正向：,反向：,感谢你的观看,2019年5月13日,14,3.2.3 PN结的反向击穿,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，此现象称为PN结的反向击穿。,热击穿不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿p66,电击穿可逆,感谢你的观看,2019年5月13日,15,3.2.4

7、PN结的电容效应,(1)势垒电容CB,势垒电容示意图,扩散电容示意图,(2)扩散电容CD,感谢你的观看,2019年5月13日,16,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的参数,PN结加上引线和封装 二极管,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,感谢你的观看,2019年5月13日,17,半导体二极管图片,点接触型,面接触型,平面型,感谢你的观看,2019年5月13日,18,3.3.2 二极管的伏安特性,3.PN结方程（近似）,正向特性,反向特性,反向击穿特性,Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）,注意,1.死区电压（门坎

8、电压）,2.反向饱和电流硅：0.1A；锗：10A,感谢你的观看,2019年5月13日,19,3.3.3 二极管的参数,(1)最大整流电流IF,(2)反向击穿电压VBR和最大反向工作电压VRM,(3)反向电流IR,(4)正向压降VF,(5)极间电容CB,感谢你的观看,2019年5月13日,20,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 二极管V-I 特性的建模,3.4.2 应用举例,5、应用电路分析举例,2、二极管状态判断,1、二极管电路的分析概述,3、图解分析法,4、等效电路（模型）分析法,讲课思路：,感谢你的观看,2019年5月13日,21,1、二极管电路的分析概述,应用电路举例,例3

9、.4.2（习题3.4.12）,习题3.4.5,整流限幅,习题3.4.6,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通：vO=vI-vD,D截止：vO=0,D导通：vO=vD,D截止：vO=vI,左图,中图,显然，vO 与 vI 的关系由D的状态决定,而且，D处于反向截止时最简单！,感谢你的观看,2019年5月13日,22,分析思路,分析任务：求vD、iD目的1:确定电路功能，即信号vI传递到vO，有何变化？目的2:判断二极管D是否安全。首先，判断D的状态？若D反向截止，则相当于开路（iD 0，ROFF）；若D正向导通，则？正向导通分析方法：图解法等效电路（模型）法 将非线性 线性先静态（直流），后动

10、态（交流）静态：vI=0（正弦波过0点）动态：vI 0,1、二极管电路的分析概述,感谢你的观看,2019年5月13日,23,2、二极管状态判断,例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏,正偏,反偏,反偏,iD IF？,D反向截止,D反向击穿,二极管状态判断方法,假设D截止(开路)，求D两端开路电压,D正向导通？,D正向导通！,感谢你的观看,2019年5月13日,24,例2：一二极管开关电路如图所示。当V1和V2为0V或5V时，求V1和V2的值不同组合情况下，输出电压0的值。设二极管是理想的。,感谢你的观看,2019年5月13日,

11、25,解：(1)当V1=0V,V2=5V时,D1为正向偏置，V0=0V,此时 D2的阴极电位为5V，阳极为0V，处于反向偏置，故D2截止。(2)以此类推，将V1和V2 的其余三种组合及 输出电压列于下表：,感谢你的观看,2019年5月13日,26,习题3.4.6 试判断图题3.4.6中二极管导通还是截止，为什么?,图题3.4.6(a),例3:,习题3.4.5 电路如下图所示，判断D的状态,2、二极管状态判断,感谢你的观看,2019年5月13日,27,例3:已知伏安特性,求VD、ID。,3、图解分析法,例1(a)图,线性:vD=VI-iD R,非线性:,联立求解，可得VD、ID,图解法直线与伏安

12、特性的交点,图解法关键画直线,又称为负载线,静态工作点Q,感谢你的观看,2019年5月13日,28,例4:已知伏安特性,求vD、iD。,例3:已知伏安特性,求VD、ID。,3、图解分析法,VI=10Vvi=1Vsint,先静态分析直流负载线:,再动态分析交流负载线:,vD=VI+vi-iD R,感谢你的观看,2019年5月13日,29,iD=ID+DiDvD=VD+DvD,VI=10V，vi=1Vsint,动态分析,叠加原理,例4:已知伏安特性,求vD、iD。,3、图解分析法,感谢你的观看,2019年5月13日,30,4、等效电路（模型）分析法,（2.4.1 二极管V-I 特性的建模）,(1)

