晶体二极管及其基本电路.ppt

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1、1,第1章 半导体二极管及其应用,1-1 半导体物理基础知识,导体(Conductor),半导体(Semiconductor),绝缘体(Insulator),物质,半导体的特性：1导电能力介于导体和绝缘体之间；2导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。,2,第1章 半导体二极管及其应用,1-1 半导体物理基础知识,3,硅原子（Silicon）,锗原子（Germanium）,图1 硅和锗原子结构图,硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）,-本征半导体（纯净的单晶半导体）,1-1 半导体物理基础知识,4,+4,+4,+4,+4,共 价 键,价 电 子,图1-2 单晶硅和锗共价键结构示

2、意图,-本征半导体,1-1 半导体物理基础知识,5,-本征半导体,1-1 半导体物理基础知识,半导体导电的原因：半导体中存在2种载流子(Carrier)，即自由电子(Free Electron)和空穴(Hole)。,受外界能量激发（热、电、光），价电子获得一定的额外能量，部分价电子能够冲破共价键的束缚,形成自由电子和空穴对 本征激发。复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合，与本征激发是相反的过程。,6,本征载流子浓度：,载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的

3、产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。,-本征半导体,1-1 半导体物理基础知识,7,式中：ni、pi 分别表示电子和空穴的浓度（-3）；T为热力学温度（K）；EG0为T=0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.78eV）；k为玻尔兹曼常数（8.6310-6V/K）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.871016-3，锗为1.761016-3）。,本征载流子浓度：,-本征半导体,1-1 半导体物理基础知识,8,说明,随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加对温度非常敏感。在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度=1.431010-3（2

4、.381013-3），本征硅（锗）的原子密度=51022-3（4.41022-3）。相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。,9,结论：,本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。,-本征半导体,1-1 半导体物理基础知识,10,在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为 N型半导体和P型半导体。,1-1-2 杂质半导体（掺杂半导体 Impurity Semiconductor）,1-1 半导体物理基础知识,在杂质半导

5、体中：浓度占优势的载流子称为：多数载流子，简称多子；反之称为少数载流子，简称少子。,11,杂质半导体的载流子浓度：,多子的浓度在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数远大于本征激发的载流子数。因此，多子的浓度主要由掺杂浓度决定。,少子的浓度少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。,1-1-2 杂质半导体,1-1 半导体物理基础知识,12,结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。,例如对N型半导体，多子nn与少子pn有：,杂质半导体的载流子浓度：,1-1-2 杂质半导体,1-1 半导体物理基础知识,13,结论：在热平衡下，多子浓度值与少

6、子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。,杂质半导体的载流子浓度：,1-1-2 杂质半导体,1-1 半导体物理基础知识,对P型半导体，多子pp与少子np有：,14,小结,1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。,15,1-1-3 半导体中的电流,在导体中，载流子只有一种：自由电子。一种类型的电流：在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的漂移电流两种类型的电流

7、浓度差导致的扩散电流,1-1 半导体物理基础知识,16,Ip,In,漂移电流,总电流：,1、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。,载流子浓度外加电场强度迁移速度,1-1-3 半导体中的电流,1-1 半导体物理基础知识,17,在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。,平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。,扩散电流,1-1-3 半导体中的电流,1-1 半导体物

8、理基础知识,18,图16半导体中载流子的浓度分布,扩散电流大小主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。,浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。,19,1-2 PN结,PN结是半导体器件的核心,P,N,本征硅的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层 PN结,20,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,P,N,（a）空穴和电子的扩散,图1-7 PN结的形成,1-2-1 结的形成,1-2 PN结,21,P,N,空间电荷区,内电场,UB,（b）平衡时的PN结,图1-7 PN结的形成,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+

9、,+,1-2-1 结的形成,1-2 PN结,22,*平衡时，多子扩散与少子漂移达到平衡，即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来,*开始扩散运动占优势,*内电场形成，阻止多子扩散，但促进少子漂移,*达到平衡的过程：扩散运动 空间电荷区 内电场多子扩散、少子漂移最终达到动态平衡,1-2-1 结的形成,1-2 PN结,说明：,23,*空间电荷区（耗尽区、阻挡区、势垒区）,1-2-1 结的形成,1-2 PN结,说明：,图18 不对称PN结,24,P,N,耗尽区,内电场,UB-U,图1-9 正向偏置的PN结,+,-,E,R,U,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,1-2-2 结

10、的单向导电特性,1-2 PN结,25,说明：,由于耗尽层相对P区和N区为高阻区，所以外加电压绝大部分都降在耗尽区,由于内电场减弱，有利于多子的扩散，多子源源不断扩散到对方，形成扩散电流，通过回路形成正向电流,由于UB较小，因此只需较小的外加电压U，就能产生很大的正向电流,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,26,图1-10 反向偏置的PN结,E,R,P,N,耗尽区,内电场,UB+U,-,+,U,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,27,外加电场强行将多子推离耗尽区，使耗尽区变宽，内电场增强。,内电场增强，多子扩散很

