《极管及其基本应用》PPT课件.ppt

信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组模 拟 电 子 技 术 基 础 第 3章 半 导 体 二 极 管 及 其 基 本 应 用 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 第 3章 半 导 体 二 极 管 及 其 基 本 应 用 3.1 半 导 体 基 础 知 识 3.2 半 导 体 二 极 管 3.3 稳 压 二 极 管 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 2.1 半 导 体 基 础 知 识一 、 本 征 半 导 体二 、 杂 质 半 导 体三 、 PN结 的 形 成 及 其 单 向 导 电 性四 、 PN结 的 电 容 效 应 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 一 、 本 征 半 导 体 导 电 性 介 于 导 体 与 绝 缘 体 之 间 的 物 质 称 为 半 导 体 。本 征 半 导 体 是 纯 净 的 晶 体 结 构 的 半 导 体 。1、 什 么 是 半 导 体 ？ 什 么 是 本 征 半 导 体 ？ 导 体 铁 、 铝 、 铜 等 金 属 元 素 等 低 价 元 素 ， 其 最 外 层 电子 在 外 电 场 作 用 下 很 容 易 产 生 定 向 移 动 ， 形 成 电 流 。 绝 缘 体 惰 性 气 体 、 橡 胶 等 ， 其 原 子 的 最 外 层 电 子 受 原子 核 的 束 缚 力 很 强 ， 只 有 在 外 电 场 强 到 一 定 程 度 时 才 可 能 导电 。 半 导 体 硅 （ Si） 、 锗 （ G e） ， 均 为 四 价 元 素 ， 它 们 原子 的 最 外 层 电 子 受 原 子 核 的 束 缚 力 介 于 导 体 与 绝 缘 体 之 间 。无 杂 质 稳 定 的 结 构 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 2、 本 征 半 导 体 的 结 构 由 于 热 运 动 ， 具 有 足 够 能 量的 价 电 子 挣 脱 共 价 键 的 束 缚而 成 为 自 由 电 子自 由 电 子 的 产 生 使 共 价 键 中留 有 一 个 空 位 置 ， 称 为 空 穴 自 由 电 子 与 空 穴 相 碰 同 时 消 失 ， 称 为 复 合 。共 价 键 一 定 温 度 下 ， 自 由 电 子 与 空 穴 对 的 浓 度 一 定 ； 温 度 升高 ， 热 运 动 加 剧 ， 挣 脱 共 价 键 的 电 子 增 多 ， 自 由 电 子 与空 穴 对 的 浓 度 加 大 。 动 态 平 衡 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组两 种 载 流 子 外 加 电 场 时 ， 带 负 电 的 自 由 电子 和 带 正 电 的 空 穴 均 参 与 导 电 ，且 运 动 方 向 相 反 。 由 于 载 流 子 数目 很 少 ， 故 导 电 性 很 差 。为 什 么 要 将 半 导 体 变 成 导 电 性 很 差 的 本 征 半 导 体 ？3、 本 征 半 导 体 中 的 两 种 载 流 子运 载 电 荷 的 粒 子 称 为 载 流 子 。 温 度 升 高 ， 热 运 动 加 剧 ， 载流 子 浓 度 增 大 ， 导 电 性 增 强 。 热 力 学 温 度 0K时 不 导 电 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 二 、 杂 质 半 导 体 1. N型 半 导 体 5 磷 （ P） 杂 质 半 导 体 主 要 靠 多 数 载 流子 导 电 。 掺 入 杂 质 越 多 ， 多 子浓 度 越 高 ， 导 电 性 越 强 ， 实 现导 电 性 可 控 。多 数 载 流 子 空 穴 比 未 加 杂 质 时 的 数 目 多了 ？ 少 了 ？ 为 什 么 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 2. P型 半 导 体 3硼 （ B） 多 数 载 流 子 P型 半 导 体 主 要 靠 空 穴 导 电 ，掺 入 杂 质 越 多 ， 空 穴 浓 度 越 高 ，导 电 性 越 强 ， 在 杂 质 半 导 体 中 ， 温 度 变 化 时 ，载 流 子 的 数 目 变 化 吗 ？ 少 子 与 多子 变 化 的 数 目 相 同 吗 ？ 少 子 与 多子 浓 度 的 变 化 相 同 吗 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 三 、 PN结 的 形 成 及 其 单 向 导 电 性 物 质 因 浓 度 差 而 产 生 的 运 动 称 为 扩 散 运 动 。 气体 、 液 体 、 固 体 均 有 之 。