晶体二极管与应用ppt课件.ppt

第1章绪论第2章晶体二极管及应用第3章晶体三极管及应用第4章场效应管及基本放大电路第5章放大电路的频率响应第6章负反馈放大电路第7章双极型模拟集成电路的分析与应用第8章集成运算放大器的分析与应用第10章直流稳压源电路 课程章节 1 问题 1 为什么用半导体材料制作电子器件 2 PN结上所加的电压和电流符合欧姆定律吗 3 常用电子器件主要有哪些 4 各种器件有何功能 第二章晶体二极管及应用 2 第二章晶体二极管及应用 2 1半导体基础知识2 2PN结2 3半导体二极管 二极管 3 2 1半导体基础知识 一 半导体的特性二 本征半导体及半导体的能带三 杂质半导体 4 一 半导体特性 导体 导电率为105s cm 1 量级 如金属 S 西门子 绝缘体 导电率为10 22 10 14s cm 1量级 如 橡胶 云母 塑料等 导电能力介于导体和绝缘体之间 如 硅 锗 砷化镓等 半导体 半导体特性 掺入杂质则导电率增加几百倍 掺杂特性 半导体器件 温度增加使导电率大为增加 温度特性 热敏器件 光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势 光照特性 光敏器件光电器件 5 二 本征半导体及半导体的能带 本征半导体 完全纯净 结构完整的半导体晶体 纯度 99 9999999 九个9 它在物理结构上呈单晶体形态 常用的本征半导体 4 晶体特征 在晶体中 质点的排列有一定的规律 硅 锗 的原子结构简化模型 价电子 正离子 注意 为了方便 原子结构常用二维结构描述 实际上是三维结构 6 锗晶体的共价键结构示意图半导体能带结构示意图 价带中留下的空位称为空穴 自由电子定向移动形成电子流 本征半导体的原子结构和共价键 共价键内的电子称为束缚电子 外电场E 束缚电子填补空穴的定向移动形成空穴流 二 本征半导体及半导体的能带 续 挣脱原子核束缚的电子称为自由电子 7 1 本征半导体中有两种载流子 自由电子和空穴 它们是成对出现的 2 在外电场的作用下 产生电流 电子流和空穴流 电子流 自由电子作定向运动形成的方向与外电场方向相反自由电子始终在导带内运动 空穴流 价电子递补空穴形成的方向与外电场方向相同始终在价带内运动 二 本征半导体及半导体的能带 续 3 注意 本征半导体在热力学零度 0K 和没有外界能量激发下 晶体内无自由电子 不导电 载流子概念 运载电荷的粒子 8 本征半导体的载流子的浓度 电子浓度ni 表示单位体积内的自由电子数空穴浓度pi 表示单位体积内的空穴数 A0 与材料有关的常数EG0 禁带宽度T 绝对温度k 玻尔曼常数 1 本征半导体中电子浓度ni 空穴浓度pi 2 载流子的浓度与T EG0有关 二 本征半导体及半导体的能带 续 9 载流子的产生与复合 g 载流子的产生率即每秒成对产生的电子空穴的浓度 R 载流子的复合率即每秒成对复合的电子空穴的浓度 当达到动态平衡时g RR rnipi其中r 复合系数 与材料有关 二 本征半导体及半导体的能带 续 10 三 杂质半导体 杂质半导体 掺入杂质的本征半导体 掺杂后半导体的导电率大为提高 掺入的三价元素如B 硼 Al 铝 等 形成P型半导体 也称空穴型半导体 掺入的五价元素如P 磷 砷等 形成N型半导体 也称电子型半导体 11 N型半导体 5 5 在本征半导体中掺入的五价元素 如P 自由电子是多子 即多数载流子 空穴是少子 杂质原子提供 由热激发形成 由于五价元素很容易贡献电子 因此将其称为施主杂质 施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子 三 杂质半导体 续 12 5 5 自由电子是多子 即多数载流子 空穴是少子 问题 与本征半导体相比 N型半导体中空穴多了 还是少了 N型半导体 13 举例 锗原子密度为4 4 1022 cm3 锗本征半导ni 2 5 1013 cm3 若每104个锗原子中掺入1个磷原子 掺杂密度为万分之一 则在单位体积中就掺入了10 4 4 4 1022 4 4 1018 cm3个磷原子 则施主杂质浓度为 ND 4 4 1018 cm3 比ni大十万倍 杂质半导体小结 尽管杂质含量很少 如万分之一 但提供的载流子数量仍远大于本征半导体中载流子的数量 载流子的浓度主要取决于多子 即杂质 故使导电能力激增 