模拟电子电路课件.pptx
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1、会计学1模拟电子电路课件模拟电子电路课件第三章第三章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.4 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二极管特殊二极管 3.3 3.3 二极管二极管第1页/共60页n n半导体二极管的特性:半导体二极管的特性:半导体二极管具有单向导电性。n n为什么会具有单向导电性?为什么会具有单向导电性?第2页/共60页n n什么叫什么叫PN结?它是如何形成结?它是如何形成的?的?第3页/共60页3.1 半导体的
2、基本知识半导体的基本知识3.1.1 3.1.1 半导体半导体3.1.2 3.1.2 本征本征半导体半导体3.1.33.1.3 掺杂掺杂半导体半导体3.1.4 3.1.4 杂质杂质半导体示意图半导体示意图第4页/共60页3.1.13.1.1 半导体半导体半导体半导体(-cm)10+910-3导体导体如金属等如金属等绝缘体绝缘体如橡皮、塑料等如橡皮、塑料等典型半导体:典型半导体:硅硅SiSi、锗、锗GeGe、砷化镓、砷化镓GaAsGaAs等等 半导体半导体n n半导体器件特点:半导体器件特点:半导体器件特点:半导体器件特点:体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功体积小、重量轻、使用寿命长、输入
3、功率小、功体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。率转换效率高。率转换效率高。率转换效率高。第5页/共60页半导体的导电特性:半导体的导电特性:半导体的导电特性:半导体的导电特性:(可做成温度敏感元件,如热敏电阻可做成温度敏感元件,如热敏电阻可做成温度敏感元件,如热敏电阻可做成温度敏感元件,如热敏电阻)掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性:往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电往纯净的半导体中掺入某些杂质,导电 能力明显改变。能力明显改变。能力明显改变。能力明显改变。光敏性:光敏性:光
4、敏性:光敏性:当受到光照时,导电能力明显变化。当受到光照时,导电能力明显变化。当受到光照时,导电能力明显变化。当受到光照时,导电能力明显变化。(可做成各种光敏元件,如光敏电阻、可做成各种光敏元件,如光敏电阻、可做成各种光敏元件,如光敏电阻、可做成各种光敏元件,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等光敏二极管、光敏三极管等光敏二极管、光敏三极管等光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性:热敏性:热敏性:热敏性:当环境温度升高时,导电能力显著增强。当环境温度升高时,导电能力显著增强。当环境温度升高时,导电能力显著增强。当环境温度升高时,导电能力显著增强。(可做成各种不同用途的半导体器件,可做成各种不同用途
5、的半导体器件,可做成各种不同用途的半导体器件,可做成各种不同用途的半导体器件,如二极管、三极管和晶闸管等)。如二极管、三极管和晶闸管等)。如二极管、三极管和晶闸管等)。如二极管、三极管和晶闸管等)。第6页/共60页3.1.23.1.2 本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征完全纯净的、具有晶体结构的半导体,称为本征半导体。半导体。半导体。半导体。晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅
6、单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子,称为共价键中的两个电子,称为共价键中的两个电子,称为共价键中的两个电子,称为价电子价电子价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子第7页/共60页 Si Si Si Si价电子价电子本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理空穴空穴自由电子自由电子 当半导体两端加上外电当半导体两端加上外电当半导体两端加上外电当半导体两端加上外电压时,在半导体中将出现两部压时,在半导体中将出现两部压时,在半导体中将出现两部压时,在半导体中将出现两部分电流:分电流:分电流:分电流:1 1)自由电子作定
7、向运动)自由电子作定向运动)自由电子作定向运动)自由电子作定向运动 电子电流电子电流电子电流电子电流 2 2)价电子递补空穴)价电子递补空穴)价电子递补空穴)价电子递补空穴 空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流注意:注意:注意:注意:1.1.本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差;2.2.温度愈高,温度愈高,温度愈高,温度愈高,载流子的数目愈多,半导体的导电性载流子的数目愈多,半导体的导电性载流子的数目愈多,半导体的导电性载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好
8、。能也就愈好。能也就愈好。能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。所以,温度对半导体器件性能影响很大。所以,温度对半导体器件性能影响很大。所以,温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和自由电子和自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。本征激发本征激发本征激发本征激发粒子运动粒子运动粒子运动粒子运动第8页/共60页3.1.3 掺杂半导体掺杂半导体(N型半导体和型半导体和P型半导体)型半导体)Si Si Si Si pp+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个电子失去一个电子变为正离子变为正离
9、子N N 型半导体型半导体型半导体型半导体:多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴第9页/共60页 Si Si Si Si硼原子硼原子接受一个电子接受一个电子接受一个电子接受一个电子变为负离子变为负离子变为负离子变为负离子空穴空穴P P 型半导体型半导体型半导体型半导体:多子多子空穴空穴少子少子自由电子自由电子 BB3.1.3 掺杂半导体掺杂半导体第10页/共60页3.1.4 N3.1.4 N型半导体和型半导体和型半导体和型半导体和 P P 型半导体示意表示法型半导体示意表示法型半导体示意表示法型半导体示意表示法P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体
10、+第11页/共60页 1.1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 (a a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度)有关。温度)有关。温度)有关。温度)有关。2.2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 (a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度)有关。温度)有关。温度)有关。温度)有关。3.3.当温度升高时,少子的数量当温度升高时,少子的数量当温度升高时,少子的数量当温度升高时,少子的数量 (a.a.减少、减少、减少、减少
