晶体极管的学习课件

晶体极管的学习课件第1页/共41页2课程概述电子线路：指包含电子器件、并能对电信号实现某种功能处理的电路。电路组成：电子器件+外围电路电子器件：二极管、三极管、场效应管、集成电路。外围电路：直流电源、电阻、电容、电流源电路等。第2页/共41页3第1章晶体二极管1.0概述1.1半导体物理基础知识1.2

PN结1.3晶体二极管电路分析方法1.4晶体二极管的应用第3页/共41页4概述晶体二极管结构及电路符号：PN结正偏(P接+、N接-)，D导通。PN正极负极晶体二极管的主要特性：单方向导电特性PN结反偏(N接+、P接-)，D截止。即主要用途：用于整流、开关、检波电路中。第4页/共41页51.1半导体物理基础知识半导体：导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型：+14284+3228418+4价电子惯性核第5页/共41页6硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：共价键1.1.1本征半导体第6页/共41页7

本征激发

当T

升高或光线照射时产生自由电子空穴对。

共价键具有很强的结合力。当T=0K(无外界影响)

时，共价键中无自由移动的电子。这种现象称注意：空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。第7页/共41页8当原子中的价电子激发为自由电子时，原子中留下空位，同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动。注意：空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子—带负电半导体中有两种导电的载流子

空穴的运动空穴—带正电第8页/共41页9温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。

热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度：本征半导体中本征激发——产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量——复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性nipi分别代表自由电子与空穴的浓度，k波耳兹曼常数，Ego为热力学零度时破坏共价键所需能量,A常量第9页/共41页10

N型半导体：1.1.2杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型：N型半导体多子——自由电子少子——空穴自由电子本征半导体（Si）中掺入少量五价元素构成。第10页/共41页11P型半导体+4+4+3+4+4简化模型：P型半导体少子——自由电子多子——空穴空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。第11页/共41页12

杂质半导体中载流浓度计算N型半导体(热平衡方程)(电中性方程)P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。第12页/共41页131.1.3两种导电机理——漂移和扩散漂移与漂移电流载流子在电场作用下的运动称漂移运动，所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度：迁移率第13页/共41页14

半导体的电导率电压：

V=E

l电流：I=SJt+-V长度l截面积S电场EI电阻：电导率：第14页/共41页15载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，所形成的电流称扩散电流。扩散电流密度：

扩散与扩散电流N型硅光照n(x)p(x)载流子浓度xnopo第15页/共41页161.2

PN结利用掺杂工艺，把P型半导体和N型半导体在原子级上紧密结合，P区与N区的交界面就形成了PN结。掺杂N型P型PN结第16页/共41页171.2.1动态平衡下的PN结阻止多子扩散出现内建电场开始因浓度差产生空间电荷区引起多子扩散利于少子漂移最终达动态平衡注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流相抵消，通过PN结的电流为零。

PN结形成的物理过程第17页/共41页18

内建电位差：室温时锗管VB

0.2~0.3V硅管VB0.5~0.7V

阻挡层宽度：

注意：掺杂浓度(Na、Nd)越大，内建电位差VB越大，阻挡层宽度l0

越小。第18页/共41页191.2.2

PN结的伏安特性PN结——单向导电特性P+N内建电场Elo+-VPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散>>少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通I电压V电流I第19页/共41页20PN结——单向导电特性P+N内建电场

Elo-+VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移>>多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IRPN结截止IRIR与V近似无关。温度T电流IR结论：PN结具有单方向导电特性。第20页/共41页21PN结——伏安特性方程式PN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：热电压26mV(室温)其中：

IS为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：反偏时：第21页/共41页22PN结——伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on)=0.7VIS=(10-9~10-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-6~10-8)AV>VD(on)时随着V

正向R

很小I

PN结导通；V<VD(on)时IR很小(IR-IS)反向R很大PN结截止。温度每升高10℃，IS

约增加一倍。温度每升高1℃，VD(on)

约减小2.5mV。第22页/共41页231.2.3

PN结的击穿特性|V反|

=V(BR)时，IR急剧，

PN结反向击穿。雪崩击穿齐纳击穿PN结掺杂浓度较低(lo

较宽)发生条件外加反向电压较大(>6V)