半导体的掺杂 温度等可人为控制 14 P型半导体 3 3 在本征半导体中掺入的三价元素如B 自由电子是少子 空穴是多子 杂质原子提供 由热激发形成 因留下的空穴很容易俘获电子 使杂质原子成为负离子 三价杂质因而也称为受主杂质 三 杂质半导体 续 15 杂质半导体的载流子浓度 N型半导体 施主杂质的浓度NDn表示总电子的浓度p表示空穴的浓度 n p ND ND 施主杂质的浓度 p P型半导体 NA表示受主杂质的浓度 n表示电子的浓度p表示总空穴的浓度 p n NA NA 受主杂质的浓度 n 三 杂质半导体 续 说明 因掺杂的浓度很小 可近似认为复合系数R保持不变 在一定温度条件下 空穴与电子浓度的乘积为一常数 16 结论 在杂质型半导体中 多子浓度比本征半导体的浓度大得多 而少子浓度比本征半导体的浓度小得多 但两者乘积保持不变 三 杂质半导体 续 其中 ni表示本征材料中电子的浓度pi表示本征材料中空穴的浓度 n p ni pi ni2 C 17 2 2PN结 一 PN结的形成二 PN结的接触电位差三 PN结的伏安特性四 PN结的反向击穿五 PN结电容六 PN结的光电效应与电致发光 18 一 PN结的形成 P区 N区 扩散运动 载流子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动形成的电流成为扩散电流 内电场 内电场阻碍多子向对方的扩散即阻碍扩散运动同时促进少子向对方漂移即促进了漂移运动 扩散运动 漂移运动时达到动态平衡 耗尽层PN结 P区 N区 空穴 自由电子 负电荷 正电荷 19 内电场阻止多子扩散 浓度差 多子的扩散运动 由杂质离子形成空间电荷区 空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移 扩散运动 多子从浓度大向浓度小的区域扩散 称扩散运动 扩散运动产生扩散电流 漂移运动 少子向对方漂移 称漂移运动 漂移运动产生漂移电流 动态平衡 扩散电流 漂移电流 PN结内总电流 0 PN结 稳定的空间电荷区 又称高阻区 也称耗尽层 一 PN结的形成 续 P区 N区 20 内电场 的建立 使PN结中产生了电位差 从而形成接触电位U 接触电位U 决定于材料及掺杂浓度 二 PN结的接触电位差 硅 U 0 6 0 7V锗 U 0 2 0 3V 21 三 PN结的伏安特性 1 PN结加正向电压时的导电情况 原理 外电场方向与PN结内电场方向相反 削弱了内电场 于是内电场对多子扩散运动的阻碍减弱 扩散电流加大 扩散电流远大于漂移电流 可忽略漂移电流的影响 P区的电位高于N区的电位 称为加正向电压 简称正偏 内 外 结论 PN结正偏时 呈现低阻性 22 2 PN结加反向电压时的导电情况 原理 外电场与PN结内电场方向相同 增强内电场 内电场对多子扩散运动阻碍增强 扩散电流大大减小 少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流 可忽略扩散电流 P区的电位低于N区的电位 称为加反向电压 简称反偏 内 外 三 PN结的伏安特性 续 结论 PN结反偏时 呈现高阻性 近似为截止状态 23 结论是 PN结具有单向导电性 小结 PN结加正向电压时 呈现低电阻 具有较大的正向扩散电流 PN结加反向电压时 呈现高电阻 具有很小的反向漂移电流 三 PN结的伏安特性 续 问题 有必要加电阻R吗 24 PN结两端的电压与流过PN结电流的关系式 式中Is 饱和电流 UT kT q 等效电压k 波尔兹曼常数 q为电子的电量 T 300k 室温 时UT 26mv 由半导体物理可推出 三 PN结的伏安特性 续 3 PN结电流方程 25 当加反向电压时 当加正向电压时 U UT 三 PN结的伏安特性 续 结电流方程 26 四 PN结的反向击穿 反向击穿 PN结上所加的反向电压达到某一数值时 反向电流激增的现象 雪崩击穿 当反向电压增高时 少子获得能量高速运动 在空间电荷区与原子发生碰撞 产生碰撞电离 形成连锁反应 象雪崩一样 使反向电流激增 齐纳击穿 当反向电压较大时 强电场直接从共价键中将电子拉出来 形成大量载流子 使反向电流激增 击穿是可逆 掺杂浓度小的二极管容易发生 击穿是可逆 掺杂浓度大的二极管容易发生 不可逆击穿 热击穿 PN结的电流或电压较大 使PN结耗散功率超过极限值 