第二掌 二极管全面解析.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,线性电子电路,第一章 晶体二极管,主要内容,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,1.1,半导体物理基础知识,第一章 晶体二极管,半导体：,指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。,硅、锗 原子结构及简化模型：,+14,2,8,4,+32,2,8,4,18,+4,价电子,大多数半导体器件所用的主要材料是,硅,(Si),、锗,(,Ge,),1.1.1,本征半导体,第一章 晶体二极管,本征激发,纯净的、不含杂质的半导体称为,本征半导体,（比如硅和锗的单晶体）。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,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。,第一章 晶体二极管,本征激发,当,T,升高或光线照射时,产生,自由电子空穴对。,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,。,当原子中的,价电子,在,光照或温度升高,时,获得能量,挣脱共价键的束缚而,成为自由电子,，原子中,留下空位,（即,空穴,）,，（即,产生自由电子空穴对,）同时原子因失去价电子而带正电。,当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（,自由电子与空穴的复合,）形成一种运动，该运动可等效地看作是,空穴的运动,。,空穴运动方向与价电子填补方向相反。即,自由电子和空穴,都,能,在晶格中,自由移动,。因而统称它们为,半导体的载流子,。,自由电子,带负电,半导体中有两种导电的载流子,空穴,带正电,第一章 晶体二极管,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。,温度一定时：,激发与复合在某一热平衡值上达到,动态平衡。,T,导电能力,载流子,或光照,热敏特性,光敏特性,半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有一种重要的特性就是,掺杂性,，即在本征半导体中加入微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加杂质后的半导体称为,杂质半导体,。根据加入杂质元素的不同可分为,N,型半导体,和,P,型半导体,。,实际上制造晶体管的材料都是杂质半导体。,第一章 晶体二极管,1.1.2,杂质半导体,N,型半导体：,本征半导体中掺入少量,五价,元素构成。,+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,常温情况下，,杂质,元素全部,电离,为,自由电子,和,正离子,，正离子在晶格中不能移动，不参与导电。,（杂质电离,（多数）,和本征激发产生）,（,本征激发产生）,第一章 晶体二极管,常温情况下，,杂质,元素全部,电离,为,空穴,和,负离子,，负离子在晶格中不能移动，不参与导电。,+4,+4,+3,+4,+4,P,型半导体：,简化模型：,P,型半导体,少子,自由电子,多子,空穴,本征半导体中掺入少量,三价,元素构成。,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。,空穴,（本征激发产生）,概 述,第一章 晶体二极管,1.2,半导体二极管,1.2.1,PN,结的形成,1.2.2,PN,结的基本特性,1.2.3,二极管,晶体二极管,、三极管的,基本结构,为,PN,结,，他们的特性与,PN,结有关。,第一章 晶体二极管,1.2.1 PN,结的形成,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,。,PN,结形成的物理过程,:,因多子浓度差,产生空间电荷区,引起多子扩散,出现内建电场,阻止多子扩散,利于少子漂移,最终达动态平衡,P,型,掺杂,N,型,E,内,第一章 晶体二极管,注意：,PN,结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流,相抵消，即通过,PN,结的电流为零。,室温时,锗管,V,B,0.2 0.3V,硅管,V,B,0.6 0.8V,思考：,返回,PN,结的特性,若将,PN,结用导线连接起来，导线上会有电流产生吗？,1.2.2,PN,结的特性,PN,结,的特性只有在外加电压情况下才能表现出来，且只有在外加电压作用下才能被我们所利用，,其基本特性,为,单向导电性,（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有,反向击穿特性,、,温度特性,、,电容特性,。,正偏,：,是正向偏置的简称，正向偏置是指给,PN,结的,P,端,接电源的,“,+,”,极,，,N,端接,电源的,“,-,”,极,的一种接法。而,PN,结的正偏特性就是给,PN,结加正偏电压时所表现出的特性。,反偏,：,是反向偏置的简称，反向偏置是指给,PN,结的,P,端,接电源的,“,-,”,极,，,N,端,接电源的,“,+,”,极,的一种接法。而,PN,结的反偏特性就是给,PN,结加反偏电压时所表现出的特性。,第一章 晶体二极管,PN,结的单向导电性,（即正向导通，反向截止）,一、正偏特性,E,外,I,第一章 晶体二极管,PN,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,I,PN,结导通,电压,V,电流,I,PN,结呈小电阻特性，理想情况下相当于,开关闭合,。,二、反偏特性,E,外,PN,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,I,S,PN,结截止,I,S,与,V,近似无关。