半导体材料及二极管.ppt

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1、第一章 半导体材料及二极管,1.3 晶体二极管及其应用,二极管的核心是一个PN结。,图1.11 二极管的结构和电路符号,1.3.1 晶体二极管的伏安特性,二极管的伏安特性是指流过二极管中的电流 与其端电压 之间的关系。,（1.16）,-加在二极管上的端电压,-流过二极管上的电流,二极管的正偏伏安特性方程:,二极管的正向电流随正偏电压的增大呈指数规律增加。,1.正偏伏安特性,（1.17）,二极管的反偏伏安特性方程:,可见，二极管反向电流不随反向偏压 而变化，仅有很小的反向饱和电流。,2.反偏伏安特性,（1.18）,图1.12 二极管的伏安特性曲线,当加在二极管上的反偏电压超过某一数值VBR时，反

2、偏电流将急剧增大，这种现象称为二极管的反向击穿,图1.13 二极管的反向击穿特性,3.反向击穿特性,导致二极管出现反向击穿的原因有下面两种：雪崩击穿齐纳击穿,4.温度对二极管伏安特性的影响,温度对二极管正向特性的影响,温度对二极管反向特性的影响,图1.14 温度对二极管伏安特性的影响,5.Si二极管与Ge二极管的差别,Si 二极管的开启电压约，Ge二极管的开启电压约。Si二极管反向电流比Ge二极管反向电流小得多，Si 管是pA量级，Ge管是A量级。为什么？,图1.15 Si和Ge两种二极管伏安特性的差别,1.3.2 二极管的直流电阻和交流电阻,1.直流电阻,静态工作点,图1.16 二极管的直流

3、电阻,2.交流电阻,说明:交流电阻与直流电流成反比。,如何证明？,图1.17 二极管的交流电阻,3.二极管的其它主要参数,最大平均整流电流最高反向工作电压 反向电流最高工作频率,含二极管电路的分析（非线性伏安关系）,代数法：求解非线性方程组,几何法：图解法,模型法：近似线性法,计算复杂，必须借助计算机,粗糙，必须知道伏安关系曲线,方便，可以利用线性电路分析方法,如何模型化？,根据伏安关系,1.3.3 二极管模型,图1.18 二极管模型（a)理想开关模型（b）恒压源模型（c）折线近似模型,1.二极管伏安特性的分段线性近似模型,例1.1 硅二极管与恒压源E和限流电阻R构成的直流电路如图1.19所示

4、，求二极管工作点。,图1.19,解：将二极管用恒压源模型近似后来估算二极管工作点。,为什么采用恒压源模型？,2.二极管的交流小信号模型,图1.20 二极管的交流小信号模型,例1.2 若在例1.1电路中串联一个正弦电压源，图1.21（a）为其电路图，估算此时二极管上交流电压与电流成分的振幅值 和（T300K）。,图1.21 二极管交流电路分析（a）电路图（b）交流等效电路,解：当未加正弦电压源，即 时，由例1.1可知，二极管的工作点，则可估算出该工作点处的交流电阻为,直流电压上叠加了交流电压，直流电流上叠加了交流电流。,在静态工作点附近，非线性电路近似为线性电路。,利用线性电路的叠加原理，可以画

5、出只反映交变电压和交变电流之间关系的电路，称之为交流等效电路，如图1.21(b)所示，由此交流通路可求出:,1.3.4 二极管应用电路,1.整流电路,图1.22 直流稳压电源方框图,图1.23 半波整流电路,试分析半波整流电路的工作原理，指出其不足，提出改进方法。,全波整流电路,试分析全波整流电路的工作原理，指出其不足，提出改进方法。,桥式整流电路,试分析桥式整流电路的工作原理,2.滤波电路,图1.25 滤波电路,试分析滤波电路的工作原理。,限幅电路是一种能限制电路输出电压幅值的电路。,3.限幅电路,图1.26 限幅电路的电压传输特性,Vomax,Vomin,VIL,VIH,图1.27 双向限

6、幅电路,试分析双向限幅电路的工作原理。,钳位电路是一种能使整个信号电压直流平移的电路。在稳定状态下，输出波形完全是输入波形的复制品，但输出波形相对于输入波形有直流平移现象，平移程度取决于电路。,4.钳位电路,图1.28 钳位电路原理分析 图1.29 钳位电路的波形,试找出图中的错误,1.3.5 稳压管及其应用,1.稳压管的伏安特性,图1.30 稳压管伏安特性曲线及电路符号,稳定电压 最小稳定电流 最大稳定电流 动态电阻 电压温度系数,2.稳压管的主要参数,3.稳压管电路,图1.32 稳压管稳压电路,1）稳压原理,图1.33 稳压管电路原理分析,试分析稳压原理,问题：还有其他的分析方法吗？,2）

