模电 二极管学习.pptx

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1、 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱，征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。接近绝缘体。一.本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制制造造半半导导体体器器件件的的半半导导体体材材料料的的纯纯度度要要达达到到99.9999999%，常常称为称为“九个九个9”。第1页/共44页 这一现象称为本征激发本征激发，也称热激发热激发。当当温温度度升升高高或或受

2、受到到光光的的照照射射时时，束束缚缚电电子子能能量量增增高高，有有的的电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自自由由电子电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。第2页/共44页 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。外加能量越高外加能量越高（温度温度越高），产生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激在一

3、定温度下，本征激发和复合同时进行，达发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对第3页/共44页自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷 空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制第

4、4页/共44页二二.杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。第5页/共44页N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子多数载流子自由电子少数载流子 空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对第6页/共44页 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子

5、硼原子硅原子硅原子多数载流子 空穴少数载流子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2.P型半导体型半导体模拟电子技术绪论.ppt第7页/共44页杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关+N型硅表示型硅表示P型硅表示型硅表示第8页/共44页小结：小结：1.掺掺入入杂杂质质的的浓浓度度决决定定多多数数载载流流子子浓浓度度；温温度度决决定少数载流子的浓度。定少数载流子的浓度。3.杂质半导体总体上保持电中性。杂质半导体总体

6、上保持电中性。4.杂质半导体的表示方法如下图所示。杂质半导体的表示方法如下图所示。2.杂杂质质半半导导体体载载流流子子的的数数目目要要远远远远高高于于本本征征半半导导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体型半导体(b)P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法第9页/共44页内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三.PN结及其单向导电性结及其

7、单向导电性 1.PN结的形成 第10页/共44页少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗 0.1V第11页/共44页2.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽

8、层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F(forward current)正向电流正向电流 第12页/共44页(2)加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R(reverse current)PN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外

9、加基本上与外加反压的大小无关反压的大小无关，所以称所以称为为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温与温度有关。度有关。第13页/共44页 PN结加正向电压时，具有较大的正向结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。结截止。由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导结具有单向导电性。电性。第14页/共44页3.PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线

10、如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆第15页/共44页 1.2 半导体二极管半导体二极管在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型图图1.2.11.2.1二极管的几种二极管的几种外形外形第16页/共44页半导体二极管半导体二极管 二极管二极管=PN结结+管壳管壳+引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极-第17页/共44页 二极管按结构

11、分三大类：二极管按结构分三大类：(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。第18页/共44页(3)平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。第19页/共44页半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关

12、管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge，C为为N型型Si，D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。第20页/共44页 1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性正向特性反向特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.7一、伏安特性一、伏安特性锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2V第21页/共4

13、4页二、温度对二极管伏安特性的影响二、温度对二极管伏安特性的影响在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反在环境温度升高时，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。向特性将下移。二极管的特性对温度很敏感，具有负温度系数。50I/mAU/V0.20.4 25510150.010.020温度增加温度增加第22页/共44页半导体二极管图片半导体二极管图片第23页/共44页半导体二极管图片半导体二极管图片第24页/共44页半导体二极管图片半导体二极管图片第25页/共44页二二.二极管的模型及近似分析计算二极管的模型及近似分析计算例：例：IR10VE1kD非线性器件非线性器件iuRLC线性器件线性器件

14、第26页/共44页二极管的模型二极管的模型DU串联电压源模型串联电压源模型U D 二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管 0.3V。理想二极管模型理想二极管模型正偏正偏反偏反偏导通压降导通压降二极管的VA特性第27页/共44页二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1k相对误差相对误差0.7V第28页/共44页例例：二二极极管管构构成成的的限限幅幅电电路路如如图图所所示示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。(1)若若 ui为为4

15、V的的直直流流信信号号，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型、理理想二极管串联电压源模型计算电流想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分析。第29页/共44页（2）如如果果ui为为幅幅度度4V的的交交流流三三角角波波，波波形形如如图图（b）所所示示，分分别别采采用用理理想想二二极极管管模模型型和和理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波

16、形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第30页/共44页02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采采用用理理想想二二极极管管串串联联电电压压源源模模型型分分析析，波波形形如图所示。如图所示。第31页/共44页二极管：死区电压二极管：死区电压=0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管)理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0，正向压降，正向压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极管半波整流第32页/共44页电路如图所示，已知u ui i5sin5sintt(V)(V)，二极管导通电压U UD D0.7V0.7V。试画出u ui i

17、与u uO O的波形，并标出幅值。第33页/共44页二极管基本应用Va、Vb有一个是低电平（0V）：VO为低电平Va、Vb为高电平（5V）：VO为高电平所以 F=AB开关电路：Va(A)Vb(B)VO(F)D1D25V第34页/共44页三三.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。(3)反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的

18、反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管级；锗二极管在微安在微安(A)级。级。第35页/共44页第36页/共44页当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压四、稳压二极管四、稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻第37页/共44页 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数(1)稳定电压稳定电压

19、UZ(2)动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。rZ=U/I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3)(3)最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。(4)(4)最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。第38页/共44页例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二

20、极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入电，输入电压压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？第39页/共44页RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（m

21、A）RL=1.5 k ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化,但但iZ仍在仍在12mA和和2mA之间之间,所以稳所以稳压管仍能起稳压作用压管仍能起稳压作用第40页/共44页例2：稳压二极管的应用解：解：ui和和uo的波形如图所示的波形如图所示（UZ3V）uiuODZR(a)(b)uiuORDZ第41页/共44页 例题例题 两个稳压管两个稳压管,稳定电压分别为稳定电压分别为5.5V5.5V和和8.5V,8.5V,正向正向压降都是压降都是0.5V,0.5V,如果得到如

22、果得到0.5V,3V,6V,9V0.5V,3V,6V,9V和和14V14V应如何应如何连接连接?解解:第42页/共44页本章讨论的问题：本章讨论的问题：2.空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗空穴是一种载流子吗？空穴导电时电子运动吗？3.什么是什么是N型半导体？什么是型半导体？什么是P型半导体？型半导体？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？当二种半导体制作在一起时会产生什么现象？4.PN结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具结上所加端电压与电流符合欧姆定律吗？它为什么具有单向性？在有单向性？在PN结中另反向电压时真的没有电流吗？结中另反向电压时真的没有电流吗？1.为什么采用半导体材料制作电子器件？第43页/共44页感谢您的观看。第44页/共44页