模拟电路第一章-二极管.ppt

第一章常用半导体器件,第一章常用器件,半导体,金属,惰性气体,硅、锗,4,=4,小,易,大,二者之间,不易,二者之间,半导体,1.1.1本征半导体,1.1半导体基础知识,纯净的晶体结构的半导体,无杂质,?,半导体硅和锗的最外层电子（价电子）都是四个。,结构特点,通过一定的工艺过程，可将其制成晶体。,即为本征半导体,本征半导体的结构示意图,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共用电子,常温下价电子很难脱离共价键成为自由电子,导电能力很弱,+4,+4,+4,+4,热和光的作用,自由电子,空穴,一些价电子获得足够的能量而脱离共价键束缚,电子空穴对,本征激发,（热激发）,带正电,带负电,游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合,+4,+4,+4,+4,在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移。,空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,本征半导体的两种载流子,温度越高，载流子的浓度越高，导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素。这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。,在本征半导体中掺入少量合适的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,1.1.2杂质半导体,N型半导体,磷原子,多余电子,掺入少量的五价元素磷（或锑）,取代，形成共价键,多出一个电子,磷原子成为不能移动的正离子,施主原子,N型半导体中的载流子是什么？,1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,Negative,空位,硼原子,空穴,P型半导体,掺入少量的三价元素硼（或铟）,取代，形成共价键,产生一个空位,吸引束缚电子来填补,受主原子,硼原子成为不能移动的负离子,空穴是多子，电子是少子,Positive,(3)、杂质半导体的示意表示法,P型半导体,N型半导体,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。,近似认为多子与杂质浓度相等。,小结,4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。,5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。,1、半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间。,2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。,3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。,一、PN结的形成,利用掺杂工艺，将P型半导体和N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面处就形成了PN结。,1.1.3PN结,N型半导体,P型半导体,PN结,物质因浓度差会产生扩散运动,N区自由电子浓度远高于P区。,P区空穴浓度远高于N区。,自由电子,空穴,空间电荷区，也称耗尽层。,扩散的结果是产生空间电荷区。,内电场E,+,-,在电场力作用下，载流子产生的运动称为漂移运动,自由电子,空穴,最终扩散和漂移这一对相反的运动达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,多子的扩散运动,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,总结,因浓度差,由杂质离子形成空间电荷区,达到平衡，空间电荷区宽度固定不变,二、PN结的单向导电性,PN结正向偏置,P,N,+,_,外加电源将使扩散运动源源不断的进行，形成正向电流，PN结导通,PN结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。PN结截止,R,E,PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流，PN结截止。,总结,三、PN结VCR方程,PN结两端的外电压u与流过PN结的电流i之间的关系,UT:温度电压当量，=kT/q，一般取值为26mv；k为玻耳曼常数T为热力学温度q为电子电荷量,IS：反向饱和电流,A,B,C,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，在扩散过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。,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！,1.2半导体二极管,阴极引线,阳极引线,1.2.1半导体二极管的结构类型,按结构分类,点接触型,面接触型,平面型,(1)点接触型二极管,PN结面积小,不能通过较大的电流,结电容小,工作频率高,适用于高频电路和小功率整流,(2)面接触型二极管,PN结面积大,能通过较大的电流,结电容大,能在低频下工作,一般仅作为整流管使用,合金法,PN结面积可大可小,视结面积的大小用于大功率整流和开关电路中,二极管的电路符号,阳极,阴极,二端无源元件,(3)平面型二极管,扩散法,半导体二极管图片,1.2.2半导体二极管的伏安特性曲线,二极管,近似分析时：,(1)二极管和PN结伏安特性的区别,二极管存在半导体体电阻和引线电阻,二极管表面漏电流,单向导电性,几点说明,二极管的正向特性,u0,0uUon,Uon,开启电压,正向电流为零,uUon,开始出现正向电流，并按指数规律增长。,二极管的反向特性,uUZ时作用同二极管,u增加到UZ时，稳压管击穿,(a),2、稳压管的主要参数,规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。,(1)稳定电压UZ,稳压管低于此值稳压情况变坏，常记作IZmin,(2)稳定电流IZ,工作在稳压区时，端电压变化量与其电流变化量之比,(3)动态电阻rZ,rZ=UZ/IZ,(4)额定功耗PZM,PZM=UZIZmax,最大稳定电流,(5)温度系数,表示温度每变化1稳压值的变化量,例1电路如图所示，设ui=6sintV，试绘出输出电压uo的波形。设DZ为硅稳压二极管，稳定电压为5V,正向导通压降忽略不计。,解：,ui-3V,D导通,uo=-3V,ui-3V,D截止,uo=ui,2V,2Vui,D反向击穿,uo=2V,A,B,VB=ui,VA=-3V,例2稳压管的稳定电UZ=6V,最小稳定电流IZmin=5mA,最大稳定电流IZmax=25mA,负载电阻RL=600。求限流电阻R的取值范围。,解：,UO=UZ,=6V,IL=,UO,RL,6,