半导体二极管及基本电路ppt课件

第一章半导体二极管及基本电路 模拟电子技术基础 第一章半导体二极管及基本电路 1 1半导体的基本知识 1 2PN结的形成及特性 1 3二极管及伏安特性 1 5二极管基本电路及分析方法 1 6特殊二极管 1 4二极管的等效模型 1 1半导体的基本知识 一 本征半导体 无杂质 稳定的结构 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体 1 半导体 导电物质可分为 导体 金属 绝缘体 惰性气体 橡皮 瓷等 半导体 介于以上两者之间 如硅 锗等 半导体的导电特性 1 半导体导电能力受环境影响很大 1 受温度 当温度改变时 其导电能力改变 热敏元件 2 受光照 当光照强度改变时 其导电能力改变 光敏元件 2 半导体中掺入杂质 其导电能力大大增强 2 本征半导体 纯半导体 Si 14个电子 2 8 4 Ge 32个电子 2 8 18 4 价电子数可决定物质化学性质 1 2 晶体结构 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 自由电子 空穴 本征激发产生成对的自由电子和空穴 3 本征半导体的导电机理 温度愈高或光照越强 晶体中产生的成对的自由电子和空穴便愈多 自由电子和空穴形成两种载流子 在外电场的作用下 空穴吸引相邻原子的价电子来填补 而在该原子中出现一个空穴 其结果相当于空穴的运动 相当于正电荷的移动 注意 1 本征半导体中载流子数目极少 其导电性能很差 2 温度愈高 载流子的数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 二 N型半导体和P型半导体 杂质半导体 多余电子 磷原子 在本征半导体中掺入微量的5价元素 形成N型半导体 在常温下即可变为自由电子 1 N型半导体 多数载流子 自由电子 少数载流子 空穴 动画 2 P型半导体 硼原子 空穴 注意 无论N型或P型半导体都是中性的 其正负电荷数相等 对外不显电性 不带电 在本征半导体中掺入微量的3价元素 形成P型半导体 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 动画 杂质半导体主要靠多数载流子导电 掺入杂质越多 多子浓度越高 导电性越强 实现导电性可控 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c 4 在外加电压的作用下 P型半导体中的电流主要是 N型半导体中的电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 b a 1 2PN结及单向导电性 一 PN结的形成 多子的扩散运动 少子的漂移运动 浓度差 P型半导体 N型半导体 扩散的结果使空间电荷区变宽 空间电荷区也称PN结 形成空间电荷区 1 扩散运动 由于浓度不同 多子运动 形成内电场 阻碍了多子继续扩散 2 漂移运动 少子在内电场的作用下形成漂移运动 动画 又称为耗尽层 二 PN结的单向导电性 1 PN结加正向电压 正向偏置 PN结变窄 P接正 N接负 I 外电场克服内电场 使多子不断扩散 形成较大的扩散电流 此时PN结呈现低阻 处于导通状态 动画 PN结加正向电压时 PN结变窄 正向电流较大 正向电阻较小 PN结处于导通状态 2 PN结加反向电压 反向偏置 P接负 N接正 动画 PN结变宽 IS 外电场加强内电场 使多子不能扩散 少子的漂移加强 由于少子数量很少 形成很小的反向电流 PN结加反向电压时 PN结变宽 反向电流较小 反向电阻较大 PN结处于截止状态 PN结的反向击穿 当PN结的反向电压增加到一定数值时 反向电流突然快速增加 此现象称为PN结的反向击穿 热击穿 不可逆 PN结的电流方程 3 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 在扩散路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 3半导体二极管及伏安特性 一 基本结构 符号 二极管就是一个PN结 1 结构 P区为正 阳 极 N区为负 阴 极 D 2 符号 将PN结封装 引出两个电极 就构成了二极管 二极管的种类 小功率二极管 大功率二极管 稳压二极管 发光二极管 晶体二极管的单向导电性 利用二极管的这个特性 可使用二极管进行检波和整流 单向导电性 二 伏安特性 特点 非线性 