第2章 二极管及其典型应用.ppt

1、电子技术（模拟部分）,北京市精品课程教学网站,3/jxjd/moniliu/wl/index.html,平时 10分 研究报告 10分 实验 15分 期中考试 15分 期末考试 50分,考核方法,下周各自然班班长到九教五楼电子实验室找佟老师商量本学期电子实验的安排。,答疑,平时答疑时间：自定 期末答疑时间：待定,第1章 绪论,一、基本概念 二、模拟电子技术课程特点 三、电子技术主要应用 四、电子技术的发展,一、基本概念,电子器件：组成电子电路的基本物理单元叫做电子器件，简称器件。器件有分立器件和集成电路器件两种。,电子电路：由电子器件按一定规律和要求组成的

2、系统叫做电子电路(或简称电路)，电路可以实现一定的功能。,电子技术概念：研究电子器件与电路系统分析、设计、制造的工程实用技术。,电子电路分类：模拟电子电路和数字电子电路。 模拟电路：对模拟量进行处理的电路，最基本的处理是放大。 数字电路：对数字量进行处理的电路。,电子技术分类,模拟电子技术 数字电子技术,低频模拟电子技术 高频模拟电子技术,电子技术的基础知识: (1)电路理论 (2)信号与系统理论。,模拟电子技术：研究模拟电子器件与系统分析、设计、制造的工程实用技术。 数字电子技术：研究数字电子器件与系统分析、设计、制造的工程实用技术。,1规律性 2非线性 3工程性 4实践性,二、模拟电子技术

3、课程特点,应用领域 Application area 1通信系统 Telecommunication System 2控制系统 Control System 3测试系统 Testing System 4计算机 Computers 5例如家用电器 Family Electronic 6农业机械 Agriculture Machine 7生物医学工程 Biomedical Engineering 8航空航天技术 Spaceflight and Airplane 9现代智能交通（ITS）,三、电子技术的应用,诺利刀,四、电子技术的发展,1904年：第一只真空二极电子管 、 电子学诞生。 1947年：

4、贝尔实验室制成第一只 晶体管 1958年：集成电路IC 1969年：大规模集成电路LSI 1975年：超大规模集成电路VLSI （105）,第1章 结束,第2章 二极管及其典型应用,2.1 半导体基础知识 2.2 PN结 2.3 二极管 2.4 二极管典型应用 2.5 二极管电路分析,2.1 半导体基础知识,一、半导体的特性 二、本征半导体 三、杂质半导体,一、半导体特性,物体分类,导体, 导电率为105s.cm-1，量级，如金属,绝缘体, 导电率为10-22-10-14 s.cm-1量级，如：橡胶、云母、塑料等。, 导电能力介于导体和绝缘体之间。如：硅、锗、砷化镓等。,半导体, 半导体特性,

5、掺入杂质则导电率增加几百倍,掺杂特性,半导体器件,温度增加使导电率大为增加,温度特性,热敏器件,光照不仅使导电率大为增加还可以产生电动势,光照特性,光敏器件 光电器件,导电率单位：西门子/米（S/m),二、本征半导体,本征半导体,完全纯净、结构完整的半导体晶体称为本征半导体。 纯度：99.9999999%，“九个9” 它在物理结构上呈单晶体形态。,常用的本征半导体,晶体特征,在晶体中，质点的排列有一定的规律。,硅、锗,硅原子结构,锗原子结构,+4,硅（锗）的原子结构简化模型,价电子,正离子,锗晶体的共价键结构示意图 半导体能带结构示意图,价带中留下的空位称为空穴,自由电子定向移动 形成电子流,

6、 本征半导体的原子结构和共价键结构,共价键内的电子 称为束缚电子,外电场E,束缚电子填补空穴的 定向移动形成空穴流,二、本征半导体,挣脱原子核束缚的电子 称为自由电子,1. 本征半导体中有两种载流子, 自由电子和空穴,成对出现。,2. 在外电场的作用下，产生电流, 电子流和空穴流,电子流,自由电子作定向运动形成的 与外电场方向相反 自由电子始终在导带内运动,空穴流,价电子递补空穴形成的 与外电场方向相同 始终在价带内运动,二、本征半导体,3. 本征半导体在热力学温度和没有外界能量激发下，不导电。,载流子,运载电荷的粒子称为载流子。如自由电子和空穴。,三、杂质半导体,杂质半导体,掺入杂质的本征半

