《极管及整流》课件.ppt
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1、1第第6 6章章 二极管及直流稳压电路二极管及直流稳压电路6.1 半半导导体的基本知体的基本知识识 半半导导体二极管体二极管 稳压稳压二极管二极管 整流、整流、滤滤波及波及稳压电稳压电路路2 半导体的基本知识半导体的基本知识半导体:半导体:导电能力介于导体和绝缘体之间的材料导电能力介于导体和绝缘体之间的材料常见半导体材料有常见半导体材料有硅硅、锗、硒及金属的氧化物和、锗、硒及金属的氧化物和硫化物等。硫化物等。纯净半导体的导电能力很差。纯净半导体的导电能力很差。半导体特性:半导体特性:1.热敏特性热敏特性:温度升高导电能力增强(如钴、锰、温度升高导电能力增强(如钴、锰、镍的氧化物做成的镍的氧化物
2、做成的热敏电阻热敏电阻)。)。2.光敏特性光敏特性:光照增强导电能力增强(如镉、铅等光照增强导电能力增强(如镉、铅等硫化物做成的硫化物做成的光敏电阻光敏电阻)。)。3.掺杂特性掺杂特性:掺入少量杂质导电能力增强。掺入少量杂质导电能力增强。3 本征半导体本征半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体最常用的半导体为硅最常用的半导体为硅(SiSi)和锗和锗(GeGe)。它们的共同特征是它们的共同特征是四价元素四价元素,每个原子最外层,每个原子最外层电子数为电子数为 4 4。+SiSiGeGe4共价键共价键本征半导体本征半导体晶体中的共价健结构:晶体中的共价健结构:每个原子与
3、每个原子与相邻的四个相邻的四个原子结合。原子结合。每个原子的一个价电子与每个原子的一个价电子与相邻原子的一个价电子组相邻原子的一个价电子组成一电子对,由相邻原子成一电子对,由相邻原子共有,构成共有,构成共价键共价键结构。结构。5共价键共价键价电子价电子共共价价键键价电子价电子自由电子自由电子和和空穴空穴同时同时产生产生半导体导电方式半导体导电方式激发激发自由电子自由电子温增温增/光照光照外加电压外加电压电子电流电子电流离开离开剩空穴剩空穴(原子带(原子带正电)正电)外加电压外加电压吸引相邻原吸引相邻原子价电子填子价电子填补空穴补空穴好像好像空穴空穴在运在运动动空穴电流空穴电流与金与金属导属导电
4、的电的区别区别硅原子硅原子自由自由电子电子6硅原子硅原子半导体中的半导体中的自由电子自由电子和和空穴空穴都能参与导电都能参与导电半导体具有两种载流子。半导体具有两种载流子。共价键共价键价电子价电子小小结结本征半导体中的自由电子和本征半导体中的自由电子和空穴总是空穴总是成对出现成对出现,同时又,同时又不断进行复合。在一定温度不断进行复合。在一定温度下,载流子的产生与复合会下,载流子的产生与复合会达到达到动态平衡动态平衡。温度愈高,。温度愈高,载流子数目就愈多,导电性载流子数目就愈多,导电性能就愈好能就愈好温度对半导体温度对半导体器件性能影响很大器件性能影响很大7 NN型半导体和型半导体和P P型
5、半导体型半导体在常温下,本征半导体的两种载流子数量在常温下,本征半导体的两种载流子数量还是极少的,其导电能力相当低。还是极少的,其导电能力相当低。如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素,如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素,将得到将得到掺杂半导体掺杂半导体,而,而掺杂半导体的导电掺杂半导体的导电能力将大大提高。能力将大大提高。由于掺入杂质元素的不同,由于掺入杂质元素的不同,掺杂半导体掺杂半导体可可分为分为两大类两大类NN型半导体和型半导体和 P P型半导体型半导体81.N N型半导体型半导体当当在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入微微量量磷磷(或或其其它它五五价价元元素素)时时,磷磷原原子子与与
6、周周围围四四个个硅硅原原子子形形成成共共价价键键后后,磷磷原原子子的的外外层层电电子子数数将将是是 9 9,比比稳稳定定结结构构多多一一个价电子。个价电子。P+SiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi多余多余电子电子91.N N型半导体型半导体掺掺入入磷磷杂杂质质的的硅硅半半导导体体晶晶体体中中,自自由由电电子子的的数数目目大大量量增增加加。这这种种半半导导体体主主要要靠靠自自由由电电子子导导电电,称称之为电子半导体或之为电子半导体或N N型半导体型半导体。在在N N型半导体中型半导体中电子电子是多数载流子、是多数载流子、空穴空穴是少是少数载流子。数载流子。室温情况下,本征硅中载流子有室
7、温情况下,本征硅中载流子有 10101010个个/cm/cm3 3,当磷掺杂量在,当磷掺杂量在101066量级时,电子载流子数量级时,电子载流子数目将增加几十万倍。目将增加几十万倍。10当当在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入微微量量硼硼(或或其其它它三三价价元元素素)时时,硼硼原原子子与与周周围围的的四四个个硅硅原原子子形形成成共共价价键键后后,硼硼原原子子的的外外层层电电子子数数将将是是 7 7,比比稳稳定结构少一个价电子。定结构少一个价电子。B+SiSiSiSiSiSiSiBSiSiSiSi空穴空穴2.P P型半导体型半导体11综上所述,由于掺入杂质的不同,产生了综上所述,由于掺入杂