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性 开启电压 反向饱和电流 击穿电压 温度的电压当量 从二极管的伏安特性可以反映出 2 伏安特性受温度影响 T 在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流IS U BR 正向特性为指数曲线 反向特性为横轴的平行线 T 正向特性左移 反向特性下移 1 单向导电性 三 二极管的主要参数 1 4二极管的等效模型 将二极管的伏安特性折线化 以简化分析计算 理想模型 导通时UD 0截止时IS 0 导通时UD Uon截止时IS 0 折线模型 应根据不同情况选择不同的等效电路 恒压降模型 导通时UD Uon IDrD截止时IS 0 一 二极管直流等效电路 最接近实际模型 二极管在直流 静态 基础上叠加一个交流 动态 信号作用时 可将二极管等效为一个电阻 这个电阻称为动态电阻 也就是二极管的微变等效电路 二 二极管小信号等效电路 也称微变等效电路 Q越高 rd越小 ui 0 时直流电源作用 小信号作用 静态电流 静态工作点 微变等效电路用于二极管电路的交流分析 交流信号 1 5二极管基本电路及分析方法 一 直流分析 1 二极管的静态工作情况分析 理想模型 定性分析 判断二极管的工作状态 导通截止 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低 恒压降模型 硅二极管典型值 折线模型 硅二极管典型值 设 电路如图 求 UAB 若考虑管压降 UAB为 6 3 锗管 或 6 7V 硅管 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 在这里 二极管起钳位作用 分析 V阳 6VV阴 12V V阳 V阴二极管导通 若二极管做理想模型处理 可看作短路 UAB 6V 二极管开关电路 分析方法 将二极管断开 分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负 若V阳 V阴或UD为正 正向偏置 二极管导通 若V阳 V阴或UD为负 反向偏置 二极管截止 取B点作参考点 断开二极管 分析二极管阳极和阴极的电位 若忽略管压降 二极管可看作短路 UAB 0V 例2 D1承受反向电压为 6V 流过D2的电流为 求 UAB 分析 V1阳 6V 共阴极接法 阳极电位高的先导通 V2阳 V1阳 D2优先导通 D1截止 V2阳 0V V1阴 V2阴 12V 共阳极接法 阴极电位低的先导通 可看作短路uo 8V 已知 二极管是理想的 试画出uo波形 8V 例3 二极管的用途 整流 检波 限幅 钳位 开关 元件保护 温度补偿等 参考点 二极管阴极电位为8V 可看作开路uo ui 当ui 8V时 二极管截止 当ui 8V时 二极管导通 讨论判断电路中二极管的工作状态 求解输出电压 如何判断二极管工作状态 1 V 2V 5V 10V时二极管中的直流电流各为多少 V较小时应实测伏安特性 用图解法求ID Q ID V 5V时 V 10V时 uD V iDR 二 交流微变等效电路 2 若输入电压的有效值为5mV 则上述各种情况下二极管中的交流电流各为多少 1 V 2V ID 2 6mA 2 V 5V ID 8 6mA 3 V 10V ID 50mA 在伏安特性上 Q点越高 二极管的动态电阻越小 2 符号 3 伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压 为使IZ IZM 使用时必须要加限流电阻 原理 稳压管反向击穿后 电流变化很大 但其两端电压变化很小 利用此特性 稳压管在电路中可起稳压作用 1 结构 由一个PN结组成的特殊二极管 一 稳压二极管 1 6特殊二极管 进入稳压区的最小电流 不至于损坏的最大电流 6 主要参数 稳定电压UZ稳定电流IZ 最大功耗PZM IZMUZ 动态电阻rz UZ IZ 正向导通区 反向截止区 稳压工作区 5 三个工作区 4 等效电路 工程上的稳压管 由UZ和PZM来选择 例 在如图所示的电路中稳压管的稳定电压UZ 6V 最小稳定电流IZmin 5mA 最大稳定电流IZmax 25mA 1 分别计算UI为10V 15V 35V三种情况下输出电压UO的值 2 若UI 35V时负载开路 则会出现什么现象 为什么 解 1 当UI 10V时 若UO UZ 6V 则稳压管的电流为4mA 小于其最小稳定电流 所以稳压管未击穿 故 当UI 15V时 稳压管中的电流小于最小稳