第2章、二极管及基本电路.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,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,3,3.1.2 半导体的共价键结构,原子结构简化模型, 完全纯净、结构完整的半导体晶体。,3.1.3 本征半导体,在T=0
2、K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,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,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,3.1.4 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
3、少子,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,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,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,10,3.2.
4、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),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。,12,3.2.2
5、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 反向截止,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:,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
6、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,15,3.2.4 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,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,17,半导体二极管图片,点接触型,面接触型,平面型,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)
7、,注意,1. 死区电压(门坎电压),2. 反向饱和电流硅:0.1A;锗:10A,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,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:,21,1、二极管电路的分析概述,应用电路举例,例3.4.2(习题3.4.12),习题3.4.5,整流限幅,习题3.4
8、.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,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!,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),后动态(交流)静态: vI =0(正弦波过0点)动态: vI 0,1、二极管电路的
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- 二极管 基本 电路
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