13、理想模型,(3)折线模型,(2)恒压降模型,VD=0.7V（硅）VD=0.2V（锗）,Vth=0.5V（硅）Vth=0.1V（锗）,感谢你的观看,2019年5月13日,31,4、等效电路（模型）分析法,(4)小信号模型,二极管工作在正向特性的某一小范围内时，其正向特性可以等效为:,微变电阻,根据 得Q点处的微变电导,常温下（T=300K）,感谢你的观看,2019年5月13日,32,5、应用电路分析举例,例5:（例3.4.1）求VD、ID。,（R=10k）,（a）VDD=10V 时,（b）VDD=1V 时,VDD,理想模型,恒压模型,折线模型,理想模型,恒压模型,折线模型,感谢你的观看,2019

14、年5月13日,33,例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求VD、ID。,(a),(b),(c),(d),正偏,正偏,反偏,反偏,iD IF？,D反向截止,D反向击穿,D正向导通？,D正向导通！,感谢你的观看,2019年5月13日,34,5、应用电路分析举例,例6:画出vO波形。,初步分析依据二极管的单向导电性,D导通：vO=vI-vD,D截止：vO=0,D导通：vO=vD,D截止：vO=vI,左图,中图,例6.1习题,感谢你的观看,2019年5月13日,35,VI=10V，vi=1Vsint,例4:已知伏安特性,求vD、iD。,5、应用电路分析举例,iD=ID+DiD=0.9

15、5mA+0.1mAsint,vD=VD+DvD 0.7V,叠加原理,小信号模型(小信号等效电路),感谢你的观看,2019年5月13日,36,5、应用电路分析举例,例7:(小信号分析)例4中求vD、iD。,VI=10V，vi=1Vsint,解题步骤:,(1)静态分析(令vi=0）,由恒压降模型得,VD0.7V;ID 0.93mA,(2)动态分析(令VI=0）,由小信号模型得,感谢你的观看,2019年5月13日,37,分析方法小结,3.4 二极管基本电路及其分析方法,假设D截止（开路）求D两端开路电压,VD 0.7V,状态,等效电路,条件,将不同状态的等效电路（模型）带入原电路中，分析vI和vO

16、的关系,画出电压波形和电压传输特性,特殊情况：求vD（波动）,小信号模型和叠加原理,恒压降模型,感谢你的观看,2019年5月13日,38,3.5 特殊二极管,3.5.1 稳压二极管（齐纳）,3.5.2 变容二极管,3.5.3 光电子器件,1.光电二极管,2.发光二极管,3.激光二极管,反向击穿状态,反向截止，利用势垒电容,反向截止，少子漂移电流,特殊材料，正向导通发光,必须掌握“齐纳二极管”，其它了解。请自学！,感谢你的观看,2019年5月13日,39,3.5.1 稳压二极管,1.符号及稳压特性,(a)符号,(b)伏安特性,感谢你的观看,2019年5月13日,40,(1)稳定电压VZ,(2)动

17、态电阻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,(5)稳定电压温度系数VZ,2.稳压二极管主要参数,3.5.1 稳压二极管,感谢你的观看,2019年5月13日,41,3.5.1 稳压二极管,3.稳压电路,正常稳压时 VO=VZ,#稳压条件是什么？,#不加R可以吗？,#上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ，VO的波形是怎样的？,end,感谢你的观看,2019年5月13日,42,例：（东南大学1998年研究生入学试题）如右 图所示为一稳压电路，已知稳压管的zmax

18、=20mA,zmin=5mA,Rz=10,Vz=6V,负载电阻的最大 值RLmAX=10K。（1）确定R;（2）确定最小允许的RL值;（3）若RL=1k,当V增加1V 时，求V0值。,感谢你的观看,2019年5月13日,43,解:运用稳压管反向击穿特性，若负载电阻增大，则V0增大，通过调整 z大小使V0稳定在一定的范围内。等效电路如图所示。(1)当RL=RLmax时，z=zmax 根据电路基本定理，有,感谢你的观看,2019年5月13日,44,将 R=232 和 zmin=5mA代入，可解得 0=12mA。所以最小允许的RL的值为：,(2)当RL最小时，,感谢你的观看,2019年5月13日,45,P97习题：两次作业3.4.23.4.33.4.53.4.73.5.13.5.2,感谢你的观看,2019年5月13日,