11、难进行，而有利于少子的漂移。,越过界面的少子通过回路形成反向(漂移)电流，反向电流很小。,外加电压增大时，反向电流基本不增加。,说明：,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,28,因此，PN结具有单向导电特性。,综上所述，PN结加正向电压时，电流很大并随外加电压有明显变化，而加反向电压时，电流很小，且不随外加电压变化。,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,说明：,29,PN结电流方程,图1-11 PN结的伏安特性,当T=300K(室温)时,UT=26mV。,IS为反向饱和电流。,UT=K T/q,温度电压当量，,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,30,PN结电流方

12、程,图1-11 PN结的伏安特性,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,工程上定义了一个导通电压UD(on)。硅管：UD(on)=0.7V。锗管：UD(on)=0.3V,因此，伏安特性曲线的正向区域分成趋势明显不同的两段。,31,当反向电压超过一定值后，|u|稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿，该击穿电压阈值用U(BR)表示。,因此，伏安特性曲线的反向区域也分成趋势明显不同的两段。,PN结电流方程,1-2-2 结的单向导电特性,1-2 PN结,32,1-2-3 PN结的击穿特性,有两种击穿机理:雪崩击穿和齐纳击穿。,1-2 PN结,33,1-2-4 PN结的电容特

13、性,PN 结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变化，即存储的电荷量变化。,一、势垒电容CT,1-2 PN结,34,图112 P区少子浓度分布曲线,多子扩散在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线若偏置电压变化分布曲线变化非平衡少子变化电荷变化,二、扩散电容CD,1-2-4 PN结的电容特性,1-2 PN结,35,结电容Cj=CT+CD,结论:,因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。,正偏时以CD为主，Cj CD，其值通常为几十至几百pF；,反偏时以CT为主，Cj CT,其值通常为几至几十pF。（如：变容二极管）,1-2-4 PN结

14、的电容特性,1-2 PN结,36,1-3 晶体二极管及其基本电路,PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。,图1-13 晶体二极管结构示意图及电路符号,P区,N区,（a）结构示意图,（b）电路符号,37,半导体二极管,38,半导体二极管,39,1-3-1 二极管的伏安特性曲线,二极管特性曲线与PN结基本相同，略有差异。,图1-14 二极管伏安特性曲线,1-3 晶体二极管及其基本电路,40,1-3-1 二极管的伏安特性曲线,1-3 晶体二极管及其基本电路,一、正向特性,硅:UD(on)=0.50.6V；,1.导通电压或死区电压,锗:UD(on)=0.10.2V。,2.曲线分段：,指数段（小电流

15、时）、直线段（大电流时）。,41,1-3-1 二极管的伏安特性曲线,1-3 晶体二极管及其基本电路,一、正向特性,1.导通电压,2.曲线分段,3.小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降变化比较小。,硅：0.60.8V，锗：0.10.3V。,42,1-3-1 二极管的伏安特性曲线,1-3 晶体二极管及其基本电路,一、反向特性,2.小功率二极管的反向电流很小。,一般硅管0.1A，锗管几十微安。,1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。,43,1-3-2 二极管的主要参数,一、直流电阻,图1-15 二极管电阻的几何意义,ID,UD,Q1,RD=UD/ID,RD 的几何意义：,Q2,(a)直流电阻R

16、D,Q点到原点直线斜率的倒数。,RD不是恒定的，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。,1-3 晶体二极管及其基本电路,44,1.正向电阻：几百欧姆；,反向电阻：几百千欧姆；,2.Q（quiescent）点（直流工作点、静态工作点）不同，测出的电阻也不同；,结 论,因此，二极管具有单向导电特性。,45,二、交流电阻,二极管在工作状态(I DQ,UDQ)下的电压微变量与电流微变量之比。,(b)交流电阻rD,rD 的几何意义:Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。,1-3 晶体二极管及其基本电路,1-3-2 二极管的主要参数,46,与IDQ成反比，并与温度有关。,二、

17、交流电阻,1-3 晶体二极管及其基本电路,1-3-2 二极管的主要参数,47,例：已知V为Si二极管，流过V的直流电流ID=10mA，交流电压U=10mV，求流过V的交流电流I=?,10V,V,R,0.93K,U,ID,解：交流电阻,交流电流为：,48,三、最大整流电流 I F,四、最大反向工作电压 URM,五、反向电流IR,允许通过的最大正向平均电流。,通常取U(BR)的一半，超过U(BR)容易发生反向击穿。,未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。,1-3 晶体二极管及其基本电路,1-3-2 二极管的主要参数,49,六、最高工作频率 f M,需要指出，手册中给出的一般为典型值，需要

18、时应通过实际测量得到准确值。,工作频率超过 f M时，二极管的单向导电性能变坏。,1-3 晶体二极管及其基本电路,1-3-2 二极管的主要参数,50,1-3-3 晶体二极管模型,由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路。,非线性,近似,线性,1-3 晶体二极管及其基本电路,51,理想模型,1-3-3 晶体二极管模型,1-3 晶体二极管及其基本电路,52,恒压降模型,1-3-3 晶体二极管模型,1-3 晶体二极管及其基本电路,53,折线模型,1-3-3 晶体二极管模型,1-3 晶体二极管及其基本电路

