1半导体二极管ppt课件

第1章 半导体二极管及其基本电路 授课教师 季顺宁 本章主要内容 介绍半导体的基本知识 半导体器件的核心环节 PN结的形成及其特性 简介半导体二极管的结构及主要参数 半导体二极管的几种常用等效电路及其应用 简介几种特殊二极管 除 稳压管 外均作为一般了解内容 目录 1 1半导体的基本知识 1 3半导体二极管 1 4二极管基本电路及其分析方法 1 5特殊二极管 返回 1 2PN结的形成及特性 1 1半导体的基本知识 在自然界中 根据物质导电能力的差别 可将它们划分为导体 绝缘体和半导体 如 金属 如 橡胶 陶瓷 塑料和石英等等 返回 半导体 常见的半导体材料有 锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 其中最典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 这种物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 一 半导体的共价键结构 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 半导体的导电性能是由其原子结构决定的 为方便起见 常表示如下 半导体的共价键结构图 共价键共用电子对 共价键 正离子核 二 本征半导体 定义 纯净的 不含其他杂质的半导体 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚其中 不能成为自由电子 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 T 0K时本征半导体结构图 温度升高后 本征半导体结构图 动画演示 自由电子 空穴 温度升高后 本征半导体结构图 动画演示 这一现象称为本征激发 也称热激发 电子空穴对 温度升高后 本征半导体结构图 4 4 4 4 电子空穴对 复合 与本征激发现象相反 即自由电子遇到空穴并填补空穴 从而使两者同时消失的现象 在一定温度下 本征激发与复合这二者产生的电子 空穴对数目相等 达到一种动态平衡 温度升高后 本征半导体结构图 4 4 4 4 电子空穴对 本征半导体的导电机制 4 4 4 4 自由电子 空穴 本征半导体中产生电流的根本原因 共价键中空穴的出现 空穴越多 载流子数目就越多 形成的电流就越大 自由电子 带负电荷 形成电子流 两种载流子 空穴 视为带正电荷 形成空穴流 本征半导体的导电机制 4 4 4 4 自由电子 空穴 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 三 杂质半导体 在硅 或锗 的晶体中掺入少量3价杂质元素 如硼 镓等 1 P型半导体 空穴 多数载流子 多子 空穴 少数载流子 少子 自由电子 空穴的来源 1 本征激发产生 少量的 2 掺入杂质元素后多余出来的 大量的 在硅 或锗 的晶体中掺入少量3价杂质元素 如硼 镓等 1 P型半导体 空穴 受主原子 多数载流子 多子 空穴 少数载流子 少子 自由电子 自由电子的来源 只有本征激发产生 少量的 多数载流子 多子 自由电子 少数载流子 少子 空穴 在硅 或锗 的晶体中掺入少量5价杂质元素 如磷 砷等 2 N型半导体 多余的电子 自由电子的来源 1 本征激发产生 少量的 2 掺入杂质元素后多余出来的 大量的 多数载流子 多子 自由电子 少数载流子 少子 空穴 在硅 或锗 的晶体中掺入少量5价杂质元素 如磷 砷等 2 N型半导体 多余的电子 施主原子 空穴的来源 只有本征激发产生 少量的 杂质半导体的示意表示方法 P型半导体 N型半导体 少子浓度 只与温度有关 多子浓度 主要受掺入杂质浓度的影响 负离子 空穴 正离子 自由电子 