晶体二极管PPT课件.ppt

第1章晶体二极管,1,.,学习目标要求,1、了解PN结的基本特性2、熟悉晶体二极管的数学模型、曲线模型、简化电路模型，掌握各种模型的特点及应用场合3、熟悉二极管电路的三种分析方法：图解法、简化分析法、小信号分析法。能熟练利用简化分析法分析各种功能电路4、了解各种特殊二极管的特点及应用,2,1.1半导体的基础知识,3,1.1半导体的基础知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。半导体的电阻率为10-3109cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,杂敏性、热敏性、光敏性,4,+4表示除去价电子后的原子,1.1半导体的基础知识,1.1.1本征半导体（Intrinsicsemiconductor）,本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。,共价键共用电子对,在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。,5,1.1半导体的基础知识,这一现象称为本征激发，也称热激发。,当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。,自由电子,空穴,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。,6,可见本征激发同时产生电子空穴对。外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。,与本征激发相反的现象复合,电子空穴对,1.1半导体的基础知识,7,1.1半导体的基础知识,在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。,常温300K时：,载流子存在于物质中可以自由移动的带电粒子。,热平衡载流子的浓度：,8,自由电子带负电荷电子流,动画演示,总电流,空穴（束缚电子）带正电荷空穴流,本征半导体的导电性弱，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。,导电机制,9,1.1半导体的基础知识,1.1.2杂质半导体杂敏性,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。,1.N型半导体,在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。,在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。,2.P型半导体,10,1.1半导体的基础知识,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,多数载流子自由电子,少数载流子空穴,施主离子,自由电子,电子空穴对,11,1.1半导体的基础知识,空穴,硼原子,硅原子,多数载流子空穴,少数载流子自由电子,受主离子,空穴,电子空穴对,P型半导体,12,1.1半导体的基础知识,杂质半导体的示意图,多子电子,少子空穴,多子空穴,少子电子,少子浓度与温度有关,多子浓度与温度无关,13,1.1半导体的基础知识,杂质半导体中载流浓度计算,14,1.1半导体的基础知识,1.1.3两种导电机理漂移和扩散,漂移与漂移电流,载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。,总漂移电流密度：,15,1.1半导体的基础知识,半导体的电导率,电压：V=El,电流：I=SJt,电阻：,电导率：,16,1.1半导体的基础知识,光照对引起的电导率,光照产生的载流子将叠加在热平衡浓度值上，称为非平衡载流子，浓度值,光电导率,17,1.1半导体的基础知识,载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。,扩散电流密度：,扩散与扩散电流,18,小结,半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子，故有一定的导电能力，其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，P型半导体空穴是多子，自由电子是少子，N型半导体中自由电子式多子，空穴是少子半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关半导体有两种导电方式：电场作用下产生的漂移电流和非平衡载流子浓度差作用下产生的扩散电流,19,1.2PN结,利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。,PN结,N型,20,1.2PN结与二极管,1.2.1动态平衡下的PN结,将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结,1.阻挡层形成的物理过程,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,21,1.2PN结与二极管,动画演示,动态平衡：,扩散电流漂移电流,总电流0,22,1.2PN结,2、内建电位差：,3、阻挡层宽度：,注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越大，阻挡层宽度l0越小。,23,1.2PN结与二极管,1.2.2PN结的伏安特性,1、加正向电压（正偏）电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流IF,24,1.2PN结与二极管,2、加反向电压电源正极接N区，负极接P区,外电场的方向与内电场方向相同。外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流IR,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。,25,1.2PN结,PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,动画演示,26,1.2PN结,PN结伏安特性方程式,PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：,其中：,IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。,正偏时：,反偏时：,3.PN结的伏安特性,27,1.2PN结,PN结伏安特性曲线,O,28,1.2PN结,1.2.3PN结的击穿特性,O,29,热击穿：PN结过热,热击穿烧坏PN结,电击穿可逆：齐纳击穿、雪崩击穿,3、稳压二极管,利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。,要求：IZminCD，则CjCT,PN结总电容：Cj=CT+CD,PN结正偏时，CDCT，则CjCD,故：PN结正偏时，以CD为主。,故：PN结反偏时，以CT为主。,通常：CD几十pF几千pF。,通常：CT几pF几十pF。,35,4、变容二极管,（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度）,36,1.2PN结,1.2.6PN结的开关特性,1、由于二极管导通电压Von的存在，只有二极管两端的正偏电压大于Von时，才可认为二极管作为开关导通。锗比硅的导通特性好。,2、二极管导通电阻的存在，只有负载电阻远大于二极管导通电阻时，才可忽略该电阻。