3-半导体二极管及其基本电路课件_002

,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,2019-8-12,谢谢观赏,*,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,2019-8-12,谢谢观赏,*,3 半导体二极管及其基本电路,3.1 半导体的基本知识,3.3 半导体二极管,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.5 特殊二极管,3.2,PN,结的形成及特性,1,谢谢观赏,2019-8-12,3 半导体二极管及其基本电路3.1 半导体的基本知识3.,3.1 半导体的基本知识,3.1.1 半导体材料,3.1.2 半导体的共价键结构,3.1.3 本征半导体,3.1.4 杂质半导体,半导体:,导电特性介于导体和绝缘体之间,典型的半导体有,硅,Si,和,锗,Ge,以及,砷化镓,GaAs,等。,导电的,重要特点,1、其能力容易受环境因素影响,（,温度,、光照等）,2、掺杂可以显著提高导电能力,2,谢谢观赏,2019-8-12,3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.,3.1.2 半导体的共价键结构,原子结构,简化模型,完全,纯净、结构完整的半导体晶体。,3.1.3 本征半导体,在,T,=0K,和无外界激发时，没有,载流子,，不导电,两个价电子的,共价键,正离子核,3,谢谢观赏,2019-8-12,3.1.2 半导体的共价键结构原子结构 完全纯净、结,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用,温度,光照,自由电子,空穴,本征激发,空穴,共价键中的空位,空穴的移动,空穴的运动是靠相邻共价键中的价电子依次充填空穴来实现的。,由热激发或光照而产生,自由电子和空穴对,。,温度,载流子,浓度,4,谢谢观赏,2019-8-12,3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用温度光照自由电子,空穴的移动,空穴的运动是靠相邻共价键中的,价电子依次充填空穴来实现的,*,半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响,温度,载流子,浓度,导电能力,5,谢谢观赏,2019-8-12,空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的*半导体,3.1.4 杂质半导体,N,型半导体,掺入五价杂质元素（如磷）,P,型半导体,掺入三价杂质元素（如硼）,自由电子 多子,空穴 少子,空穴 多子,自由电子 少子,由热激发形成,它主要由杂质原子提供,空间电荷,6,谢谢观赏,2019-8-12,3.1.4 杂质半导体N型半导体P型半导体自由电子 ,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大,的影响，一些典型的数据如下:,T,=300 K,室温下,本征硅的电子和空穴浓度:,n,=,p,=1.410,10,/cm,3,1,本征硅的原子浓度:,4.9610,22,/,cm,3,3,以上三个浓度基本上依次相差10,6,/,cm,3,。,2,掺杂后,N,型半导体中的自由电子浓度:,n=,510,16,/cm,3,杂,质对半导体导电性的影响,7,谢谢观赏,2019-8-12,掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大,本征半导体、本征激发,本节中的有关概念,自由电子,空穴,N,型半导体、施主杂质(5价),P,型半导体、受主杂质(3价),多数载流子、少数载流子,杂质半导体,复合,*,半导体导电特点1,：,其能力容易受温度、光照等环境因素影响,温度载流子浓度导电能力,*,半导体导电特点2,：掺杂可以显著提高导电能力,8,谢谢观赏,2019-8-12,本征半导体、本征激发本节中的有关概念自由电子N型半导体、施,3.2,PN,结的形成及特性,3.2.1,PN,结的形成,3.2.2,PN,结的单向导电性,*,3.2.3,PN,结的反向击穿,3.2.4,PN,结的电容效应,9,谢谢观赏,2019-8-12,3.2 PN结的形成及特性 3.2.1 PN结的形成 3.,3.2.1,PN,结的形成,1.