《直流稳压》课件.pptVIP

模拟电子技术基础,第1章二极管及其基本电路,第1章二极管及其基本电路,学习重点：PN结的基本知识半导体二极管的结构、伏安特性、应用电路。学习内容:PN结的基本知识、半导体二极管、半导体二极管。,第1章二极管及其基本电路,1.1半导体基础理论知识半导体材料（semiconductormaterial）导电能力介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。半导体材料的电学性质对光、热、电、磁等外界因素的变化十分敏感，在半导体材料中掺入少量杂质可以控制这类材料的电导率。元素半导体有锗、硅、硒、硼、碲、锑等。硅（Si）和锗（Ge）是主要的半导体材料，其中硅（Si）是占据了90以上的半导体材料份额。硅和锗材料在电子、冶金、化工、军事、航天等领域有广泛的用途。,第1章二极管及其基本电路,本征半导体本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体材料称为本征半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。本征激发（热激）：当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。本征半导体的原子结构及共价键共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。图1.1所示为硅和锗的原子结构和共价键结构。,第1章二极管及其基本电路,本征半导体的两种载流子温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。图1.1所示为本征激发所产生的电子空穴对。,图1.1本征激发产生电子空穴对,第1章二极管及其基本电路,N型和P型杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质后的本征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，可形成N型半导体,也称电子型半导体。因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。N型半导体中自由电子是多数载流子,它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。如图1.2所示。,第1章二极管及其基本电路,N型半导体,图1.2N型半导体的共价键结构,第1章二极管及其基本电路,P型半导体本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成P型半导体，也称为空穴型半导体。因三价杂质原子与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。P型半导体中空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。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。P型半导体的结构示意图如图1.3所示。,图1.3P型半导体共价键结构,第1章二极管及其基本电路,PN结的行成及其单向导电性将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体，另一侧掺杂成N型半导体，在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层PN结。半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动。在半导体中，如果载流子浓度分布不均匀，因为浓度差，载流子将会从浓度高的区域向浓度低的区域运动，这种运动称为扩散运动。形成如下物理过程:因浓度差多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区内电场内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散。最后多子扩散和少子的漂移达到动态平衡。如图1.4所示。,第1章二极管及其基本电路,图1.4P型和N型半导体交界处载流子的扩散,第1章二极管及其基本电路,由于空穴和自由电子均是带电的粒子，所以扩散的结果使P区和N区原来的电中性被破坏，在交界面的两侧形成一个不能移动的带异性电荷的离子层，称此离子层为空间电荷区，这就是所谓的PN结，如图1.5所示。在空间电荷区，多数载流子已经扩散到对方并复合掉了，或者说消耗了，因此又称空间电荷区为耗尽层。,图1.5PN结的形成,第1章二极管及其基本电路,PN结单向导电性PN结具有单向导电性，若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。如果外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。PN结加正向电压时的导电情况PN结加正向电压时的导电情况如图1.6所示。外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。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,PN结呈现低阻性。,第1章二极管及其基本电路,图1.6PN结加正向电压时的导电情况,第1章二极管及其基本电路,PN结加反向电压时的导电情况PN结加反向电压时的导电情况如图1.7所示。外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，由于漂移电流本身就很小，PN结呈现高阻性。这样的反接电压使N区和P区中的少数载流子更容易产生漂移运动，因此在这种情况下，PN结内的电流由起支配地位的漂移电流所决定。漂移电流的方向与扩散电流相反，表现在外电路上有一个流入N区的反向电流，它是由少数载流子的漂移运动形成的。由于少数载流子的浓度很小，所以是很微弱的，一般硅管为微安数量级。由于很小，所以PN结在反向偏置时，呈现出一个阻值很大的电阻，此时可认为它基本上是不导电的，称PN结截止。PN结加正向电压时，电阻值很小，PN结导通；加反相电压时，电阻值很大，PN结截止，这就是它的单向导电性，PN结的单相导电性关键在于它的耗尽区的存在，且其宽度随外加电压而变化。,第1章二极管及其基本电路,图1.7PN结外加反向电压,第1章二极管及其基本电路,PN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。一是势垒电容CB；二是扩散电容CD。势垒电容CB。势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图见图1.8。图1.8势垒电容示意图,第1章二极管及其基本电路,（2）扩散电容CD。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。反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图1.9所示。当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。,第1章二极管及其基本电路,图1.9扩散电容示意图,第1章二极管及其基本电路,二极管及其特性二极管的结构和类型接在二极管P区的引出线称二极管的阳极，接在N区的引出线称二极管的阴极。二极管有许多类型。从工艺上分，有点接触型和面接触型；按用途分，有整流管、检波二极管、稳压二极管、光电二极管和开关二极管等。图1.10为不同结构的二极管。图1.10不同结构的二极管,第1章二极管及其基本电路,图1.11所示为二极管的符号。由P端引出的电极是正极，由N端引出的电极是负极，箭头的方向表示正向电流的方向，VD是二极管的文字符号。AK图1.11二极管的符号常见的二极管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。根据使用的不同，二极管的外形各异，图1.12所示为几种常见的二极管外形及实物。图1.12几种常见的二极管外形及实物,第1章二极管及其基本电路,二极管的特性(1).二极管伏安特性二极管两端的电压U及其流过二极管的电流I之间的关系曲线，称为二极管的伏安特性。理论分析指出，半导体二极管电流I与端电压U之间的关系可表示为1.1式。1.1此式称为理想二极管电流