8、质的不同,产生了N N型半导型半导体和体和P P型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大型半导体。杂质半导体中载流子的浓度远大于本征半导体中载流子的浓度,于本征半导体中载流子的浓度,虽然它们都有一种虽然它们都有一种载流子占多数,载流子占多数,但整个半导体晶体仍是但整个半导体晶体仍是电中性电中性的的。掺掺硼硼半导体中,半导体中,空穴空穴数目远大于数目远大于自由电子自由电子数目。数目。主要靠空穴导电主要靠空穴导电,称为称为空穴半导体空穴半导体或或P型半导体型半导体。空穴空穴为多数载流子,为多数载流子,自由电子自由电子是少数载流子。是少数载流子。因为载流子带正电或负电,原子则相反带负因为载流子带正电或
9、负电,原子则相反带负电或带正电,整个晶体不带电。电或带正电,整个晶体不带电。126.1.3 PN PN结及其单向导电性结及其单向导电性半导体器件的核心是半导体器件的核心是PNPN结,结,是采取一定的工是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P P型型半导体和半导体和N N型半导体,在两种半导体的交界面型半导体,在两种半导体的交界面上形成上形成PNPN结结。各种各样的半导体器件都是以各种各样的半导体器件都是以PNPN结为核心而结为核心而制成的,正确认识制成的,正确认识PNPN结是了解和运用各种半结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。导体器件的关键所
10、在。13结的形成结的形成PN空间电荷区空间电荷区N N区一侧因失去电子而区一侧因失去电子而留下带正电的离子,留下带正电的离子,P P区一侧因失去空穴而区一侧因失去空穴而留下带负电的离子。留下带负电的离子。交界处多数载流子扩散到对方并复合掉交界处多数载流子扩散到对方并复合掉内电场内电场阻碍了多子的继续扩散,推动少子的漂移阻碍了多子的继续扩散,推动少子的漂移运动,最终达到运动,最终达到动态平衡动态平衡,空间电荷区宽度一定,空间电荷区宽度一定P区区空穴多空穴多N区区自由电子多自由电子多内电场内电场耗尽了载流子的交界耗尽了载流子的交界处留下不可移动的离处留下不可移动的离子形成子形成空间电荷区空间电荷区
11、;14空间电荷区空间电荷区P区区N区区载流子的运动有两种形式:载流子的运动有两种形式:扩散扩散 由于载流子浓度梯度引起的载流子从高由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区向低浓度区的运动。浓度区向低浓度区的运动。漂移漂移 载流子受电场作用沿电场力方向的运动。载流子受电场作用沿电场力方向的运动。耗尽层中载流子的扩耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达散和漂移运动最后达到一种动态平衡,这到一种动态平衡,这样的样的耗尽层耗尽层就是就是PNPN结结PNPN结结内电场内电场的方向的方向由由N N区指向区指向P P区。区。结的形成结的形成15结的结的单向导电性单向导电性1)1)加加正向电压正向电压扩散增强扩
12、散增强,漂移变弱漂移变弱.PN内电场方向外电场方向I变窄变窄+-外电场方向与内电场方向相反,外电场外电场方向与内电场方向相反,外电场削弱了内电场,使空间电荷区变薄削弱了内电场,使空间电荷区变薄.PN结两侧的多数载流结两侧的多数载流子能顺利地通过子能顺利地通过PN结结形成较大的正向电流形成较大的正向电流.外电源不断提供电荷维持电流外电源不断提供电荷维持电流PN结呈现低阻导通状态结呈现低阻导通状态 162)2)加加反向电压反向电压将外电源的正端接将外电源的正端接N N区、负端接区、负端接P P区。区。外电场与内电场方向相同,空间电荷区变宽。扩散运外电场与内电场方向相同,空间电荷区变宽。扩散运动变弱
13、,漂移运动增强,参与漂移运动的载流子是少动变弱,漂移运动增强,参与漂移运动的载流子是少子,反向电流极小。子,反向电流极小。PN内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向+I0变宽变宽少子是由热激发产生的,少子是由热激发产生的,即温度愈高少子的数量愈即温度愈高少子的数量愈多,故温度对反向电流的多,故温度对反向电流的影响很大。影响很大。PNPN结具有单向导电性,结具有单向导电性,即正向导通、反向截止即正向导通、反向截止结的结的单向导电性单向导电性PN结呈高阻截止状态结呈高阻截止状态17 半导体二极管半导体二极管 基本结构基本结构将将PNPN结加上电极引线及外壳,就构成了半导体二结加上电极引线及外壳,