7、导体。 掺杂后半导体的导电率大为提高。,掺入的三价元素如B（硼）、Al（铝） 等，形成P型半导体，也称空穴型半导体。,掺入的五价元素如P（磷） 、砷等，形成N型半导体，也称电子型半导体。, N型半导体,+5,+5,在本征半导体中掺入的五价元素如P。,自由电子是多子,空穴是少子,杂质原子提供,由热激发形成,由于五价元素很容易贡献电子，因此将其称为施主杂质。施主杂质因提供自由电子而带正电荷成为正离子。, P型半导体,+3,+3,在本征半导体中掺入的三价元素如B。,自由电子是少子,空穴是多子,杂质原子提供,由热激发形成,因留下的空位(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

8、杂质。,2.2 PN结,一、PN结的形成 二、PN结的接触电位差 三、PN结的伏安特性 四、PN结的反向击穿 五、PN结电容 六、PN结的光电效应与电致发光,一、PN结的形成,P区,N区,扩散运动,载流子从浓度大向浓度小 的区域扩散,称扩散运动 形成的电流成为扩散电流,内电场,内电场阻碍多子向对方的扩散 即阻碍扩散运动 同时促进少子向对方漂移 即促进了漂移运动,扩散运动=漂移运动时 达到动态平衡,耗尽层 =PN结,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,扩散运动,多子从浓度大向浓度小的区域扩散, 称扩散运动。 扩散运动产生

9、扩散电流。,漂移运动,少子向对方漂移,称漂移运动。 漂移运动产生漂移电流。,动态平衡,扩散电流=漂移电流，PN结内总电流=0。,PN 结,稳定的空间电荷区,，又称高阻区,，也称耗尽层。, 内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位U。, 接触电位U决定于材料及掺杂浓度 硅： U=0.7 V 锗： U=0.2 V,二、PN结的接触电位差, 其电位差用 表示,三、PN结的伏安特性,1. PN结加正向电压时的导电情况,外电场方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。 于是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，处于导

10、通状态。,P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,内,外,2. PN结加反向电压时的导电情况,外电场与PN结内电场方向相同，增强内电场。 内电场对多子扩散运动阻碍增强，扩散电流大大减小。少子在内电场的作用下形成的漂移电流加大。 此时PN结区少子漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流。 PN结呈现高阻性，近似认为截止状态。,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；,内,外,由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。,小结： PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；,PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。,PN结两端的电压与 流过PN结电流的

11、关系式,式中 Is 饱和电流; UT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；q为电子的电量； T=300k（室温）时 UT= 26mv,由半导体物理可推出：, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),3. PN结电流方程, 当加反向电压时：, 当加正向电压时：,(UUT),四、PN结的反向击穿,反向击穿：,PN结上所加的反向电压达到某一数值时，反向电流激增的现象。,雪崩击穿,当反向电压增高时，少子获得能量高速运动，在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。,齐纳击穿,当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电子拉出来，形成大量载流子,使反

12、向电流激增。,击穿是可逆。掺杂浓度 小的二极管容易发生。,击穿是可逆。掺杂浓度 大的二极管容易发生。,不可逆击穿, 热击穿。,PN结的电流或电压较大，使PN结耗散功率超过极限值，使结温升高，导致PN结过热而烧毁。,五、PN结电容,势垒电容CB,当外加电压不同时，耗尽层的电荷量随外加电压的变化而增多或减少，与电容的充放电过程相同。耗尽层宽窄变化所等效的电容为势垒电容。,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。,注意：势

13、垒电容和扩散电容均是非线性电容,并同时存在。外加电压变化缓慢时可以忽略，但是变化较快时不容忽略。,扩散电容CD,在外加电压变化的情况下，P、N区少子浓度的分布将发生变化，扩散区内电荷的积累与释放过程与电容充放电过程相同，这种电容等效为扩散电容。,六、PN结的光电效应与电致发光, PN结的光电效应,PN结用导线连接成回路时，载流子面临PN结势垒的阻挡，在回路中不产生电流。当有光照射PN结材料上时，若光子能量大于半导体的禁带宽度，则在PN结的耗尽区、P区、N区内产生光生的电子-空穴对，耗尽区内的载流子在内建场的作用下电子迅速移向N区，孔穴移向P区，在回路内容形成光电流，而P、N区内产生的光子无内建

