四川师范大学物理与电子工程学院课件 二级管及其基本电路.pdf

3二极管及其基本电路3.13.23.33.43.5半导体的基本知识PN结的形成及特性 半导体二极管二极管基本电路及其分析方法特殊二极管HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext回3.1 半导体的基本知识3.1.1 半导体材料3.1.2 半导体的共价键结构3.1.3 本征半导体3.1.4 杂质半导体四川师范大学物理与电子工程学院BACK|NEXTHOME.1.1半导体材料根据物体导电能力（电阻率）的不同，来划分 导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅S i和错Ge以及碑化像Ga A s等。HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext闻彩上穿.1.2半导体的共价键结构硅和铅的原子结构简化模型及晶体结构HOME.四川师范大学物理与电子工程学院(3.1.3本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。它在物理结构上呈单HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext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。掺入杂质的本征半导体 称为杂质半导体。N型半导体掺入五价杂质元素（如磷）的 半导体。P型半导体掺入三价杂质元素（如硼）的 半导体。HOME.四川师范大学物理与电子工程学院1.N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。在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。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子,因此五价杂质原子也称为施主杂质。HOME四川师范大学物理与电子工程学院2.P型半导体因三价杂质原子 在与硅原子形成共价 键时，缺少一个价电 子而在共价键中留下 一个空穴。邻近的电子落入受主的空 位，留下可移动的空穴可移动的空穴受主获得一个电子而 形成一个负南子在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成;自由电子是少数载流子，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。HOME.四川师范大学物理与电子工程学院3.1.4杂质半导体3.杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影 响，一些典型的数据如下：7=300 K室温下，本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4 x 1010/cm3。掺杂后N型半导体中的自由电子浓度：n=5 x 1016/cm3本征硅的原子浓度:4.96 x 1022/cm3以上三个浓度基本上依次相差106/cm3。四川师范大学物理与电子工程学院backBnext3.2 PN结的形成及特性3.2.1 载流子的漂移与扩散3.2.2 PN结的形成3.2.3 PN结的单向导电性3.2.4 PN结的反向击穿3.2.5 PN结的电容效应HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext2.1 载流子的漂移与扩散漂移运动：在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散 运动。HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext2.2 PN结的形成N型p型P P P P d f e唐 国 生O O O o O CKs 0s o o o o 0s o o o o o_*-、HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext(3.2.2 PN结的形成势垒电位空间电荷区N型区T一P型区 I _1 1 1 _i I 0HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext雨仟他上拜在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半 导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因差多子的扩散运动f由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内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext闻N#彩上穿对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也 称耗尽层。HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnextr.2.3 PN结的单向导电性当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时 4，-y|a F低电阻大的正向扩散电流 I 1 1 I 1 四川师范大学物理与电子工程学院V-内电场与一外电场Ef原始A后果 6KNEXTHOME闻彩上穿.2.4 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。热击穿不可逆雪崩击穿 齐纳击穿电击穿可逆/DL1反向击穿区O%HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext量325 PN结的电容效应扩散电容品NPn 无二6扩散电容示意图HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext3.3半导体二极管3.3.1 半导体二极管的结构332二极管的伏安特性3.3.3 二极管的主要参数HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext期31半导体二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。PN结面积小，结电容小，用于检波和 变频等高频电路。金属触丝乎日快引法（阳极引线 外壳N的楮片二极管的结构示意图（a）点接触型JIOME.四川师范大学物理与电子工程学院.3.3二极管的主要参数(1)最大整流电流4(2)反向击穿电压仆和最大反向工作电压4M(3)反向电流4(4)正向压降(5)极间电容G(品、G)四川师范大学物理与电子工程学院backBnextHOME闻N#彩上#3.4二极管基本电路及其分析方法3.4.1 简单二极管电路的图解分析方法3.4.2 二极管电路的简化模型分析方法JIOME.四川师范大学物理与电子工程学院3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图 解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I 特性曲线。HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext.4.1电路如图所示，已知二极管的PW特性曲线、电源匕加 电阻A,求二极管两端电压盯和流过二极管的电流0。解：由电路的KVL方程，可得小=k一许11 R即是一条斜率为4/N的直线，称为负载线K K。的坐标值（6，/D）即为所求。2点称为电路的工作点HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext徵.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管FZ特性的建模将指数模型邑=人仁仿-1)分段线性化，得到二极 管特性的等效模型。(1)理想模型(b)+也-o 0，D=0(也，D=)(d)(a)看端性(b)代表符号(c)正向偏置时的电路模型(d)反向偏置时的电路模型HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模（4）小信号模型q=0时,。点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。q=嗑sin（D，时（嗑Kd），将。点附近小范围内的V-I特性线性化，得到 小信号模型，即以。点为切点的一条直线。HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext3.5特殊二极管3.5.1齐纳二极管（稳压二极管）1.符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向 电击穿状态。图3.5.1稳压管的代表符号与M-/特性home3.5.1齐纳二极管2.稳压二极管主要参数稳定电压瞑在规定的稳压管反向工作 电流/z下，所对应的反向工作 电压。动态电阻也，z=NVzNz(3)最大耗散功率Pzm(4)最大稳定工作电流/Zmax和最小稳定工作电流Zzmin稳定电压温度系数%HOME.四川师范大学物理与电子工程学院backBnext3.5.1齐纳二极管3.稳压电路正常稳压时=嗅四川师范大学物理与电子工程学院HOMEHOME四川师范大学物理与电子工程学院BACltBACK(a)符号(b)正向匕/特性四川师范大学物理与电子工程学院HOME)3.5.4光电子器件5*3.激光二极管(a)物理结构(b)符号HOME四川师范大学物理与电子工程学院backBnext