使结温升高 导致PN结过热而烧毁 27 五 PN结电容 势垒电容CB 当外加电压不同时 耗尽层的电荷量随外加电压而增多或减少 与电容的充放电过程相同 耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容 28 扩散电容是由多子扩散后 在PN结的另一侧面积累而形成的 因PN结正偏时 由N区扩散到P区的电子 与外电源提供的空穴相复合 形成正向电流 刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近 形成一定的多子浓度梯度分布曲线 五 PN结电容 续 注意 势垒电容和扩散电容均是非线性电容 并同时存在 外加电压变化缓慢时可以忽略 但是变化较快时不容忽略 扩散电容CD 外加电压不同情况下 P N区少子浓度的分布将发生变化 扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同 这种电容等效为扩散电容 29 PN结的电致发光 如果在PN结加正偏电压E 外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用 在外加电场满足一定条件下 注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率 从而在半导体内产生光增益 六 PN结的光电效应及电致发光 P N 30 PN结的光电效应 PN结用导线连接成回路时 载流子面临PN结势垒的阻挡 在回路中不产生电流 当有光照射PN结材料上时 若光子能量大于半导体的禁带宽度 则在PN结的耗尽区 P区 N区内产生光生的电子 空穴对 耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区 空穴移向P区 在回路内形成光电流 而P N区内产生的光子无内建电场的作用只进行自由的扩散运动 多数因复合而消失 对光电流基本没有贡献 IP 注意 为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子 PN结需加适当的反向偏压 六 PN结的光电效应及电致发光 31 一 晶体二极管的结构类型二 晶体二极管的伏安特性三 晶体二极管的等效电阻四 光电二极管五 发光二极管六 稳压二极管七 变容二极管八 二极管的典型应用 2 3晶体二极管 32 一 晶体二极管的结构类型 在PN结上加上引线和封装 就成为一个二极管 二极管按结构分 点接触型 面接触型 平面型 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 往往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 33 伏安特性 是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线 1 当加正向电压时 PN结电流方程为 2 当加反向电压时 I随U 呈指数规率 I Is I基本不变 二 晶体二极管的伏安特性 34 晶体二极管的伏安特性 正向起始部分存在一个死区或门坎 称为门限电压 硅 Ur 0 5 0 6V 锗 Ur 0 1 0 2V 加反向电压时 反向电流很小即Is硅 nA Is锗 A 硅管比锗管稳定 当反压增大VBR时再增加 反向激增 发生反向击穿 VBR称为反向击穿电压 实测伏安特性 二 晶体二极管的伏安特性 续 材料门限电压导通电压Is A硅0 5 0 6V0 7V 0 1锗0 1 0 2V0 3V几十 35 非线性电阻 用直流电阻 也称静态电阻 和交流电阻 又称动态电阻或微变电阻 来描述二极管的电阻特性 1 直流电阻RD的计算方法 定义 二极管两端的直流电压UD与电流ID之比 D 三 晶体二极管的等效电阻 UQ IQ 36 三 晶体二极管的等效电阻 续 直流电阻的求解方法 借助于静态工作点Q IQ UQ 来求 方法一 解析法 列写二极管电流方程和电路方程 解方程组 得到二极管静态工作电流IQ和电压UQ 37 三 晶体二极管的等效电阻 续 方法二 图解法 U ED IRL 绘制直流负载线 U 0I ED RL I 0U ED ED RL ED Q 由静态工作点Q点得IQ和UQ 从而求出直流电阻 直流负载线与伏安特性曲线的交点 