14、电场的作用只进行自由的扩散运动，对光电流基本没有贡献。,IP,注意：为了充分利用在PN结各区内产生的光生载流子，PN结需加适当的反向偏压。, PN结的电致发光,如果在PN结加正偏电压U，外电场将消弱内建电场对载流子扩散的阻挡作用。在外加电场满足一定条件下，注入到耗尽区内的电子和空穴通过辐射复合而产生光子的速率将大于材料对光子的吸收速率，从而在半导体内产生光增益。,一、二极管的结构类型 二、二极管的特性曲线 三、二极管的等效电路 四、稳压二极管 五、变容二极管 六、肖特基二极管 七、光电二极管 八、发光二极管 九、二极管的典型应用,2.3 二极管,一、二极管的结构类型,在PN结上加上引线和封装，

15、就成为一个二极管。,二极管按结构分,点接触型,面接触型,平面型,PN结面积小，结电容小， 用于检波和变频等高频电路,PN结面积大，用 于工频大电流整流电路,往往用于集成电路制造工艺中。 PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。,P N,伏安特性：是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线，,PN结电流方程为：,二、二极管的特性曲线, 晶体二极管的伏安特性,1.正向起始部分存在一个死区或门坎，称为门限电压。 硅：Ur=0.5-0.6V 锗：Ur=0.1-0.2V 2.加反向电压时，反向电流很小。 即Is硅(nA)Is锗(A) 硅管比锗管稳定。

16、 3.当反压增大再增加，反向电流激增，发生反向击穿，UBR称为反向击穿电压。,实测伏安特性, 晶体二极管的温度特性,温度升高： （1）门限电压减小。 （2）反向击穿电压减小。,（1）最大整流（正向）电流； （2）最高UBR； （3）反向电流； （4）最高工作频率。,二极管主要参数,三、二极管的等效电路,理想模型 正向偏置电压大于0，二极管处于导通状态，压降为零。 当反向偏置时，二极管处于截止状态，电流为0。,理想模型特性曲线,理想模型符号,1. 二极管模型,理想折线化模型 （1）当正向偏置电压等于开启电压Uon时，二极管处于导通状态，压降即为Uon。 （2）当二极管正偏但是小于开启电压时，或二

17、极管反偏时，二极管处于截止状态，电流为0。,考虑二极管正向压降时二极管的等效电路及其特性,折线化模型 （1）当正向偏置电压等于开启电压Uon时，二极管处于导通状态，压降即为Uon和电阻rD上的压降之和。 （2）当二极管正偏但是小于开启电压时，或二极管反偏时，二极管处于截止状态，电流为0。,考虑二极管正向压降和二极管电阻时二极管的等效电路及其特性,非线性电阻,直流电阻R,(也称静态电阻）,交流电阻r,（又称动态电阻或微变电阻）,1.直流电阻及计算方法,定义,二极管两端的直流电压UD与电流ID之比,D,2. 二极管的等效电阻,直流负载线与伏安 特性曲线的交点,直流电阻的计算方法：,借助于静态工作点

18、。,1) 首先确定电路的静态工作点Q：,采用图解法。,由电路可列出回路方程：,U=ED-IRL,直流负载线,U=0 I=ED/RL,I=0 U=ED,ED/RL,ED,Q,2),由Q点得ID和UD，从而求出直流电阻R,2.交流电阻r,交流电阻r实质是特性曲线静态工作点处的斜率的倒数。,交流电导： g=diD/duD=iD/UT 交流电阻：r=1/g= UT/iD 室温下：UT=26mv 交流电阻：r =26mv/ iD(mA),晶体二极管的正向交流电阻可由PN结电流方程求出：,说明：二极管的微变（交流）等效电路就是二极管等效为动态电阻时的电路。,定义,2. 二极管的微变等效电路,利用二极管折线化模型,四、稳压二极管, 稳压二极管,是应用在反向击穿区的特殊二极管,稳压特性：,在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电压基本保持不变。,正向部分与普通二极管相同。,工作区在反向击穿区,特性参数：,1. 稳定电压VZ:,反向击穿电压。,2. 最大工作电流Izmax:,受耗散功率的限制，使用时必须加限流电阻。, 稳压二极管,特性参数：,1. 稳定电压VZ,2. 最大工作电流Izmax,3. 动态电阻,Rz很小，十几欧姆