浓度差,多子的,扩散,运动,2.,扩散,空间电荷区,内电场,3.内电场,少子的,漂移,运动,阻止,多子的,扩散,4、扩散与漂移达到,动态平衡,载流子的运动：,扩散,运动浓度差产生的载流子移动,漂移,运动在电场作用下，载流子的移动,P,区,N,区,扩散：空穴,电子,漂移：电子,空穴,形成过程可分成4步(动画),内电场,10,谢谢观赏,2019-8-12,3.2.1 PN结的形成1.浓度差多子的扩散运动2.,PN,结形成的物理过程：,因浓度差,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,最后,多子的,扩散,和少子的,漂移,达到,动态平衡,。,多子的扩散运动,杂质离子形成空间电荷区,对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN,结,。,在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称,耗尽层,。,扩散,漂移,否,是,宽,11,谢谢观赏,2019-8-12,PN结形成的物理过程：因浓度差空间电荷区形成内电场,3.2.2,PN,结的单向导电性,只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将,定义：,加,正向电压,，简称,正偏,加,反向电压,，简称,反偏,扩散 漂移,大的正向扩散电流（多子）,低电阻,正向导通,漂移 扩散,很小的反向漂移电流（少子）,高电阻,反向截止,12,谢谢观赏,2019-8-12,3.2.2 PN结的单向导电性只有在外加电压时才 扩散,3.2.2,PN,结的单向导电性,PN,结特性描述,2、,PN,结方程,PN,结的伏安特性,陡峭,电阻小正向导通,1、,PN,结的伏安特性,特性平坦,反向截止,一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的,非线性,其中,I,S,反向饱和电流,V,T,温度的电压当量,且在常温下（,T=300K）,近似,估算,正向：,反向：,13,谢谢观赏,2019-8-12,3.2.2 PN结的单向导电性 PN结特性描述2、PN结,3.2.3,PN,结的反向击穿,当,PN,结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为,PN,结的,反向击穿。,热击穿不可逆,雪崩击穿,齐纳击穿,p66,电击穿可逆,14,谢谢观赏,2019-8-12,3.2.3 PN结的反向击穿 当PN结的反向,3.2.4,PN,结的电容效应,(1)势垒电容,C,B,势垒电容示意图,扩散电容示意图,(2)扩散电容,C,D,15,谢谢观赏,2019-8-12,3.2.4 PN结的电容效应(1)势垒电容CB势垒电,3.3 半导体二极管,3.3.1 半导体二极管的结构,3.3.2 二极管的伏安特性,3.3.3 二极管的参数,PN,结,加上引线和封装,二极管,按结构,分类,点接触型,面接触型,平面型,16,谢谢观赏,2019-8-12,3.3 半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构 3.,半导体二极管图片,点接触型,面接触型,平面型,17,谢谢观赏,2019-8-12,半导体二极管图片点接触型 面接触型平面型17谢谢观赏2019,3.3.2 二极管的伏安特性,3.,PN,结方程（近似）,硅二极管2,CP10,的,V-I,特性,锗二极管2,AP15,的,V-I,特性,正向特性,反向特性,反向击穿特性,V,th,=0.5V（,硅）,V,th,=0.1V（,锗）,注,意,1.死区电压（门坎电压）,2.