扩 散 运 动P区 空 穴浓 度 远 高于 N区 。 N区 自 由 电子 浓 度 远 高于 P区 。 扩 散 运 动 使 靠 近 接 触 面 P区 的 空 穴 浓 度 降 低 、 靠 近 接 触 面N区 的 自 由 电 子 浓 度 降 低 ， 产 生 内 电 场 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 PN 结 的 形 成 因 电 场 作 用 所 产生 的 运 动 称 为 漂 移运 动 。 参 与 扩 散 运 动 和 漂 移 运 动 的 载 流 子 数 目 相 同 ， 达 到 动 态平 衡 ， 就 形 成 了 PN结 。 漂 移 运 动 由 于 扩 散 运 动 使 P区 与 N区 的 交 界 面 缺 少 多 数 载 流 子 ， 形 成内 电 场 ， 从 而 阻 止 扩 散 运 动 的 进 行 。 内 电 场 使 空 穴 从 N区 向 P区 、 自 由 电 子 从 P区 向 N 区 运 动 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组PN结 加 正 向 电 压 导 通 ： 耗 尽 层 变 窄 ， 扩 散 运 动 加剧 ， 由 于 外 电 源 的 作 用 ， 形成 扩 散 电 流 ， PN结 处 于 导 通状 态 。 PN结 加 反 向 电 压 截 止 ： 耗 尽 层 变 宽 ， 阻 止 扩 散 运 动 ，有 利 于 漂 移 运 动 ， 形 成 漂 移 电流 。 由 于 电 流 很 小 ， 故 可 近 似认 为 其 截 止 。 PN 结 的 单 向 导 电 性 必 要 吗 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 四 、 PN 结 的 电 容 效 应1. 势 垒 电 容 PN结 外 加 电 压 变 化 时 ， 空 间 电 荷 区 的 宽 度 将 发 生 变化 ， 有 电 荷 的 积 累 和 释 放 的 过 程 ， 与 电 容 的 充 放 电 相同 ， 其 等 效 电 容 称 为 势 垒 电 容 Cb。2. 扩 散 电 容 PN结 外 加 的 正 向 电 压 变 化 时 ， 在 扩 散 路 程 中 载 流 子的 浓 度 及 其 梯 度 均 有 变 化 ， 也 有 电 荷 的 积 累 和 释 放 的过 程 ， 其 等 效 电 容 称 为 扩 散 电 容 Cd。 dbj CCC 结 电 容 ： 结 电 容 不 是 常 量 ！ 若 PN结 外 加 电 压 频 率 高 到 一 定 程 度 ，则 失 去 单 向 导 电 性 ！ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 讨 论 一o为 什 么 将 自 然 界 导 电 性 能 中 等 的 半 导 体 材 料 制 成本 征 半 导 体 ， 导 电 性 能 极 差 ， 又 将 其 掺 杂 ， 改 善导 电 性 能 ？o为 什 么 半 导 体 器 件 的 温 度 稳 定 性 差 ？ 是 多 子 还 是少 子 是 影 响 温 度 稳 定 性 的 主 要 因 素 ？o为 什 么 半 导 体 器 件 有 最 高 工 作 频 率 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 3.2 半 导 体 二 极 管一 、 二 极 管 的 组 成二 、 二 极 管 的 伏 安 特 性 及 电 流 方 程三 、 二 极 管 的 等 效 电 路四 、 二 极 管 的 主 要 参 数 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 一 、 二 极 管 的 组 成将 PN结 封 装 ， 引 出 两 个 电 极 ， 就 构 成 了 二 极 管 。小 功 率二 极 管 大 功 率二 极 管 稳 压二 极 管 发 光二 极 管 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 一 、 二 极 管 的 组 成将 PN结 封 装 ， 引 出 两 个 电 极 ， 就 构 成 了 二 极 管 。点 接 触 型 ： 结 面 积 小 ，结 电 容 小 ， 故 结 允 许 的 电 流 小 ， 最 高 工 作频 率 高 。 面 接 触 型 ： 结 面 积 大 ，结 电 容 大 ， 故 结 允 许的 电 流 大 ， 最 高 工 作频 率 低 。 平 面 型 ： 结 面 积 可 小 、可 大 ， 小 的 工 作 频 率高 ， 大 的 结 允 许 的 电流 大 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 二 、 二 极 管 的 伏 安 特 性 及 电 流 方 程材 料 开 启 电 压 导 通 电 压 反 向 饱 和 电 流硅 Si 0.5V 0.50.8V 1A以 下 锗 Ge 0.1V 0.10.3V 几 十 A)(ufi 开 启电 压反 向 饱和 电 流击 穿电 压m V)26( )1e( TS T UIi Uu 常 温 下温 度 的电 压 当 量二 极 管 的 电 流 与 其 端 电 压 的 关 系 称 为 伏 安 特 性 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 从 二 极 管 的 伏 安 特 性 可 以 反 映 出 ： 1. 