14、就构成了半导体二极管。极管。PNPN结是二极管的核心。根据所用材料不结是二极管的核心。根据所用材料不同,二极管有硅二极管和锗二极管两种。同,二极管有硅二极管和锗二极管两种。金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极 符号符号D18二极管由二极管由 PN PN 结构成,具有单向导电性。硅二结构成,具有单向导电性。硅二极管的电流极管的电流-电压关系电压关系 (伏安特性伏安特性)如图:如图:由电压零点分为由电压零点分
15、为正向区正向区和和反向区。反向区。正向:正向:由由死区电压死区电压分为分为死区死区和和导通区导通区 (Si-0.5V Ge-0.1V)(Si-0.5V Ge-0.1V)U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060 40200-0.5v:0-0.5v:正压低正压低外电场小于内电场外电场小于内电场正向电流正向电流 0 00.5v:0.5v:正压高正压高外电场大于内电场外电场大于内电场内内电场大大削弱电场大大削弱正向电流大正向电流大 伏安特性伏安特性死死区区导通导通区区死区电压死区电压正向导通压降:正向导通压降:19截止区截止区:负压小负压小漂移强漂移强(少子少子)很小很小反向电流反向电
16、流反向饱和电流。反向饱和电流。U(V)0.400.8-50-25I(mA)204060 4020反向反向:由击穿电压分为由击穿电压分为截止区截止区和和击穿区。击穿区。6.2.2 伏安特性伏安特性击穿区击穿区:负压大负压大二极管失去单向导电二极管失去单向导电性性击穿击穿反向击穿电流反向击穿电流不可逆。不可逆。击穿原因:碰撞和非碰撞击穿原因:碰撞和非碰撞碰撞碰撞:强电场中载流子获大能量碰撞晶格强电场中载流子获大能量碰撞晶格价电子弹出,产生电子空穴对价电子弹出,产生电子空穴对即新的载即新的载流子再碰撞晶格流子再碰撞晶格雪崩反应,反向电流越雪崩反应,反向电流越来越大来越大反向击穿。反向击穿。非碰撞非碰
17、撞:强电场直接将共价键中价电子拉出,强电场直接将共价键中价电子拉出,产生电子空穴对产生电子空穴对,形成较大反向电流。,形成较大反向电流。20二极管的特性不仅可用伏安曲线表示,也可用一些数二极管的特性不仅可用伏安曲线表示,也可用一些数据进行说明据进行说明,这些数据就是二极管的参数。二极管的主这些数据就是二极管的参数。二极管的主要参数有:要参数有:1.1.最大整流电流最大整流电流IOM 二极管长时间使用所允许通过的二极管长时间使用所允许通过的最大正向平均电流。最大正向平均电流。2.2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被击穿而给保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压,为反向击穿
18、电压的出的反向峰值电压,为反向击穿电压的1/21/2至至2/32/3。3.3.反向峰值电流反向峰值电流IRM 二极管加反向峰值电压时的反向二极管加反向峰值电压时的反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差,硅管的此电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差,硅管的此参数值为微安级以下。参数值为微安级以下。6.2.3 主要参数主要参数4.4.最高工作频率最高工作频率fM 二极管能承受的外施电压的最高二极管能承受的外施电压的最高频率。若超过则失去单向导电性。频率。若超过则失去单向导电性。PNPN结两侧的空间电结两侧的空间电荷与电容极板充电时所储存的电荷类似,称为结电容荷与电容极板充电时所储存的电荷类似,称
19、为结电容21 6.2.4 二极管的应用二极管的应用定性分析:定性分析:判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则,正向管压降否则,正向管压降否则,正向管压降否则,正向管压降硅硅硅硅0 0 0 0.60.7V.60.7V锗锗锗锗0 0.2.20.3V0.3V 分析方法:分析方法:分析方法:分析方法:将二极管断开,分析二极管两端电位将二极管断开,分析二极管两端电位将二极管断开,分析二极管两端电位将二极管断开,分析二极管两端电位的高低或所加电压的高低或所加电压的高低或所加电压的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。的正负。的正负。若若若若 V V阳阳阳阳 VV阴阴阴阴或或或或
20、U UD D为正为正为正为正(正向偏置正向偏置正向偏置正向偏置 ),二极管导通,二极管导通,二极管导通,二极管导通若若若若 V V阳阳阳阳 V 8V 8V,二极管导通,可看作短路,二极管导通,可看作短路,二极管导通,可看作短路,二极管导通,可看作短路 u uo o=8V=8V u ui i 8V 8V,二极管截止,可看作开路,二极管截止,可看作开路,二极管截止,可看作开路,二极管截止,可看作开路 u uo o=u ui i已知:已知:已知:已知:二极管是理想的,试画出二极管是理想的,试画出二极管是理想的,试画出二极管是理想的,试画出 u uo o 波形。波形。波形。波形。8V8V例例例例2 2
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