模拟电子技术基础1半导体二极管及其应用-ch.ppt

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1、,电子线路由有源电子器件和电阻、电容、电感等元件组成,半导体器件是构成电子线路的核心部件。本章首先阐述半导体的导电特性和PN结的形成机理,再讨论半导体二极管的结构、伏安特性主要参数和等效电路模型，并列举了半导体二极管典型应用电路。,本章简介,1.1 半导体的基础知识,1.3 半导体二极管,1.2 PN结的形成及其单向导电性,1.4 半导体二极管的典型应用,1 半导体二极管及其应用,模拟电子技术基础,本征半导体杂质半导体及载流子的运动 1、N型半导体 2、P型半导体 3、半导体中载流子的运动,本节内容,1.1 半导体的基础知识,1.1.1 本征半导体,无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净的具有晶

2、体结构的半导体。(在T=0K时，相当于绝缘体)。,什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体导电能力介于导体和绝缘体之间，如硅（Si）、锗（Ge）等，均为四价元素（其原子最外层电子一般为4个，受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间）。,1.1 半导体的基础知识,导电特性：(1)掺杂效应：在本征半导体(纯净的且晶体结构完整的半导体，在T=0K时，相当于绝缘体。)中掺入少量其他元素(杂质)，可以改变和控制半

3、导体的导电能力和导电类型，藉此特性可制造各种半导体器件；(2)热敏效应：温度变化可以改变半导体的导电能力，藉此热敏效应可制造热敏元件；(3)光敏效应：光照可以改变半导体的导电能力，并产生电动势，藉此光电效应可制造光电晶体管、光电耦合器和光电池等光电器件。,1.1 半导体的基础知识,(1)本征半导体的结构,(1)T=0K(-273)共价键结构稳定，无自由电子-不导电,(3)复合：自由电子填补空穴，自由电子-空穴成对消失。,一定温度下，本征激发与复合运动达到动态平衡，自由电子与空穴的浓度一定且相等，可按式(1-1)计算。温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大，本征半

4、导体的导电能力增强。,(2)本征激发（热激发）T、光照，电子-空穴成对出现：具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子，共价键中留有一个空位置，称为空穴。,共价键,注意区别：价电子与自由电子,1.1 半导体的基础知识,本征半导体中载流子数目少，导电性差。温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。,为什么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？,(2)、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,两种载流子,本征半导体中存在两种载流子-带负电的自由电子和带正电的空穴。外加电场作用下，两种载流子均参与导电，且运动方向相反。,理解与区别：二者导电的本质

5、。,1.1 半导体的基础知识,自由电子：本征激发施主杂质提供-多(数载流)子空穴：本征激发产生-少(数载流)子,掺入五价元素杂质的半导体主要靠自由电子导电，掺入杂质越多，自由电子浓度越高，导电性越强，因此称为电子型或N型半导体。,1.1.2 杂质半导体-载流子数,杂质一般有两种:五价(磷)N(电子)型；三价(铟)P(空穴)型,1.N型半导体-掺入五价施主杂质,1.1 半导体的基础知识,1.1.2 杂质半导体-载流子数,2.P型半导体-掺入三价受主杂质,杂质半导体以多子导电为主。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电能力越强，实现导电性可控。,空穴：本征激发受主杂质提供-多子自由电子：本征激发产生-少

6、子,掺入三价元素杂质的半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，因此称为空穴型或P型半导体。,1.1 半导体的基础知识,杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。,N型半导体主要靠电子导电，其多数载流子是电子，掺入杂质越多，电子浓度越高，导电性越强。那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,P型半导体主要靠空穴导电，其多数载流子是空穴，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强。那么空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？,在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗

7、？,1.1 半导体的基础知识,3、半导体中载流子的运动,注意:自由电子导电-是在外电场或浓度梯度作用下，本身的定向 运动空穴导电-是在外电场或浓度梯度作用下，价电子依次 填补空穴的运动。,载流子浓度差(浓度梯度)作用下，载流子的定向运动产生扩散电流,扩散运动,漂移运动,1.1 半导体的基础知识,1.2.1 PN 结的形成1.2.2 PN结的单向导电性 1.PN结正偏导通 2.PN结反偏截止 1.2.3 PN结的电容特性 1.势垒电容 2.扩散电容,本节内容,1.2 PN结及其单向导电性,PN结的形成,E0,U,U 为接触电位差，是当 E0 恒定时，在PN结中产生的电位差,浓度差多子扩散复合,P

8、N 结形成:,内电场 少子漂移 空间电荷内电场多子扩散 内电场 少子漂移,形成空间电荷区,E,1.2 PN结及其单向导电性,PN结的形成,因电场作用所产生的运动称为漂移运动。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N 区运动(有利于漂移运动的进行)。,1.2 PN结及其单向导电性,PN结的单向导电性,PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。,1.正偏导

