(精品)电子器件与电子电路基础1篇1章课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一篇,电子器件与电子电路基础,第一章 半导体二极管及其电路分析,1.1.1 二极管的结构、特性与参数,电路符号,空心三角形箭头表示实际电流方向：,电流从,P,流向,N,。,一、二极管的结构与类型,（P）,（N）,二极管由一个,PN,结，加相应的电极引线和管壳封装而成。,半导体的导电特性,1.,本征半导体,PN,结的机理与特性,(,p.597,附录,A,),导电性能介于导体（如铜、铁等）与绝缘体（如石头、木头）之间；,主要有：,Si,（,硅）,Ge,（,锗）,GaAs,（,砷化镓）；,影响半导体的导电性能：温度、纯度。,纯净的半导体称为本征半导体。,以硅(,Si,),为例：,最外层有4个电子，受原子核的束缚力最小，称为,价电子,。导电性能与价电子有关。,硅原子结构,简化模型,(+4)表示原子核和内层电子所组成的惯性核的电荷。,硅制成单晶后，原子按一定规律整齐排列。,价电子受相邻原子核的作用，形成,共价键,。,共价键中的价电子获得足够的能量时（温度或光照）挣脱共价键的束缚，成为,自由电子,。同时，在共价键中留下空位，称为,空穴,。,自由电子和空穴总是成对出现，称为,电子空穴对,。电子空穴对的产生称为,本征激发,（,热激发,）。,在本征硅中，自由电子作为携带负电荷的载流子参加导电。,空穴也可以看成是携带正电荷的载流子,。,出现空穴后，共价键中的价电子就较易填补到这个空位上，过程的持续进行，相当于空穴在晶体中移动。,在本征激发的同时，自由电子受原子核的吸引还可能重新回到共价键中，称为,复合,。,在一定温度下，电子空穴对的热激发与复合达到动态平衡，电子空穴对维持一定的浓度。,导电能力由电子空穴对的浓度决定。常温下，本征硅中自由电子的浓度或空穴的浓度为硅原子浓度的3万亿分之一。所以本征硅的导电能力是很弱的。,2.杂质半导体,为了,提高,半导体的,导电能力,，掺入某些微量的元素作为杂质，称为杂质半导体。,(,1),N,型半导体,掺入磷、砷等五价元素。,多余的价电子成为自由电子，且浓度远远超过电子空穴对。,自由电子为,多子,；,空穴为,少子,。,(,2),P,型半导体,掺入硼、镓等三价元素。,空穴为,多子,；,自由电子为,少子,。,这种半导体以空穴导电为主，称为,P,型半导体。,杂质半导体中，,多子浓度由杂质的含量决定,，,少子的浓度主要由温度决定,。,3.半导体中载流子的运动,漂移运动,扩散运动,在电场作用下的定向运动。自由电子与空穴产生的电流,方向一致,。,载流子由浓度高的区域向浓度低的区域扩散。,PN,结的形成,在,N,型半导体的基片上，采用平面扩散法等工艺，掺入三价元素，使之形成,P,型区，则在,P,区和,N,区之间的交界面处将形成一个很薄的空间电荷层，称为,PN,结。,PN,结的典型厚度为0.5,m。,P,区空穴(多子)向,N,区扩散，留下不能移动的负离子；,N,区电子(多子)向,P,区扩散，留下不能移动的正离子；,正负离子形成空间电荷层。,内电场是多子的扩散运动引起的。,内电场的影响：,阻碍多子的扩散运动,促进少子的漂移运动,多子扩散运动使,PN,结变厚少子漂移运动使,PN,结变薄,没有外加电压时，多子扩散电流与少子漂移电流达到动态平衡。,名称：,空间电荷层,、,势垒区,、,阻挡层,、,高阻区,阻挡层,：强调对多子扩散运动的阻挡作用,耗尽层,：强调,PN,结内的载流子浓度减到最小,PN,结的单向导电性,正偏,：,P()N(),外加电场与,PN,结内电场方向相反,N,区电子进入空间电荷层，使,PN,结厚度变薄。,多子的扩散电流大大增加,少子的漂移电流远远小于扩散电流,正向电流近似为多子的扩散电流,反偏,：,P()N(),外加电场与内电场方向一致,P,区电子（少子）进入空间电荷层，使,PN,结厚度变厚。,多子的扩散电流大大减小,少子的漂移电流占优势,反向电流近似为少子的漂移电流,少子浓度很小，因此,反向电流远远小于正向电流,；少子浓度与外加电压无关，故称,反向饱和电流,。,PN,结的正向伏安特性：,正偏时,PN,结导通，电流由外加电压和限流电阻决定。,PN,结的反向伏安特性：,反偏时,PN,结的电流很小，称为截止。,PN,结的反向击穿特性,PN,结的温度特性,PN,结的电容效应,二极管的特性与,PN,结相似，参见二极管一节,二极管分类,点接触型,面结合型,平面型,二、二极管的特性与参数,1.伏安特性,I,S,：,反向饱和电流,V,T,：,电压当量，室温下,V,T,26mV,D,E,OA：,死区,开启电压,：,V,th,AB：,近似,指数规律,BC：,近似,恒压源,导通电压,：,V,on,OD：,近似,恒流源,DE：,反向击穿特性,击穿电压,：,V,(BR),反向电流,：,I,R,硅二极管与锗二极管的比较,硅2CP6,锗2,AP15,击穿特性,当外加反向电压超过击穿电压时，反向电流急剧增大，称为反向击穿。,齐纳击穿,：,雪崩击穿,：,外加电场将价电子直接从共价键中拉出来，使电子空穴对增多，电流增大,当电场足够强时，载流子的漂移运动被加速，将中性原子中的价电子“撞”出来，产生新的电子空穴对。