半導(dǎo)體二極管及基本電路演示文稿_第1頁
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文檔簡介

半導(dǎo)體二極管及基本電路演示文稿當(dāng)前第1頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)第一章半導(dǎo)體二極管及基本電路1.1半導(dǎo)體的基本知識1.2

PN結(jié)的形成及特性1.3二極管及伏安特性1.5二極管基本電路及分析方法1.6特殊二極管1.4二極管的等效模型當(dāng)前第2頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.1半導(dǎo)體的基本知識一、本征半導(dǎo)體無雜質(zhì)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、半導(dǎo)體導(dǎo)電物質(zhì)可分為:導(dǎo)體:金屬絕緣體:惰性氣體、橡皮、瓷等半導(dǎo)體:介于以上兩者之間,如硅、鍺等半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性:1、半導(dǎo)體導(dǎo)電能力受環(huán)境影響很大(1)受溫度:當(dāng)溫度改變時,其導(dǎo)電能力改變熱敏元件(2)受光照:當(dāng)光照強(qiáng)度改變時,其導(dǎo)電能力改變光敏元件2、半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì),其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)2、本征半導(dǎo)體(純半導(dǎo)體)Si:14個電子2)8)4Ge:32個電子2)8)18)44價元素價電子數(shù)可決定物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)(1)當(dāng)前第3頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)當(dāng)前第4頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)當(dāng)前第5頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)(2)晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健SiSiSiSiSiSiSiSi自由電子空穴本征激發(fā)產(chǎn)生成對的自由電子和空穴(3)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

溫度愈高或光照越強(qiáng),晶體中產(chǎn)生的成對的自由電子和空穴便愈多。自由電子和空穴形成兩種載流子

在外電場的作用下,空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ),而在該原子中出現(xiàn)一個空穴,其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(相當(dāng)于正電荷的移動)。當(dāng)前第6頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)注意:(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差;(2)溫度愈高,載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以,溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。二、N型半導(dǎo)體和

P型半導(dǎo)體(雜質(zhì)半導(dǎo)體)多余電子磷原子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的5價元素,形成N型半導(dǎo)體。SiSiSiSip+在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?、N型半導(dǎo)體多數(shù)載流子:自由電子

少數(shù)載流子:空穴

動畫當(dāng)前第7頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)2、P型半導(dǎo)體SiSiSiSiB–硼原子空穴

注意:無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的(其正負(fù)電荷數(shù)相等),對外不顯電性、不帶電。在本征半導(dǎo)體中摻入微量的3價元素,形成P型半導(dǎo)體。多數(shù)載流子:空穴

少數(shù)載流子:自由電子

動畫

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多,多子濃度越高,導(dǎo)電性越強(qiáng),實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。當(dāng)前第8頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與(a.摻雜濃度、b.溫度)有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時,少子的數(shù)量(a.減少、b.不變、c.增多)。abc4.在外加電壓的作用下,P型半導(dǎo)體中的電流主要是

,N型半導(dǎo)體中的電流主要是。(a.電子電流、b.空穴電流)ba當(dāng)前第9頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.2PN結(jié)及單向?qū)щ娦砸?、PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場少子的漂移運(yùn)動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)

----------------++++++++++++++++++++++++--------形成空間電荷區(qū)1、擴(kuò)散運(yùn)動

由于濃度不同,多子運(yùn)動,形成內(nèi)電場,阻礙了多子繼續(xù)擴(kuò)散。2、漂移運(yùn)動

少子在內(nèi)電場的作用下形成漂移運(yùn)動。動畫又稱為耗盡層當(dāng)前第10頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)加正向電壓(正向偏置)PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)外電場I

外電場克服內(nèi)電場,使多子不斷擴(kuò)散,形成較大的擴(kuò)散電流,此時PN結(jié)呈現(xiàn)低阻,處于導(dǎo)通狀態(tài)內(nèi)電場PN------------------++++++++++++++++++動畫+–

PN結(jié)加正向電壓時,PN結(jié)變窄,正向電流較大,正向電阻較小,PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)前第11頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)2、PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)外電場P接負(fù)、N接正

內(nèi)電場PN+++------+++++++++---------++++++---動畫–+PN結(jié)變寬IS

外電場加強(qiáng)內(nèi)電場,使多子不能擴(kuò)散,少子的漂移加強(qiáng),由于少子數(shù)量很少,形成很小的反向電流。

PN結(jié)加反向電壓時,PN結(jié)變寬,反向電流較小,反向電阻較大,PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)前第12頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)PN結(jié)的反向擊穿

當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時,反向電流突然快速增加,此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的反向擊穿。熱擊穿——不可逆

雪崩擊穿

齊納擊穿——可逆

電擊穿PN結(jié)的電流方程常溫下的電壓當(dāng)量UT:IS:PN結(jié)反向飽和電流當(dāng)前第13頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)3、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(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時,在擴(kuò)散路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(kuò)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?!?dāng)前第14頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.3

半導(dǎo)體二極管及伏安特性一、基本結(jié)構(gòu)、符號金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點(diǎn)接觸型二極管就是一個PN結(jié)。

1、結(jié)構(gòu):P區(qū)為正(陽)極,N區(qū)為負(fù)(陰)極鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型陰極陽極D2、符號:將PN結(jié)封裝,引出兩個電極,就構(gòu)成了二極管。當(dāng)前第15頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)二極管的種類小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管當(dāng)前第16頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)晶體二極管的單向?qū)щ娦岳枚O管的這個特性,可使用二極管進(jìn)行檢波和整流。單向?qū)щ娦裕寒?dāng)前第17頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)二、伏安特性特點(diǎn):非線性二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓溫度的電壓當(dāng)量當(dāng)前第18頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)

從二極管的伏安特性可以反映出:2.