单 向 导 电 性 TeST UuIiUu ， 则若 正 向 电 压 )1e( TS UuIi2. 伏 安 特 性 受 温 度 影 响T（ ） 在 电 流 不 变 情 况 下 管 压 降 u 反 向 饱 和 电 流 IS， U(BR) T（ ） 正 向 特 性 左 移 ， 反 向 特 性 下 移正 向 特 性 为指 数 曲 线 反 向 特 性 为 横 轴 的 平 行 线增 大 1倍 /10 ST IiUu ， 则若 反 向 电 压 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 三 、 二 极 管 的 等 效 电 路理 想二 极 管 近 似 分 析中 最 常 用理 想 开 关导 通 时 U D 0截 止 时 IS 0 导 通 时 UD Uon截 止 时 IS 0 导 通 时 i与 u成 线 性 关 系应 根 据 不 同 情 况 选 择 不 同 的 等 效 电 路 ！1. 将 伏 安 特 性 折 线 化 ？ 100V？ 5V？ 1V？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 2. 微 变 等 效 电 路 DTDDd IUiur 根 据 电 流 方 程 ， Q越 高 ， rd越 小 。 当 二 极 管 在 静 态 基 础 上 有 一 动 态 信 号 作 用 时 ， 则 可 将 二 极管 等 效 为 一 个 电 阻 ， 称 为 动 态 电 阻 ， 也 就 是 微 变 等 效 电 路 。ui=0时 直 流 电 源 作 用 小 信 号 作 用静 态 电 流 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 四 、 二 极 管 的 主 要 参 数o最 大 整 流 电 流 IF： 最 大 平 均 值o最 大 反 向 工 作 电 压 UR： 最 大 瞬 时 值o反 向 电 流 IR： 即 ISo最 高 工 作 频 率 fM： 因 PN结 有 电 容 效 应 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 我 国 晶 体 管 得 型 号 命 名 方 法 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 应 用 举 例 例 题 1： 二 极 管 的 静 态 工 作 情 况 分 析V 0D V mA 1/DDD RVI理 想 模 型 （ R=10k）VDD=10V 时 mA 93.0/)( DDDD RVVI恒 压 模 型 V 7.0D V （ 硅 二 极 管 典 型 值 ）折 线 模 型 V 5.0th V （ 硅 二 极 管 典 型 值 ）mA 931.0 DthDDD rR VVI k 2.0Dr设 V 69.0DDthD rIVV +D iD VDD + D iD VDD VD + D iD VDD rD Vth 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 例 题 2 ： 整 流 t t u u O O i o /V /V 10 10解 ： 采 用 理 想 电 路 模 型 ui和 uo的 波 形 如 图 所 示 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 ui 10sin t(v)， 试 画 出 ui与 uO的 波 形 。 设 二 极 管 正 向 导 通 电 压 可 忽 略 不 计 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 例 题 3： 写 出 图 示 各 电 路 的 输 出 电 压 值 ， 设 二极 管 导 通 电 压 UD 0.7V。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 例 题 4 ： 电 路 如 图 所 示 ， 已 知 ui 5sint (V)， 二极 管 导 通 电 压 UD 0.7V。 试 画 出 ui与 uO的 波 形 ，并 标 出 幅 值 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 o 例 5： 图 中 二 极 管 为 理 想 器 件 ， D1、 D2工作 在 何 种 状 态 ； UA=？ 。 D2D1 3 k6 V3 V +U A 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 o 例 6： 图 示 电 路 中 ， 发 光 二 极管 导 通 电 压 UD 1.5V， 正 向电 流 在 5 15mA时 才 能 正 常工 作 。 