,3、二极管反向饱和电流不等于0，硅比锗的截止特性好,4、二极管结电容的存在，导通和截止都需要一定时间，称正向恢复时间和反向恢复时间。,37,1.2PN结与二极管,1.2.7二极管,1.二极管的结构和符号,二极管=PN结+管壳+引线,（1）二极管的内部结构及符号,(a)点接触型,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,38,1.2PN结与二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,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。,39,1.2PN结与二极管,（2）二极管的类型,按PN结结构分：有点接触型和面接触型二极管。,按用途划分：有整流二极管、检波二极管、稳压二极管、开关二极管、发光二极管、变容二极管等。,按半导体材料分：有硅二极管、锗二极管等。,40,1.2PN结与二极管,（3）半导体二极管的命名,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,41,1.2PN结与二极管,日本对半导体器件型号的命名举例如下：,2SA733,两位以上整数表示在JEIA注册登记的顺序号,42,1.2PN结与二极管,美国半导体器件型号命名及含义,1N4007,用字母A、B、C表示同一型号器件的不同档次,1代表二极管，2代表三极管,3三个PN结器件，n,43,1.2PN结与二极管,2.二极管的伏安特性,正向特性,硅管的伏安特性,在二极管的两端加上电压，测量流过管子的电流，则I=f(U)之间的关系曲线为伏安特性。,44,1.2PN结与二极管,二极管具有单向导电性。加正向电压时导通，呈现很小的正向电阻，如同开关闭合；加反向电压时截止，呈现很大的反向电阻，如同开关断开。,从二极管伏安特性曲线可以看出，二极管的电压与电流变化不呈线性关系，其内阻不是常数，所以二极管属于非线性器件。,45,1.2PN结与二极管,3、二极管的主要参数,1）最大整流电流IF,二极管长期运行时，允许通过的最大正向平均电流。,2）最高反向工作电压UR,工作时允许加在二极管两端的反向电压值。通常将击穿电压UBR的一半定义为UR。,3）反向饱和电流IR,通常希望IR值愈小愈好。,4）最高工作频率fM,fM值主要决定于PN结结电容的大小。结电容愈大，二极管允许的最高工作频率愈低。反偏时，取决于势垒电容，正偏时，取决于扩散电容,46,小结与思考题,PN结具有单向导电性，用PN结可以制成多种多样的半导体器件二极管的特性与参数和温度的关系非常密切，使用时应特别注意使用二极管时，不能超过其参数规定的额度,1.如何用万用表的欧姆档来判断一只二极管的阴阳极及其好坏2.比较硅、锗两种二极管的性能，在工程实践中，为什么硅二极管应用较普遍？3.把二极管短路是否应该有电流流通？把一个有玻璃壳的二极管刮去外面的黑漆，两端接一微安表，不接任何电源，在光照之下电表是否有指示？把它加温到50度，过一段时间后，电表是否有指示？,47,1.3晶体二极管电路的分析方法,晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：,便于计算机辅助分析的数学模型,适于任一工作状态的通用曲线模型,48,1.3晶体二极管电路的分析方法,1.3.1晶体二极管的模型,数学模型伏安特性方程式,理想模型：,修正模型：,rS体电阻+引线接触电阻+引线电阻,注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS理想IS。,49,1.3晶体二极管电路的分析方法,曲线模型伏安特性曲线,晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。,50,1.3晶体二极管电路的分析方法,等效电路模型,折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。,理想状态：与外电路相比，VD(on)和RD均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号。,开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。,简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。,51,1.3晶体二极管电路的分析方法,小信号电路模型,rs：PN结串联电阻，数值很小。,rj：为二极管增量结电阻。,Cj：PN结结电容，由CD和CT两部分构成。,注意：高频电路中，需考虑Cj影响。因高频工作时，Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj的交流旁路作用而变差。,52,1.3晶体二极管电路的分析方法,1、图解法,分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。(重点掌握简化分析法),写出管外电路直流负载线方程。,1.3.2晶体二极管电路分析方法,利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。,要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。,分析步骤：,作直流负载线。,分析直流工作点。,优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。,53,1.3晶体二极管电路的分析方法,例1已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。,Q,由图可写出直流负载线方程：V=VDD-IR,在直流负载线上任取两点：,解：,VDD,VDD/R,连接两点，画出直流负载线。,VQ,IQ,令I=0，得V=VDD；,令V=0，得I=VDD/R；,所得交点(VQ,IQ)，即为Q点。,54,1.3晶体二极管电路的分析方法,2、等效电路分析法,即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。,将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。,(1)估算法,判断二极管是导通还是截止？,假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。,理想二极管：若V0，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。,当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。,55,例1.如图电路，求UDD=1V和UDD=10V时的电流I。,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,当UDD=10V时，,56,理想模型,恒压模型,（硅二极管典型值）,折线模型,（硅二极管典型值）,设,在电源电压远远大于二极管管压降的情况下，恒压降模型能得出比较合理的结果，但当电源电压较低时，折线模型能够提供较合理的结果，正确选择器件的模型，是电子电路工作者必须掌握得基本技能。,57,例2设二极管是理想的，求VAO值。,图(a)，假设D开路，则D两端电压：,VD=V1V2=(612)V=18V0V，,VD2=V2(V1)=15V0V。,由于VD2VD1，则D2优先导通。,此时VD1=6V2V时，D导通，则vO=vi,vi2V时，D截止，则vO=2V,由此可画出vO的波形。,59,小信号分析法,即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用小信号电路模型代替