反向饱和电流硅：0.1,A；,锗：10,A,18,谢谢观赏,2019-8-12,3.3.2 二极管的伏安特性3.PN结方程（近似）硅二极,3.3.3 二极管的参数,(1)最大整流电流,I,F,(2)反向击穿电压,V,BR,和最大反向工作电压,V,RM,(3)反向电流,I,R,(4)正向压降,V,F,(5)极间电容,C,B,硅二极管2,CP10,的,V,-,I,特性,19,谢谢观赏,2019-8-12,3.3.3 二极管的参数(1)最大整流电流IF(2)反,3.4 二极管基本电路及其分析方法,3.4.1 二极管,V-I,特性的建模,3.4.2 应用举例,5、应用电路分析举例,2、二极管状态判断,1、二极管电路的分析概述,3、图解分析法,4、等效电路（模型）分析法,讲课思路：,20,谢谢观赏,2019-8-12,3.4 二极管基本电路及其分析方法 3.4.1 二极管V-,1、二极管电路的分析概述,应用电路举例,例3.4.2（习题3.4.12）,习题3.4.5,整流限幅,习题3.4.6,初步分析,依据二极管的单向导电性,D,导通：,v,O,=,v,I,-,v,D,D,截止：,v,O,=,0,D,导通：,v,O,=,v,D,D,截止：,v,O,=,v,I,左图,中图,显然，,v,O,与,v,I,的关系由,D,的状态,决定,而且，,D,处于反向截止时最简单！,21,谢谢观赏,2019-8-12,1、二极管电路的分析概述应用电路举例例3.4.2（习题3.,分析思路,分析任务：求,v,D,、,i,D,目的1:确定电路功能，即信号,v,I,传递到,v,O,，,有何变化？,目的2:判断二极管,D,是否安全。,首先，判断,D,的状态？,若,D,反向截止，则相当于开路（,i,D,0,，R,OFF,）；,若,D,正向导通，则？,正向导通分析方法：,图解法,等效电路（模型）法,将非线性,线性,先静态（直流），后动态（交流）,静态：,v,I,=0（,正弦波过0点）,动态：,v,I,0,1、二极管电路的分析概述,22,谢谢观赏,2019-8-12,分析思路分析任务：求vD、iD1、二极管电路的分析,2、二极管状态判断,例1,:2,CP1（,硅），,I,F,=16mA，,V,BR,=40V。,求,V,D,、,I,D,。,(,a),(,b),(,c),(,d),正偏,正偏,反偏,反偏,i,D,I,F,？,D,反向截止,I,D,=0,V,D,=-10V,D,反向击穿,i,D,=,？,v,D,=,？,二极管状态判断方法,假设,D,截止(开路)，,求,D,两端开路电压,普通：热击穿损坏,齐纳：电击穿,V,D,=-,V,BR,=-40V,V,D,0V,D,正向导通？,-,V,BR,I,F,？,D,反向截止,I,D,=0,V,D,=-10V,D,反向击穿,i,D,=,？,v,D,=,？,普通：热击穿损坏,齐纳：电击穿,V,D,=-,V,BR,=-40V,D,正向导通？,D,正向导通！,33,谢谢观赏,2019-8-12,例1:2CP1（硅），IF=16mA，VBR=40V。求V,例3.4.2（习题3.4.12）,习题3.4.5,整流 限幅,例6.2习题,例6.3,5、应用电路分析举例,例6:画出,v,O,波形,。,初步分析,依据二极管的单向导电性,D,导通：,v,O,=,v,I,-,v,D,D,截止：,v,O,=,0,D,导通：,v,O,=,v,D,D,截止：,v,O,=,v,I,左图,中图,例6.1习题,34,谢谢观赏,2019-8-12,例3.4.2（习题3.4.12）习题3.4.5整流,V,I,=,10V，,v,i,=,1Vsin,t,例4:已知伏安特性,求,v,D,、,i,D,。,5、应用电路分析举例,i,D,=,I,D,+,D,i,D,=,0.95mA+0.1mAsin,t,v,D,=,V,D,+,D,v,D,0.7V,静态分析,v,i,=0,叠加原理,动态分析,V,I,=0,小信号模型(小信号等效电路),35,谢谢观赏,2019-8-12,VI=10V，vi=1Vsint例4:已知伏安特,5、应用电路分析举例,例7:(小信号分析),例4中求,v,D,、,i,D,。,V,I,=,10V，,v,i,=,1Vsin,t,解题步骤:,(1),静态分析,(,令,v,i,=0）,由恒压降模型得,V,D,0.7V;,I,D,0.93mA,(2),动态分析,(,令,V,I,=0）,由小信号模型得,36,谢谢观赏,2019-8-12,5、应用电路分析举例例7:(小信号分析)例4中求vD、,分析方法小结,3.4 二极管基本电路及其分析方法,假设,D,截止（开路）,求,D,两端开路电压,V,D,0.7V,D,正向导通,-,V,BR,V,D,0.7V,D,反向截止,I,D,