试 问 ： （ 1） 开 关 S在 什 么 位 置 时 二极 管 才 能 发 光 ？ （ 2） R的 取 值 范 围 是 多 少 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 o 例 7： 图 中 D1-D3为 理 想 二 极 管 ， A， B，C灯 都 相 同 ， 试 问 哪 个 灯 最 亮 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 3.3 稳 压 二 极 管一 、 伏 安 特 性二 、 主 要 参 数三 、 基 本 电 路 的 组 成 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 一 、 稳 压 二 极 管 的 伏 安 特 性 进 入 稳 压 区 的 最 小 电 流不 至 于 损 坏 的 最 大 电 流 由 一 个 PN结 组成 ， 反 向 击 穿 后在 一 定 的 电 流 范围 内 端 电 压 基 本不 变 ， 为 稳 定 电压 。二 、 主 要 参 数稳 定 电 压 U Z最 大 功 耗 PZM IZM UZ 动 态 电 阻 rz UZ /IZ稳 定 电 流 IZ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 三 、 基 本 电 路 的 组 成 若 稳 压 管 的 电 流 太 小 则 不 稳 压 ， 若 稳 压 管 的 电 流 太 大 则 会因 功 耗 过 大 而 损 坏 ， 因 而 稳 压 管 电 路 中 必 需 有 限 制 稳 压 管 电流 的 限 流 电 阻 ！ 限 流 电 阻 必 不 可 少 ！ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 o 例 题 4： 已 知 稳 压 管 的 稳 压 值 UZ 6V， 稳 定电 流 的 最 小 值 Izmin 5mA。 求 图 所 示 电 路中 Uo1和 Uo2各 为 多 少 伏 。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 例 题 5: 已 知 图 所 示 电 路 中 稳 压 管 的 稳 定 电 压 Uz 6V，最 小 稳 定 电 流 Izmin 5mA， 最 大 稳 定 电 流Izmax 25mA。 （ 1） 分 别 计 算 Ui为 10V、 15V、 35V三 种 情 况 下输 出 电 压 UO的 值 ；（ 2） 若 UI 35V时 负 载 开 路 ， 则 会 出 现 什 么 现 象 ?为 什 么 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 讨 论 一 ： 二 极 管 和 稳 压 管 组 成 的 限 幅 电 路 在 电 压 比 较 器 中 ， 为 保 护 运 放 输 入 端 ， 需 限 制 其 输 入 电 压 幅值 ； 为 适 应 负 载 对 电 压 幅 值 的 要 求 ， 输 出 端 需 加 限 幅 电 路 。UOH UZ1 UD2 U OH UOL UZ输 入 端 保护 电 路 使净 输 入 电压 最 大 值为 UD 必 要 吗 ？ UOL ( UZ2 UD1) 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组滞 回 比 较 器 输 出 端 加 限 幅 电 路 UOH UZ UOL UD 为 使 UOL更 接 近 0，怎 么 办 ？锗 管 UOH UOL UZ输 出 低 电 平 接 近 零 的 限 幅 电 路 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 讨 论 二 ： 窗 口 比 较 器 的 工 作 原 理RHI Uu OMU OMURLI Uu OMUOMU 当 uIURH 时 ， uO1= uO2= UOM， D1导 通 ， D2截 止 ； uO= UZ。 当 uIURL时 ， uO2= uO1= UOM， D2导 通 ， D1截 止 ； uO= UZ 。 当 URLuI URH 时 ， uO1= uO2= UOM， D1、 D2均 截 止 ； uO= 0。 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 讨 论 三o判 断 二 极 管 工 作 状 态 的 方 法 ？o什 么 情 况 下 应 选 用 二 极 管 的 什 么 等 效 电 路 ？ 信 工 学 院 低 频 电 子 线 路 课 程 组 讨 论 四o什 么 情 况 下 应 选 用 二 极 管 的 什 么 等 效 电 路 ？o如 何 求 解 回 路 电 流 ？ uD=V-iRQID U DRuVi DD 若 V与 uD可 比 ， 如 V=2V，R=500， 则 需 图 解 ：实 测 特 性