9、通,PN结厚度,电位差(U-U),有利多子扩散，不利少子漂移，扩散电流远大于漂移电流,在PN结中形成从P区流向N区的数值较大的正向电流IF，二极管导通。,1.2 PN结及其单向导电性,PN结的单向导电性,PN结厚度,电位差(U-U),不利于多子扩散，利于少子漂移，扩散电流少于漂移电流,但少子数很少，反向电流很小,二极截止。,PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。,2.反偏截止,IR IS(几乎恒定)-反向饱和电流,1.2 PN结及其单向导电性,PN结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变

10、化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容CT。,2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容CD。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,反偏时：CT CD，CJCT正偏时：CD CT，CJCD,1.2 PN结及其单向导电性,1.3.1 半导体二极管的结构与符号1.3.2 半导体二极管的伏安特性 1.3.3 半导体二极管的主要参数 1.3.4 半导体二极管的小信号等效电路模型,本节内容,1.3 半导体二极管,半导体二极管的结构与符号

11、,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：结面积小，结电容小(100MHz)(用于高频和小功率整流),面接触型：结面积大，结电容大，结允许的电流大，最高工作频率低(一般仅作为整流管),平面型：结面积可小、可大；小的工作频率高，作为数字电路中的开关管，大的结允许的电流大，用于大功率整流,常见外形,1.3 半导体二极管,1.3.2 半导体二极管的伏安特性,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性,uD(V),击穿电压,反向饱和电流,开启电压,温度的电压当量,常温下,1.3 半导体二极管,1.3.2 半导体二极管的伏安特性,分为三个工作区:,正向工作区,(2)反向工作区,(3)击穿区

12、,1.3 半导体二极管,1.3.2 半导体二极管的伏安特性,从二极管的伏安特性可以反映出：1.单向导电性,2.伏安特性受温度影响,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,1.3 半导体二极管,1.3.3 半导体二极管的主要参数,最大整流电流IF：允许通过的最大正向平均电流 最大反向工作电压UR：二极管在使用时所允许的最大反向电压(瞬时值)反向电流 IR：即IS最高工作频率fM：由PN结电容决定的频率参数,直流电阻,交流电阻,静态工作点,（动态电阻、微变电阻）,IDQ、UDQRD rd 非线性,1.

13、3 半导体二极管,理想二极管,近似分析中最常用,理想开关导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon截止时IS0,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.3.4 半导体二极管的等效电路,导通时i与u成线性关系,(1)理想模型,(2)恒压降模型,(3)折线模型,适用于电源电压远大于二极管的管压降,只有当二极管的电流iD1mA才是正确的,二极管的导通电压随其电流而变,这些模型用于直流分析或交流输入信号幅度较大的电路（如整流、限幅）,1.3 半导体二极管,(4)小信号等效电路模型,Q越高，rd越小。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,当二极管在静态基础上有一小幅度交流信号作用时，可将二极管等效为一

14、个电阻，称为动态电阻，也即微变(小信号)等效电路。,当信号频率较低时，CJ的容抗远大于rd,CJ可视为开路,二极管的低频小信号模型只由rd组成。,1.3 半导体二极管,(1)电路符号与伏安特性,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变,实现稳压。,(2)主要参数,稳定电压UZ最小稳定电流IZm,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ/IZ,1.3.5 稳压管,IZIZm，VS稳压性能差,IZIZM，即PZPZM,VS会烧毁。,最大允许电流IZM,工作电流IZ应 IZmIZIZM-由限流电阻保证,稳压管应用注意事项：(1)选取稳压值UZ=UO，且VS与RL并联；(2)

15、VS 反偏，且UIUZ(一般UI1.5UZ)；(3)稳压电路由限流电阻R与VS 串联构成。,1.3 半导体二极管,应用-并联型稳压电路,UIminUImax ILmaxILmin,RLminRLmax,如何取R值，才能保证IZmIZIZM？,入手点：令 IZmin IZm IZmax IZM,由 UI=UR+UZ IR=IZ+IL,当UI=UImin，IL=ILmax时，IZ=IZmin,当VI=VImax，IL=ILmin时，IZ=IZmax,令 IZmaxIZM,Rmin R Rmax,1.3 半导体二极管,令 IZminIZm,讨论一 判断电路中二极管的工作状态，求解输出电压。,判断二极

16、管工作状态的方法？,讨论二,1.已知V2V,二极管的导通电压UD=0.7V,二极管中的直流电流为多少？2.若输入电压为正弦波,其有效值为Ui=10mV，则流过二极管中的交流有效值为多少？最大值为多少?,1.4 半导体二极管的典型应用,1.4.1 二极管整流电路,利用二极管的单向导电性将交流电压变成单一极性的直流脉动电压-整流。,电路实现半波整流功能。,1.4 半导体二极管的典型应用,1.4.2 二极管限幅和钳位电路,限幅电路的传输特性,二极管限幅电路及波形图,电路实现限幅和钳位功能。,1.4 半导体二极管的典型应用,1.4.3 稳压管稳压电路,【例1-1】已知稳压管的稳定电压UZ=5.1V，最小稳定电流 IZm=5mA；最大允许电流IZM=25mA;负载电阻RL=600。求限流电阻R的取值范围。解：,