杂质半导体的示意表示方法 P型半导体 N型半导体 负离子 空穴 正离子 自由电子 半导体知识 小结 半导体与导体在导电机理上的区别 导体的载流子只有一种 自由电子 半导体的载流子有两种 自由电子和空穴 何谓本征半导体和杂质半导体 杂质半导体分类 同前面所讲 1 2PN结的形成及特性 一 PN结的形成 返回 耗尽层 动画演示 PN结 势垒区 阻挡层 V0 电位势垒 耗尽层 动画演示 PN结 势垒区 阻挡层 V0 电位势垒 由上可知 PN结中进行着两种载流子的运动 多数载流子的扩散运动 少数载流子的漂移运动 空间电荷的变化趋势 注意 此时为无外加电压状态 到达平衡时 空间电荷区的宽度也达到稳定 外加正向电压 二 PN结的单向导电性 前提 只有在外加电压时才会显示出来 PN结加正向电压时导通 外电场 P区 N区 多子空穴 多子电子 VF 空间电荷区 内电场 扩散运动 PN结加正向电压时导通 内电场 外电场 P区 N区 多子空穴 多子电子 VF PN结加正向电压时导通 变薄 内电场 外电场 P区 N区 多子空穴 多子电子 IF VF 正向电流 I 扩散电流 PN结加正向电压时导通 变薄 内电场 外电场 P区 N区 IF VF I 扩散电流 PN结加正向电压时导通 动画演示 外加反向电压 PN结加反向电压时截止 空间电荷区 内电场 外电场 P区 N区 少子电子 少子空穴 VR 漂移运动 PN结加反向电压时截止 内电场 外电场 P区 N区 VR IR I 漂移电流 反向电流 PN结加反向电压时截止 内电场 外电场 P区 N区 VR IR I 漂移电流 PN结加反向电压时截止 动画演示 归纳 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 在于它的耗尽层的存在 且其宽度随外加电压而变化 这就是PN结的单向导电性 PN结V I特性的表达式 以硅二极管PN结为例 可参见教材P37图2 2 5 式中 IF IR A PN结V I特性的表达式 以硅二极管PN结为例 可参见教材P37图2 2 5 IF IR A PN结V I特性的表达式 以硅二极管PN结为例 可参见教材P37图2 2 5 IF IR A PN结的反向击穿 反向击穿电压 反向击穿 电击穿 热击穿 雪崩击穿 齐纳击穿 1 3半导体二极管 一 半导体二极管的结构 二极管的几种常见外形 返回 二极管的几种常见结构 可参见教材P39图2 3 1 二极管的符号 a 点接触型 b 面接触型 c 集成电路中的平面型 a k Anode Cathode 几种常见二极管实物图 触发二极管 开关二极管 半导体二极管的型号 二 二极管的V I特性 它的大小与二极管的材料及温度等因素有关 关于死区电压 二 二极管的V I特性 关于死区电压 与温度的关系 IF 最大整流电流 三 二极管的参数 指二极管长期运行时 允许通过的最大正向平均电流 VBR 反向击穿电压 指管子反向击穿时的电压值 一般手册上给出的最大反向工作电压约为VBR的一半 三 二极管的参数 低频或中频信号时二极管极间电容作用不予考虑 高频信号时才考虑作用 1 4二极管基本电路及其分析方法 理想模型 正偏时 管压降为0V 即vD 0V 反偏时 认为R 电流为0 适用 当电源电压远比二极管的管压降大时可用 返回 恒压降模型 恒压降模型 iD vD VON VON vD iD 当二极管导通后 认为其管压降vD VON 对硅而言 常取vD VON 0 7V 适用 只有当二极管的电流iD近似等于或大于1mA时才正确 应用较广泛 折线模型 折线模型 iD vD Vth Vth vD iD 当二极管正向vD大于Vth后其电流iD与vD成线性关系 直线斜率为1 rD 截止时反向电流为0 Vth为二极管的门槛电压 约为0 5V 折线模型 折线模型 iD vD Vth Vth vD iD 小信号模型 