形成连锁反应，使电流剧增。,齐纳击穿多发生在高掺杂的,PN,结中,雪崩击穿多发生在低掺杂的,PN,结中,4,V,以下为齐纳击穿7,V,以上为雪崩击穿47,V,可同时存在,温度特性,温度升高时,反向饱和电流增大,正向电流也增大。,PN,结,正向电压,具有,负温度系数。,温度升高10,，,I,S,约增加1倍，电压减小25,mV。,2.二极管的电容效应,PN,结电压变化将引起结区及结外侧载流子数量(电荷量)的变化，这一效应可用结电容,C,j,来模拟。,C,B,(,垫垒电容,)：,PN,结外加电压增大，空间电荷层变窄。所以，垫垒区的电荷量随电压变化而变化。,Barrier,Diffusion,C,D,(,扩散电容,)：,PN,结外侧非平衡载流子有一浓度分布曲线，当外加电压增大，浓度分布曲线变化相当于电荷量变化。,非线性 几十,pF,正偏时以垫垒电容为主,反偏时以扩散电容为主,3.二极管的主要参数,最大整流电流,I,F,是二极管长期运行时允许通过的最大半波整流电流平均值。整流电流超过此值时，二极管将被烧坏。,反向击穿电压,V,(BR),当反向电压超过,V,(BR),时，反向电流剧增，二极管的单向导电性能被破坏，甚至引起二极管损坏。,反向电流,I,R,反向电流越小，管子的单向导电性越好。,1.1.2 二极管基本应用电路分析举例,一、二极管模型,对二极管的非线性进行,线性化,处理。,大信号模型,理想二极管模型,恒压降模型,当二极管在某一工作点附近,电压或电流变化,时的模型称为小信号模型。,r,d,称为动态电阻（微变等效电阻）,r,d,的,数值,与,静态工作点,(,Q,点)有关,小信号模型,二、二极管基本应用电路分析举例,半波整流,整流电路,反向峰值电压,全波整流,限幅电路,|,v,i,|0.7V，D,1,、D,2,截止，,v,o,=,v,i,v,i,0.7V，D,1,导通，,v,o,=0.7V,上限幅,v,i,-0.7V，D,2,导通，,v,o,=-0.7V,下限幅,数字电路中，输入只有2种状态：要么是高电平(+3,V)，,要么是低电平(0,V)。,V,A,V,B,D,A,D,B,V,O,0 V,0 V,0.7 V,0 V,3 V,0.7 V,3 V,0 V,3.7 V,3 V,3 V,0.7 V,导通,导通,导通,导通,导通,导通,截止,截止,L,L,H,L,H,L,H,H,H,L,L,L,真值表,0,0,1,0,1,0,1,1,1,0,0,0,V,A,V,B,V,O,输入,V,A,“,与”,V,B,都有效(高电平)时，输出,V,O,才有效(高电平)，称为“与”逻辑。,“与”门电路,低压稳压电路,V,O,2,V,D,1.4V,当由于某种原因（如电网波动、负载变化）引起,V,I,变化时，,V,O,也将变化。分析,V,O,的变化情况需要用,微变等效电路,。,微变等效电路,【,例1.1.1,】,在低压稳压电路中，设,V,I,12V，,R,5.1k,。,若,V,I,变化（,10%），问输出电压,V,O,变化多少？,解：,应先求,r,d,：,应先求,i,I,D,在分析小信号性能时，应先求电路的,静态工作点,，然后计算,小信号模型参数,，最后求得电路的,小信号性能指标,。,在低压稳压电路中，设,V,I,12V，,R,5.1k,。,若,V,I,变化（,10%），问输出电压,V,O,变化多少？,解：,V,O,1.4 V,1.1.3 特种二极管,利用反向击穿特性稳压范围从1,V,到几百伏,一、稳压二极管,主要参数：,稳定电压,V,Z,动态电阻,r,z,r,z,愈小,，则击穿特性愈陡，,稳压特性愈好,。,最大允许耗散功率,P,ZM,最大稳定电流,I,Z(max),最小稳定电流,I,Z(min),反向击穿区起始电流,【,例1.1.2,】,设计一个硅稳压管稳压电路，要求输出电压,V,O,6V，,最大负载电流为20,mA,，,设外加输入电压,V,I,为+12,V。,解：,电路结构如图所示。,选用2,CW14，,其稳定电压,V,Z,6V，,稳定电流为 10,mA,，,最大稳定电流为33,mA,。,R,选标称值为200,的电阻。,二、发光二极管,电致发光器件，将电信号转换成光信号。,通常由,磷砷化镓,（,GaAsP,)、,磷化镓,（,GaP,),制成,光的波长（颜色）与材料有关,正偏导通时发光,发光二极管的,开启电压和正向导通电压比普通二极管大,，正向电压一般为1.32.4,V。,亮度与正向电流成正比，一般需要,几个毫安以上,。,三、光电二极管,正常工作在反偏状态,。无光照时，只有很小的反向饱和电流，称为暗电流；有光照时，,PN,结受光激发，产生大量电子空穴对，形成较大的光电流。,通常由硅材料制成，管壳有接收光照的透镜窗口。,光电二极管的,电流与照度成正比,，用于信号检测、光电传感器、电机转速测量等。,四、变容二极管,反向偏置时，,PN,结的等效电阻很大，,等效电容与所加反向电压的大小有关,。,变容二极管的电容很小，一般为,pF,数量级，通常用于高频电路，如电视机高频头中的压控可变电容器。,五、肖特基二极管,主要特点是导通电压较低(0.4,V,左右,)，导通时存储的非平衡载流子数量少，,夹断时间很短,，在,高速数字电路,中获得很好的应用。,