11、、b.b.不变、不变、不变、不变、c.c.增多)。增多)。增多)。增多)。a ab bc c 4.4.在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,在外加电压的作用下,P P 型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是主要是主要是 ,N N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。(a.a.电子电流、电子电流、电子电流、电子电流、b.b.空穴电流)空穴电流)空穴电流)空穴电流)b ba a第12页/共60页第三章第三章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 3.1 3.1 半导体的基
12、本知识半导体的基本知识 3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.4 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二极管特殊二极管 3.3 3.3 二极管二极管第13页/共60页3.2 PN PN结的形成及特性结的形成及特性3.2.1 PN 3.2.1 PN 结的形成结的形成 3.2.2 PN 3.2.2 PN 结的单向导电性结的单向导电性 3.2.3 PN 3.2.3 PN 结的反向击穿结的反向击穿 3.2.4 PN 3.2.4 PN 结的结电容效应结的结电容效应(自学了解自学了解)第14页/共60页P P 型半导体型半导体型半导体型半
13、导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体3.2.1 PN 结的形成结的形成+形成空间电荷区形成空间电荷区内电场E扩散运动漂移运动PNPN结形成结形成结形成结形成第15页/共60页扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽,空间电荷区越宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。内电场越强,就使漂移运动越强,而漂移使空间电荷区变薄。3.2.1 PN 结的形成结的形成 第16页/共60页漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂移这
14、一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡,相当于两个区之间没有电荷运动,空间电荷区的厚度固定不变。3.2.1 PN 结的形成结的形成 第17页/共60页 因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 在一块本征半导体在一块本征半导体的的两侧通过扩散不同的杂质两侧通过扩
15、散不同的杂质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成 第18页/共60页3.2.2 PN3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性 1.PN 1.PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压(正向偏置)(正向偏置)(正向偏置)(正向偏置)P接正、接正、N接接负负 IF PN PN 结加正向电压时,结加正向电压时,结加正向电压时,结加正向电压时,正向电流较大,正向电正向电流较大,正向电正向电流较大,正向电正向电流较大,正向电阻较小,阻较小,阻较小,阻较小,PNPN结处于导通状态。结处于导
16、通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。PN+外电场外电场PNPN正偏正偏正偏正偏第19页/共60页2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压(反向偏置)(反向偏置)(反向偏置)(反向偏置)IR P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 P PNN+温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多,反向电流将随温度增加。+PN PN 结加反向电压时,结加反向电压时,结加反向电压时,结加反向电压时,反向电流较小,反向电阻较反向电流较小,反向电阻较反
17、向电流较小,反向电阻较反向电流较小,反向电阻较大,大,大,大,PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。外电场外电场PNPN反偏反偏反偏反偏第20页/共60页3.3.3.3.结论:结论:结论:结论:PNPN结具有结具有单向导电性。单向导电性。单向导电性。单向导电性。PNPNPNPN结加正向电压时,结加正向电压时,结加正向电压时,结加正向电压时,正向导通正向导通正向导通正向导通:电阻值很小,具有较大的正向导通电流,电阻值很小,具有较大的正向导通电流,开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合 PNPN结加反向电压时,结加反向电压时,结加反向电压时,结加反向电压时,反向截止反向
18、截止反向截止反向截止:呈现高电阻,具有较小反向饱和电流,呈现高电阻,具有较小反向饱和电流,开关断开开关断开开关断开开关断开PNNP第21页/共60页流过流过PN结电流结电流A反向饱反向饱和电流和电流A加在加在PN结结两端电压两端电压VVT=KT/q=26mV T=300K VD 0正向导通正向导通4.PN4.PN结结V-IV-I特性表示式:特性表示式:(二极管特性方程)(二极管特性方程)发射系数发射系数(1 2)第22页/共60页3 3.2.3 PN.2.3 PN结结的反向击穿的反向击穿 当当PN结的反向电压增结的反向电压增加到一定数值时,加到一定数值时,反向反向反向反向电流突然快速增加电流突
19、然快速增加电流突然快速增加电流突然快速增加,此,此现象称为现象称为PN结的结的反向反向反向反向击穿。击穿。击穿。击穿。反向击穿段反向击穿段3.2.4 PN3.2.4 PN结电容效应结电容效应(自学了解)(自学了解)扩散电容扩散电容势垒电容势垒电容第23页/共60页第三章第三章 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路 3.1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.2 PN3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性3.4 3.4 二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法 3.5 3.5 特殊二极管特殊二极管 3.3 3.3 二极管二极管第24页/共60页3.3 3.
20、3 半导体二极管半导体二极管3.3.1 3.3.1 基本结构基本结构基本结构基本结构3.3.2 3.3.2 伏安特性伏安特性伏安特性伏安特性3.3.3 3.3.3 主要参数主要参数主要参数主要参数第25页/共60页3.3 3.3 半导体二极管半导体二极管3.3.1 基本结构基本结构(a)(a)点接触型点接触型点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型面接触型面接触型(c)(c)平面型平面型平面型平面型 用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。用于集成电路制作工艺中。PNPN结结面积可大可结结面积可大可结结面积可大可结结面积可大可小,用于高频整流和开关电路中。小
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