也称二极管的微变等效电路 可参见教材P47图2 4 4 求rd 小信号模型 也称二极管的微变等效电路 模型分析法应用举例 1 二极管电路的静态工作情况分析 设简单二极管基本电路如图a所示 R 10k 图b是它的习惯画法 对于下列两种情况 求电路的ID和VD的值 1 VDD 10V 2 VDD 1V 在每种情况下 应用理想模型 恒压降模型和折线模型求解 例1 a 简单二极管电路 b 习惯画法 恒压降模型 当VDD 10V时 折线模型 二者相比较 ID间相差0 001mA VD间相差0 01V 恒压降模型 当VDD 1V时 折线模型 二者相比较 ID间相差0 019mA VD间相差0 19V 例题表明 在电源电压远大于二极管管压降的情况下 利用恒压降模型就能得到比较合理的结果 当电源电压较低时 需要采用折线模型才能得到更合理的结果 2 限幅电路 一限幅电路如图所示 R 1k VREF 3V 1 vI 0V 4V 6V时 求相应的输出电压vO的值 2 当vi 6sin tV时 绘出相应当输出电压vO的波形 例2 当vI 4V时 当vI 6V时 A B 2 当vi 6sin tV时 求vO的波形 先画出电压传输特性曲线 绘制输出电压vO的波形 方法 按照输入电压的波形通过传输特性用描点法可以画出 3 开关电路 一二极管开关电路如图所示 当vI1和vI2为0V或5V时 求vI1和vI2的值不同组合情况下 输出电压vO的值 设二极管是理想的 例3 解 逻辑与 4 低电压稳压电路 在下图的低电压稳压电路中 直流电源电压VI的正常值为10V R 10k 若VI变化 1V时 问相应的硅二极管电压 输出电压 的变动如何 例4 VI R D vO iD vD 请同学们自己看书 1 5特殊二极管 一 齐纳二极管 稳压管 VZ 表示反向击穿电压 即稳压管的稳定电压 返回 稳压电路 分析 例如 假设VI恒定 而RL减小 则有 IO IZ不变 IR VR VI恒定 VO IZ IR VR VI恒定 VO 使用稳压管组成稳压电路时 需注意几点 1 应使外加电源的正极接管子的N区 电源的负极接P区 以保证稳压管工作在反向击穿区 2 稳压管应与负载电阻RL并联 由于稳压管两端电压的变化量很小 因而使输出电压比较稳定 3 必须限制流过稳压管的电流IZ 不要超过规定值 以免因过热而烧坏管子 稳压管的一种实物图 黑头一侧为阴极 即k端 二 光电管和发光管 光电管 可用来作为光的测量 是将光信号转换为电信号的常用器件 发光管 发光 最常见的有红 黄 绿等颜色 实际中 二者配合使用的情况很多 如遥控电视机 光缆传输电信号等 接收光 几种普通发光二极管实物图 长脚为正极 大头为负极 本章小结 1 电子电路中常用的半导体器件有二极管 稳压管 双极型三极管和场效应管等 制造这些器件的主要材料是半导体 例如硅和锗等 半导体中存在两种载流子 电子和空穴 纯净的半导体称为本征半导体 它的导电能力很差 掺有少量其他元素的半导体称为杂质半导体 杂质半导体分为两种 N型半导体 多数载流子是电子 P型半导体 多数载流子是空穴 本章小结 2 当把P型半导体和N型半导体结合在一起时 在二者的交界处形成一个PN结 这是制造各种半导体器件的基础 所以PN结这个概念在电子技术中是相当重要的 必须很好的理解 PN结中的P型半导体与N型半导体的交界处形成一个空间电荷区或耗尽层 当PN结外加正向电压 正向偏置 时 耗尽区变窄 有电流流过 而当外加反向电压 反向偏置 时 耗尽区变宽 没有电流流过或电流极小 这就是半导体二极管的单向导电性 本章小结 3 常用V I特性来描述PN结二极管的性能 V I特性的理论表达式为 二极管的主要参数有最大整流电流 最高反向工作电压和反向击穿电压 在高频电路中 还要考虑极间电容的影响 齐纳二极管是一种特殊二极管 利用它在反向击穿状态下的恒压特性 常用