半导体二极管演示幻灯片

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vi6sintV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=6sintV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