形成原因：碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因：场致激发。

发生条件PN结掺杂浓度较高(lo

较窄)外加反向电压较小(<6V)第23页/共41页24因为T

载流子运动的平均自由路程V(BR)。

击穿电压的温度特性

雪崩击穿电压具有正温度系数。

齐纳击穿电压具有负温度系数。因为T

价电子获得的能量V(BR)。

稳压二极管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ

利用PN结的反向击穿特性，可制成稳压二极管。

要求：Izmin<Iz<Izmax第24页/共41页251.2.4

PN结的电容特性势垒区内空间电荷量随外加电压变化产生的电容效应。

势垒电容CT

扩散电容CD

阻挡层外(P区和N区)贮存的非平衡电荷量,随外加电压变化产生的电容效应。CT(0)CTVOxn少子浓度xO-xpP+N第25页/共41页26PN结电容PN结反偏时，CT>>CD，则Cj

CTPN结总电容：Cj=CT+CDPN结正偏时，CD>>CT，则Cj≈CD故：PN结正偏时，以CD

为主。故：PN结反偏时，以CT

为主。通常：CD几十pF~几千pF。通常：CT

几pF~几十pF。第26页/共41页271.3晶体二极管电路分析方法晶体二极管的内部结构就是一个PN结。就其伏安特性而言，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：

便于计算机辅助分析的数学模型

适于任一工作状态的通用曲线模型直流简化电路模型交流小信号电路模型

电路分析时采用的第27页/共41页281.3.1晶体二极管的模型数学模型—伏安特性方程式理想模型：修正模型：其中：n—非理想化因子I正常时：n1I过小或过大时：n

2rS—体电阻+引线接触电阻+引线电阻注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际IS

理想IS。第28页/共41页29曲线模型—伏安特性曲线V(BR)I

(mA)V(V)VD(on)-IS当V>VD(on)

时二极管导通当V<VD(on)

时二极管截止当反向电压V

V(BR)

时二极管击穿晶体二极管的伏安特性曲线，通常由实测得到。第29页/共41页30简化电路模型折线等效：在主要利用二极管单向导电性的电路中，实际二极管的伏安特性。IVVD(on)IVOabIVVD(on)abVD(on)RDD+-理想状态：与外电路相比，VD(on)

和RD

均可忽略时，二极管的伏安特性和电路符号。开关状态：与外电路相比，RD可忽略时的伏安特性。简化电路模型：折线等效时，二极管的简化电路模型。第30页/共41页31小信号电路模型rsrjCjIVQrs：PN结串联电阻，数值很小。rj：为二极管增量结电阻。Cj：PN结结电容，由CD

和CT两部分构成。注意：高频电路中，需考虑Cj

影响。因高频工作时，

Cj容抗很小，PN结单向导电性会因Cj

的交流旁路作用而变差。第31页/共41页32图解法分析二极管电路主要采用：图解法、简化分析法、小信号等效电路法。(重点掌握简化分析法)

写出管外电路直流负载线方程。1.3.2晶体二极管电路分析方法利用二极管曲线模型和管外电路所确定的负载线，通过作图的方法进行求解。要求：已知二极管伏安特性曲线和外围电路元件值。分析步骤：

作直流负载线。

分析直流工作点。优点：直观。既可分析直流，也可分析交流。第32页/共41页33例1

已知电路参数和二极管伏安特性曲线，试求电路的静态工作点电压和电流。IVQ+-RVDDDI+-V

由图可写出直流负载线方程：V=VDD

-

IR

在直流负载线上任取两点：解：VDDVDD/R

连接两点，画出直流负载线。VQIQ令I=0，得V=VDD；令V=0，得I

=VDD/R；

所得交点，即为Q

点。第33页/共41页34

简化分析法即将电路中二极管用简化电路模型代替，利用所得到的简化电路进行分析、求解。

将截止的二极管开路，导通的二极管用直流简化电路模型替代，然后分析求解。(1)估算法

判断二极管是导通还是截止？假设电路中二极管全部开路，分析其两端的电位。理想二极管：若V>0，则管子导通；反之截止。实际二极管：若V>VD(on)，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。第34页/共41页35例2

设二极管是理想的，求VAO值。图(a)，假设D开路，则D两端电压：VD=V1–V2=–6–12=–18<0V，解：故D截止。VAO=12V。+-DV2V1+-AOVAO+-12V-6V3k(a)+--+D1D2V2V1+-AOVAO3k6V9V(b)图(b)，假设D1、D2开路，则D两端电压：VD1=V2–0=9V>0V，VD2=V2–(–V1)=15V>0V。

由于VD2>VD1，则D2

优先导通。此时VD1

=–6V<0V，故D1

截止。VAO=–V1=–6V。第35页/共41页36(2)画输出信号波形方法根据输入信号大小判断二极管的导通与截止找出vo

与vi

关系画输出信号波形。例3设二极管是理想的，vi

=6sint(V)，试画vo波形。解：vi>2V时，D导通，则vO=vivi2V时，D截止，则vO=2V由此可画出vO的波形。

+-DV+-+-2V100