伏安特性受溫度影響T(℃)↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑,U(BR)↓正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線T(℃)↑→正向特性左移,反向特性下移.

1.單向?qū)щ娦援?dāng)前第19頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)三、二極管的主要參數(shù)最大整流電流:最大正向平均電流反向擊穿電壓:反向最大瞬時電壓反向電流:未擊穿時的反向電流極間電容:擴(kuò)散電容和勢壘電容之和最大工作頻率:使二極管保持單向?qū)щ娦阅艿淖罡哳l率當(dāng)前第20頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.4二極管的等效模型將二極管的伏安特性折線化,以簡化分析計(jì)算。理想模型導(dǎo)通時UD=0截止時IS=0導(dǎo)通時UD=Uon截止時IS=0折線模型應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路!恒壓降模型導(dǎo)通時UD=Uon+IDrD截止時IS=0一、二極管直流等效電路最接近實(shí)際模型當(dāng)前第21頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)二極管在直流(靜態(tài))基礎(chǔ)上疊加一個交流(動態(tài))信號作用時,可將二極管等效為一個電阻,這個電阻稱為動態(tài)電阻,也就是二極管的微變等效電路。二、二極管小信號等效電路也稱微變等效電路。Q越高,rd越小。ui=0,時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流靜態(tài)工作點(diǎn)微變等效電路用于二極管電路的交流分析。交流信號當(dāng)前第22頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.5二極管基本電路及分析方法一、直流分析1.二極管的靜態(tài)工作情況分析理想模型(R=10k)(1)VDD=10V時定性分析:判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止

分析方法:將二極管斷開,分析二極管兩端電位的高低.當(dāng)前第23頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)(R=10k)(2)VDD=10V時恒壓降模型(硅二極管典型值)折線模型(硅二極管典型值)設(shè)(R=10k)(3)VDD=10V時rDUon當(dāng)前第24頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)電路如圖,求:UAB

若考慮管壓降,UAB

為-6.3V(鍺管)或-6.7V(硅管)

取B點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。

在這里,二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–分析:V陽

=-6VV陰=-12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若二極管做理想模型處理,可看作短路,UAB=-6V二極管開關(guān)電路

分析方法:將二極管斷開,分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置),二極管導(dǎo)通

若V陽

<V陰或UD為負(fù)(反向偏置),二極管截止當(dāng)前第25頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)取B點(diǎn)作參考點(diǎn),斷開二極管,分析二極管陽極和陰極的電位。

若忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為-6V流過D2

的電流為求:UABBD16V12V3kAD2UAB+–分析:V1陽

=-6V共陰極接法:陽極電位高的先導(dǎo)通。V2陽>

V1陽

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通,D1截止。V2陽=0V

V1陰

=V2陰=-12V

共陽極接法:陰極電位低的先導(dǎo)通。當(dāng)前第26頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)可看作短路

uo=8V已知:二極管是理想的,試畫出

uo

波形。8V例3:二極管的用途:整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––可看作開路

uo=ui

當(dāng)ui<8V時:二極管截止

當(dāng)ui>8V時:二極管導(dǎo)通當(dāng)前第27頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)討論

判斷電路中二極管的工作狀態(tài),求解輸出電壓。如何判斷二極管工作狀態(tài)?當(dāng)前第28頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)1.V=2V、5V、10V時二極管中的直流電流各為多少?

V較小時應(yīng)實(shí)測伏安特性,用圖解法求ID。QIDV=5V時,V=10V時,uD=V-iDR

二、交流微變等效電路2.若輸入電壓的有效值為5mV,則上述各種情況下二極管中的交流電流各為多少?當(dāng)前第29頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)(1)V=2V,ID≈2.6mA(2)V=5V,ID≈8.6mA(3)V=10V,ID≈50mA在伏安特性上,Q點(diǎn)越高,二極管的動態(tài)電阻越小!當(dāng)前第30頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)2.符號

3.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓為使IZ<IZM,使用時必須要加限流電阻原理:穩(wěn)壓管反向擊穿后,電流變化很大,但其兩端電壓變化很小,利用此特性,穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。1.結(jié)構(gòu)

由一個PN結(jié)組成的特殊二極管

DZ一、穩(wěn)壓二極管1.6特殊二極管進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流當(dāng)前第31頁\共有34頁\編于星期六\2點(diǎn)6、主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)定電流

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