7、限流电阻R的选取,稳压管正常工作范围：,可以求得：,例1.3 采用的Si稳压管2DW3的稳压电路如图1.34所示。如果输入电压的波动，试问输出电压的波动,图1.34,解：,图1.35 稳压电路模型及增量等效模型,输入电压的变化量为：,输出电压的变化量为：,输出电压的相对变化量为：,例1.4为汽车上的收音机设计一个稳压电源。要求该稳压电源为汽车收音机提供一个9V的电压，稳压电源的输入电压来自汽车电瓶，电瓶电压的变化范围（1113.6）V，收音机的电流介于0(关掉)100mA(最大音量)之间。,图1.36,解：（1）当负载电流最大，输出电压最小 时，流过稳压管的电流最小，则（2）当负载电流最小，输

8、入电压最大 时，流过稳压管的电流最大,则,令上两式相等，则:,只含两个未知量：和。取稳压管的最小电流是最大电流的十分之一，即,则限流电阻:,提高训练：如何设计小功率电压源电路？,1.3.6 PN结电容效应及应用,势垒电容扩散电容,变容二极管,1.3.7特殊二极管,太阳能电池 光电二极管 发光二极管 肖特基二极管,1.3.8 小结,半导体知识二极管知识二极管应用,一、半导体知识 1本征半导体单质半导体材料是具有4价共价键晶体结构的硅（Si）和锗（Ge）。前者是制造半导体IC的材料（三五价化合物砷化镓GaAs是微波毫米波半导体器件和IC的重要材料）。纯净且具有完整晶体结构的半导体称为本征半导体。在

9、一定的温度下，本征半导体内的最重要的物理现象是本征激发（又称热激发或产生）。本征激发产生两种带电性质相反的载流子自由电子和空穴对。温度越高，本征激发越强。,空穴是半导体中的一种等效载流子。空穴导电的本质是价电子依次填补本征晶格中的空位，使局部显示电荷的空位宏观定向运动。在一定的温度下，自由电子与空穴在热运动中相遇，使一对自由电子和空穴消失的现象称为载流子复合。复合是产生的相反过程，当产生等于复合时，称载流子处于平衡状态。,2杂质半导体在本征硅（或锗）中渗入微量5价（或3价）元素后形成N型（或P型）杂质半导体。在很低的温度下，N型（P型）半导体中的杂质会全部电离，产生自由电子和杂质正离子对（空穴

10、和杂质负离子对）。由于杂质电离，使N型半导体中的多子是自由电子，少子是空穴，而P型半导体中的多子是空穴，少子是自由电子。,在常温下，多子少子,且多子浓度几乎等于杂质浓度，与温度无关；少子浓度是温度的敏感函数。在相同掺杂和常温下，Si的少子浓度远小于Ge的少子浓度。这也是Si器件工作温度高于Ge器件的原因。,3半导体中的两种电流在半导体中存在因电场作用产生的载流子漂移电流（这与金属导电一致）；还存在因载流子浓度差而产生的扩散电流。,二、PN结在具有完整晶格的P型和N型材料的物理界面附近，会形成一个特殊的薄层PN结。PN结是非中性区（称空间电荷区），存在由N区指向P区的内建电场和内建电压；PN结内

11、载流子数远少于结外的中性区（称耗尽层）；PN结内的电场是阻止结外两区的多子越结扩散的（称势垒层或阻挡层）。,三、二极管知识普通二极管内芯片就是一个PN结，P区引出正电极，N区引出负电极。在低频运用时，二极管具有单向导电特性，正偏时导通，Si管和Ge管导通电压典型值分别是0.7V和0.2V；反偏时截止，但Ge管的反向饱和电流比Si管大得多。二极管的低频小信号模型就是交流电阻，它反映了在工作点Q处，二极管的微变电流与微变电压之间的关系。,二极管交流电阻 定义：估算:二极管伏安特性二极管的低频大信号模型是一种开关模型，有理想开关、恒压源模型和折线模型三种近似。,四、二极管应用单向导电特性应用整流器：半波整流，全波整流，桥式整流。限幅器：顶部限幅，底部限幅，双向限幅。钳位电路*通信电路中的应用*：检波器、混频器、倍频器等。,作业：基本题：6，10，15，16 提高题：17，18,