由电路可列出方程 38 2 交流电阻rD的计算方法 室温 T 300K 下 UT 26mV 交流电阻 r 26mV IQ mA 定义 注意 交流电阻rD与其静态工作点Q有关 说明 二极管正偏时 rD很小 几至几十欧姆 二极管反偏时 rD很大 几十千至几兆欧姆 39 四 光电二极管 1定义 有光照射时有电流产生的二极管 2类型 PIN型 PN型 雪崩型 3结构 和普通的二极管基本相同 4工作原理 利用光电导效应工作 PN结工作在反偏态 当光照射在PN结上时 束缚电子获得光能变成自由电子 形成光生电子 空穴对 在外电场的作用下形成光生电流 注意 光电二极管在反压状态工作 40 1 定义 将电能转换成光能的特殊半导体器件 3 常用驱动电路 直流驱动电路 交流驱动电路 普通发光二极管红外发光二极管 2 类型 五 发光二极管 4 工作原理 当管子加正向电压时 在正向电流激发下 管子发光 属电致发光 注意 发光二极管在加正向电压时才发光 41 六 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 稳压特性 在反向击穿时 电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变 正向部分与普通二极管相同 注意 稳压管工作区在反向击穿区 特性参数 1 稳定电压VZ 反向击穿电压 2 最大工作电流Izmax 受耗散功率的限制 使用时必须加限流电阻 VZ 42 稳压二极管 特性参数 1 稳定电压VZ 2 最大工作电流Izmax 3 动态电阻 RZ很小 十几欧姆 几十欧姆 稳压管使用方法 稳压二极管在工作时应反接 并串入一只电阻 电阻R的作用 一是起限流作用 以保护稳压管 二是当输入电压或负载电流变化时 通过该电阻上电压降的变化 取出误差信号以调节稳压管的工作电流 从而起到稳压作用 六 稳压二极管 续 Z 43 七 变容二极管 变容二极管 利用PN结的势垒电容CT随外电压U的变化而变化的特点制成的二极管 符号 注意 变容二极管使用时应加反向电压 44 半导体二极管图片 45 半导体二极管图片 46 半导体二极管图片 47 半导体二极管图片 48 半导体二极管图片 49 半导体二极管图片 50 半导体二极管型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 附录 51 应用一 整流电路 整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路 半波整流 iD uL 八 二极管的应用 半波整流输出电压平均值为 UDC 其中 U2是u2的有效值E2m是u2的最大值 E2m 52 全波整流 八 二极管的典型应用 续 53 桥式整流 UDC 0 9U2 八 二极管的典型应用 续 u2 0时 u2 0时 54 应用二 LED显示器 a b c d f g 5V 共阳极电路 共阴极电路 控制端为高电平对应二极管发光 控制端为低电平对应二极管发光 e 55 应用三 稳压电路 工作原理 利用稳压二极管提供稳定的直流电压 应用四 限幅电路 工作原理 利用二极管单向导电性 限定输出信号的幅度 56 应用五 钳位电路 工作原理 当输入ui 0时 二极管瞬间导通 C快速充电 电容两端电压uc V1 充电结束后输出uo 0 当输入ui 0时 二极管截止 C充放电缓慢 输出uo uc ui V1 V2 钳位电路的作用 利用二极管和电容构成的钳位电路把一个双向的周期信号信号转变为单向的信号 并保持原信号波形的电路 57 小结 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的一种物体 具有一系列特殊的性能 如掺杂 光照和温度都可以改变半导体的导电性能 利用这些性能可制作成具有各种特性的半导体器件 PN结是构成半导体器件的基础 具有单向导电性 非线性电阻特性 电容效应 击穿稳压特性 当PN结加正向电压时 PN结导通 呈现低阻特性 当PN结加反向电压时 PN结截止 呈现高阻特性 58 晶体二极管实际上就是一个PN结 描述二极管的性能常用二极管的伏安特性 可用二极管的电流方程来描述 即二极管两端的电压和流过的电流满足I Is eU UT 1 硅管 当UD 0 7V时 二极管导通 导通后 UD 0 7V锗管 当