19、,54,一、二极管整流电路,图1-17 二极管半波整流电路及波形,1-3-4 二极管基本应用电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,55,二、二极管限幅电路,图1-20 二极管上限幅电路及波形,1-3-4 二极管基本应用电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,56,判别原则：ui-EUD(ON)时,V 导通，否则截止。,当u i 2.7V,V导通，uo=E+0.7=2.7 V,当u i 2.7V时,V截止，即开路，uo=u i。,即：,如何构成下限幅电路？,57,三、二极管开关电路,u1、u2 E=5V,3.7,0.7,1-3-4 二极管基本应用电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,58,1.稳压

20、二极管的正向特性、反向特性与普通二极管基本相同，区别仅在于反向击穿时，特性曲线更加陡峭。,2.稳压管在反向击穿后，能通过调节自身电流，实现稳定电压的功能。,电压几乎不变，为-UZ。,即当,一、稳压二极管的特性,1-3-5 稳压二极管及稳压电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,59,二、稳压二极管的主要参数,1.稳定电压UZ,2.额定功耗PZ,指击穿后流过稳压二极管的电流为规定值时，管子两端的电压值。,它是由管子温升所限定的参数，使用时不允许超过此值。,3.稳定电流IZ,1-3-5 稳压二极管及稳压电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,60,4.动态电阻rZ,rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电

21、压变化量与其电流变化量的比值。,二、稳压二极管的主要参数,1-3-5 稳压二极管及稳压电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,61,所谓稳压指当Ui、RL变化时，UO保持恒定。,三、稳压二极管稳压电路,RLIzILUO基本不变,UiIzIL稳定UO基本不变,稳压原理：,若Ui不变:,若RL不变:,1-3-5 稳压二极管及稳压电路,1-3 晶体二极管及其基本电路,62,限流电阻R的选择：,选择R的限制条件：当Ui、RL变化时，Iz应满足IzminIzIzmax,设外界条件为:UiminUiUimax；RLminRLRLmax,63,分析过程：根据电路：,Iz何时取最大值？,Ui=Uimax，RL=

22、RLmax,64,65,Iz何时取最小值？,Ui=Uimin，RL=RLmin,66,Rmin R Rmax,因此，可得限流电阻的取值范围是：,67,作 业,1.3、1.4、1.7、1.10,68,+4,+4,+4,+4,自 由 电 子,空 穴,束 缚 电 子,过程：价电子变成自由电子共价键腾出一个空位（称为空穴）空穴附近有足够能量的价电子可能会移动进入这个空穴移动后的电子又会留下空穴如此往复,图1-3 本征激发产生电子和空穴,69,注意：1、空穴的运动可以看成一个带正电荷的粒子的运动。2、一个空穴的运动实际上是许多价电子（不是自由电子）作相反运动的结果。但是一个空穴运动所引起的电流的大小只与

23、空穴的多少有关，与多少个价电子运动无关。3、若没有空穴，价电子不会运动，即使互换位置也不会带来电荷的迁移。,70,图1-4 N型半导体原子结构示意图,+4,+5,+4,+4,键外电子,束缚电子,施主原子,1-1-2 杂质半导体,1-1 半导体物理基础知识,71,说明,在本征硅（锗）中掺入少量的五价元素（如：磷、砷、锑等）就得到N型半导体。杂质原子顶替硅原子，多一个电子位于共价键之外，受原子的束缚力很弱，很容易激发成为自由电子。几乎一个杂质原子能提供一个自由电子，自由电子数大大增加。施主杂质(Donor impurities)。由于自由电子的浓度增加，与空穴（本征激发产生的）复合的机会也增加，因

24、此空穴浓度相应减少。,72,图1-5 P型半导体原子结构示意图,受主原子,空 穴,+4,+3,+4,+4,束缚电子,1-1-2 杂质半导体,1-1 半导体物理基础知识,73,在本征硅（或锗）中，掺入少量的三价元素（硼、铝等），就得到P型半导体。,室温时，几乎全部杂质原子都能提供一个空穴受主杂质(Acceptor impurities),多子（多数载流子）：空穴；,少子（少数载流子）：自由电子；,P型半导体是电中性的。,说明,74,图1-21 稳压二极管及其特性曲线,(a)电路符号,i/mA,u/V,IZmax,0,-UZ,IZmin,(b)伏安特性曲线,75,76,图1-22 稳压二极管稳压电路,R,IL,IZ,VZ,RL,Ui,Uo,77,78,模拟电路,数字量：离散性模拟量：连续性，大多数物理量，如温度、压力、流量、液面均为模拟量。模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。放大：输入为小信号，有源元件（能够控制能量的元件）控制电源使负载获得大信号，并保持线性关系。,79,传感器,压力1,压力2,温度1,温度2,.,.,放大滤波叠加组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,驱动电路,.,.,驱动电路,驱动电路,驱动电路,传感器,传感器,传感器,执行机构,执行机构,执行机构,执行机构,放大滤波叠加组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,