,温度,T,电流,I,S,I,S,第一章 晶体二极管,PN,结呈大电阻特性，理想情况下相当于,开关断开,。,结论：,PN,结具有单方向导电特性。,第一章 晶体二极管,即正向导通，反向截止。,PN,结,伏安特性方程式,热电压,26mV,（,室温,）,其中：,I,S,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,：,分析方法,返回,PN,结,伏安特性曲线,第一章 晶体二极管,I,D,(mA),V,(V),V,D(on),-,I,S,Si,Ge,V,D(on),=0.7V,I,S,=(10,-9,10,-16,)A,硅,PN,结,V,D(on),=0.25V,锗,PN,结,I,S,=(10,-6,10,-8,)A,V,V,D(on),时,随着,V,正向,R,很小,I,PN,结导通,；,V,V,D(on),时,I,R,很小,(,I,R,-,I,S,),反向,R,很大,PN,结截止,。,温度每升高,10,，,I,S,约增加一倍。,温度每升高,1,，,V,D(on),约减小,2.5mV,。,分析方法,返回,第一章 晶体二极管,三、,PN,结的击穿特性,|,V,反,|,=,V,(BR),时,，,I,R,急剧,PN,结反向击穿,。,V,(BR),I,D,(mA),V,(V),反向击穿时，,PN,结上电流过大，若,时间过长而产生过热就会产生,热击穿,而烧坏管子。（应避免）,利用,PN,结的反向击穿特性可制成,稳压二极管,。,稳压管,稳压二极管,U,Z,I,D,(mA),U,(V),I,Zmin,I,Zmax,+,-,U,Z,利用,PN,结,的,反向击穿特性,，可,制成稳压二极管。,要求,：,I,zmin,I,z,C,b,，,则,C,j,C,d,即,以扩散电容为主,PN,结反偏,时,，,C,b,C,d,，,则,C,j,C,b,即,以势垒电容为主,1.2.3,半导体二极管,一、晶体二极管结构及电路符号：,P,N,正极,负极,二、晶体二极管的基本特性,（,与,PN,结类似,）,：,单向导电特性,二极管的,伏安特性关系式,：,二极管的,伏安特性曲线,：,工程上,V,D(on),0.7(V)(Si,管）,0.25(V)(Ge,管）,说明二极管是非线性器件,第一章 晶体二极管,返回分析方法,1.3,晶体二极管电路分析方法,第一章 晶体二极管,晶体二极管的,内部结构,就是一个,PN,结。因而它们的,伏安特性,相似，它有不同的表示方法，或者表示为不同形式的模型：,适于任一工作状态的,通用曲线模型,便于计算机辅助分析的,数学模型,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,第一章 晶体二极管,1.3.1,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：,r,S,体电阻,+,引线接触电阻,+,引线电阻,其中：,n,非理想化因子,I,正常时,:,n,1,I,过小或过大时,:,n,2,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,I,S,理想,I,S,。,曲线模型,第一章 晶体二极管,曲线模型,伏安特性曲线,V,(BR),I,(mA),V,(V),V,D(on),-I,S,当,V,V,D(on),时,二极管,导通,当,V,0,，则管子导通；反之截止。,实际二极管：若,VV,D(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。,例子,例,2,：设二极管是理想的，求,V,AO,值。,第一章 晶体二极管,图,(a),，,假设,D,开路,，,则,D,两端电压,：,V,D,=,V,1,V,2,=6 12=18,0V,，,V,D2,=,V,2,(,V,1,),=15V,0V,由于,V,D2,V,D1,，,则,D,2,优先导通,。,此时,V,D1,=6V,2V,时，,D,导通，则,v,O,=,v,i,v,i,2V,时，,D,截止，则,v,O,=2V,由此可画出,v,O,的波形。,+,-,D,+,-,+,-,2V,100,R,v,o,v,i,t,6,2,0,v,i,(V),v,O,(V),t,0,2,6,第一章 晶体二极管,小信号分析法,第一章 晶体二极管,即将电路中的二极管用小信号电路模型代替，利用得到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。,分析步骤：,将直流电源短路，画交流通路。,用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。,利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。,1.4,晶体二极管的应用,第一章 晶体二极管,电源设备组成框图：,电 源,变压器,整流,电路,滤波,电路,稳压,电路,v,i,v,O,t,v,i,t,v,1,t,v,2,t,v,3,t,v,O,第一章 晶体二极管,1.4.1,整流与稳压电路,整流电路,D,+,-,+,-,R,v,O,v,i,当,v,i,0V,时，,D,导通，则,v,O,=,v,i,当,v,i,0V,时，,D,截止，则,v,O,=0V,由此，利用二极管的单向导电性，实现了,半波整流,。,若输入信号为正弦波：,平均值：,V,O,t,0,v,i,t,0,v,O,第一章 晶体二极管,1.4.2,限幅电路,(,或削波电路,）,V,2,v,i,V,1,时,，,D,1,、,D,2,截止,v,o,=,v,i,t,0,v,i,t,0,v,O,V,i,V,1,时,，,D,1,导通,、,D,2,截止,v,o,=,V,1,V,i,V,2,时,，,D,2,导通,、,D,1,截止,v,o,=,V,2,由此,，电路实现双向限幅功能。,v,O,v,i,+,-,D,1,+,-,+,-,R,D,2,V,1,-V,2,+,-,其中,：,V,1,为上,限幅电平,，,V,2,为下,限幅电平。,V,1,-V,2,-V,2,V,1,谢谢观看,