模擬電路第一章二極管

1、模擬電路第一章二極管第1頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四第一章 常用 器件半導(dǎo)體 類別項目 導(dǎo)體絕緣體代表物質(zhì) 一般最外層電子數(shù)外層電子受原子核的束縛力 導(dǎo)電性 金屬惰性氣體硅、鍺 4=4小易大二者之間不易二者之間半導(dǎo)體第2頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四1.1.1 本征半導(dǎo)體1.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體無雜質(zhì)?GeSi半導(dǎo)體硅和鍺的最外層電子（價電子）都是四個。結(jié)構(gòu)特點通過一定的工藝過程，可將其制成晶體。即為本征半導(dǎo)體第3頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四 本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)示意圖+4+4+4+4 形成共價鍵

2、后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。共用電子常溫下價電子很難脫離共價鍵成為自由電子導(dǎo)電能力很弱第4頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四+4+4+4+4熱和光的作用 自由電子 空穴一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵束縛電子空穴對本征激發(fā)（熱激發(fā)）帶正電帶負電游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合第5頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的電子來填補，這樣的結(jié)果相當于空穴的遷移。空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可以認為空穴是載流子。本征半導(dǎo)體的兩種載流子第6頁，共48頁，2022年，5月20日

3、，6點41分，星期四溫度越高，載流子的濃度越高，導(dǎo)電能力越強。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個重要的外部因素。這是半導(dǎo)體的一大特點。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。本征半導(dǎo)體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產(chǎn)生的電流。 2. 空穴移動產(chǎn)生的電流。第7頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四 在本征半導(dǎo)體中摻入少量合適的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。1.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體 N 型半導(dǎo)體+4+4+5+4磷原子多余電子摻入少量的五價元素磷（或銻）取代，形成共價鍵多出一個電子磷原子成為不能移動的正離子施主原子第8頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星

4、期四+4+4+5+4N 型半導(dǎo)體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導(dǎo)體中成對產(chǎn)生的電子和空穴。摻雜濃度遠大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。Negative第9頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四+4+4+3+4空位硼原子空穴P 型半導(dǎo)體摻入少量的三價元素硼（或銦）取代，形成共價鍵產(chǎn)生一個空位吸引束縛電子來填補受主原子硼原子成為不能移動的負離子空穴是多子，電子是少子Positive第10頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四(3)、

5、雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法P 型半導(dǎo)體+N 型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認為多子與雜質(zhì)濃度相等。第11頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四小結(jié)4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。 N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。 5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強、雜質(zhì)濃度 和材料性質(zhì)有關(guān)。 1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。 2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由 電子和空穴對，故其有一定的導(dǎo)電能力。 3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定； 雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。第1

6、2頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四一、PN 結(jié)的形成利用摻雜工藝，將P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體制作在同一塊硅片上，在它們的交界面處就形成了PN 結(jié)。1.1.3 PN結(jié)N 型半導(dǎo)體P 型半導(dǎo)體+PN結(jié)第13頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四+物質(zhì)因濃度差會產(chǎn)生擴散運動N區(qū)自由電子濃度遠高于P區(qū)。P區(qū)空穴濃度遠高于N區(qū)。自由電子空穴空間電荷區(qū)，也稱耗盡層。擴散的結(jié)果是產(chǎn)生空間電荷區(qū)。第14頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四+內(nèi)電場E+-在電場力作用下，載流子產(chǎn)生的運動稱為漂移運動自由電子空穴電位VV0最終擴散和漂移這一對相反的運動

7、達到平衡，相當于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。第15頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四多子的擴散運動空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴散 總結(jié) 因濃度差 由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)達到平衡，空間電荷區(qū)寬度固定不變 第16頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四二、 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?REPN 結(jié)正向偏置內(nèi)電場外電場變薄PN+_外加電源將使擴散運動源源不斷的進行，形成正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通第17頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四PN 結(jié)反向偏置+內(nèi)電場外電場變厚NP+_內(nèi)電場被被加強，多子的擴散

8、受抑制。少子漂移加強，但少子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。PN結(jié)截止RE第18頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四 PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴散電流； 由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流， PN結(jié)截止?？偨Y(jié)第19頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四三、PN結(jié)VCR方程PN結(jié)兩端的外電壓u與流過PN結(jié)的電流i之間的關(guān)系UT: 溫度電壓當量， = kT/q，一般取值為26mv； k為玻耳曼常數(shù) T為熱力學溫度 q為電子電荷量IS：反向飽和電流第20頁，共48頁，2022年

9、，5月20日，6點41分，星期四ABC第21頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四四、PN結(jié)的電容效應(yīng)1. 勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時，在擴散過程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。結(jié)電容： 結(jié)電容不是常量！若PN結(jié)外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向?qū)щ娦?！?2頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四NP+-1.2 半導(dǎo)體二極管外殼封裝陰極引線陽極引線第23

10、頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)類型按結(jié)構(gòu)分類點接觸型面接觸型平面型(1) 點接觸型二極管陽極引線陰極引線PN結(jié)面積小不能通過較大的電流結(jié)電容小工作頻率高 適用于高頻電路和小功率整流第24頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四陽極引線陰極引線(2) 面接觸型二極管PN結(jié)面積大能通過較大的電流結(jié)電容大能在低頻下工作一般僅作為整流管使用合金法第25頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四PN結(jié)面積可大可小陽極引線陰極引線視結(jié)面積的大小用于大功率整流和開關(guān)電路中二極管的電路符號陽極陰極二端無源元件(3) 平面型二極管擴散法

11、+-ui第26頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四半導(dǎo)體二極管圖片第27頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四1.2.2 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線uiPN結(jié)二極管近似分析時：(1) 二極管和PN結(jié)伏安特性的區(qū)別二極管存在半導(dǎo)體體電阻和引線電阻二極管表面 漏電流單向?qū)щ娦缘?8頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四ui幾點說明二極管的正向特性陽極陰極+-uu00uUonUon開啟電壓正向電流為零uUon開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。第29頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四二極管的反向特性陽極陰極+-uuUZ時作

12、用同二極管u增加到UZ 時，穩(wěn)壓管擊穿(a)第44頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四2、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。(1)穩(wěn)定電壓 UZ穩(wěn)壓管低于此值穩(wěn)壓情況變壞，常記作IZmin(2)穩(wěn)定電流 IZ第45頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四工作在穩(wěn)壓區(qū)時，端電壓變化量與其電流變化量之比(3)動態(tài)電阻rZrZ =UZ /IZ(4)額定功耗PZMPZM= UZ IZmax最大穩(wěn)定電流(5)溫度系數(shù)表示溫度每變化1穩(wěn)壓值的變化量第46頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四例1 電路如圖所示，設(shè)ui=6sint V，試繪出輸出電壓uo的波形。設(shè)DZ為硅穩(wěn)壓二極管，穩(wěn)定電壓為5V, 正向?qū)▔航岛雎圆挥嫛?ui-3V RDZ+uo-解： ui-3V D導(dǎo)通 uo= -3V ui-3V D截止 uo= ui 2V 2VuiD反向擊穿 uo= 2V ui/V t o6uo/V t o22-3-3ABVB= uiVA= -3V第47頁，共48頁，2022年，5月20日，6點41分，星期四例2 穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電UZ=6V, 最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA,最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA, 負載電阻RL=600。求限流電阻R的取值范圍。UI=10VRDZ+UO-RLI