模拟电路课件-第三章...ppt

,*,Titelmasterformat durch Klicken bearbeiten,Textmasterformate durch Klicken bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,*,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,*,*,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,*,*,模拟电路课件-第三章.,半导体的导电特性,在物理学中，根据材料的导电才能，可以将其划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。,硅原子,(+14),锗原子,(+32),硅和锗最外层轨道上的四个电子称为,价电子,。,半导体二极管及其应用,共价键,在绝对温度T=0K和无外界激发光照或受热时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电才能很弱，接近绝缘体。,本征半导体化学成分纯洁的半导体晶体。,制造半导体器件的半导体材料的纯度要到达99.9999999%，常称为“九个9。,本征半导体构造,价电子,本征激发或热激发：,当温度升高或受到光的照射时，受束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为,空穴,。,自由电子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,1、自由电子和空穴成对出现，且数量相等；,2、外加鼓励能量越高，产生的电子-空穴数量越多；,复合：,自由电子在运动过程中与空穴相遇并填补空穴，两者同时消失,；,与本征激发相反的现象,复合,在一定温度下，本征激发和复合同时进展，到达动态平衡，此时，电子空穴对的浓度一定。,电子和空穴产生，复合过程动画演示,半导体的导电机制：,本征半导体中存在两种载流子：,自由电子,和,空穴,在外电场作用下，半导体中出现两部电流：,1、自由电子定向运动所成电子流电子导电,2、价电子注意：不是自由电子递补空穴形成的空穴电流空穴导电,半导体导电机理动画演示,a.,电阻率大,本征半导体的特点,b.,导电性能随温度变化大,本征半导体不能在半导体器件中直接使用,杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为,杂质半导体,。,1.N,型半导体,在本征半导体中掺入少量五价杂质元素，例如磷，砷等，使得晶体中某些原子被杂质原子所代替，杂质原子最外层有5个价电子与周围Si或Ge原子最外层4个价电子形成共价键后，还多余一个自由电子，使得其中空穴浓度远小于自由电子浓度。,此时，半导体内多数载流子多子：自由电子，少数载流子少子为空穴。由于此类半导体主要依靠自由电子导电，而自由电子带负电，称此类半导体为N型半导体。,硅原子,施主原子,多余电子,共价键,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,自由电子,施主原子,电子空穴对,5,价杂质原子可以向半导体硅提供一个自由电子而本身成为带正电的离子，,把这种杂质称为,施主杂质。,N,型半导体形成过程动画演示,P,型半导体,在本征半导体中掺入少量3价杂质元素，例如硼、镓等，使得晶体中某些原子被杂质原子所代替，杂质原子最外层有3个价电子与周围Si或Ge原子最外层4个价电子形成共价键后将产生一个空穴，使得其中自由电子浓度远小于空穴浓度。,此时，半导体内多数载流子多子：空穴，少数载流子少子为自由电子。由于此类半导体主要依靠空穴导电，而空穴带负电，称此类半导体为P型半导体。,硅原子,受主原子,多余空穴,共价键,空穴,受主原子,电子空穴对,P,型半导体,3价杂质原子可以向半导体硅提供一个空穴，而本身承受一个电子成为带负电的离子，把这种杂质称为受主杂质。,P,型半导体的形成过程动画演示,因多子浓度差,形成内电场,多子的扩散,空间电荷区不挪动,阻止多子扩散，促使少子漂移。,PN,结合,空间电荷区,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层或阻挡区,PN,结的形成,内电场,E,少子飘移,补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，,E,多子扩散,又失去多子，耗尽层宽，,E,内电场,E,多子扩散电流,少子漂移电流,耗尽层,动态平衡：,扩散电流 漂移电流,总电流,0,PN,结形成过程动画演示,PN,结的单向导电性,1,PN,结正向偏置,PN,结正向偏置,当外加直流电压使,PN,结,P,型半导体的一端的电位高于,N,型半导体一端的电位时，称,PN,结正向偏置，简称正偏。,PN,结反向偏置,当外加直流电压使,PN,结,N,型半导体的一端的电位高于,P,型半导体一端的电位时，称,PN,结反向偏置，简称反偏。,(1)加正向电压正偏电源正极接P区，负极接N区,外电场的方向与内电场方向相反。,外电场削弱内电场,耗尽层变窄,扩散运动漂移运动,多子扩散形成正向电流,I,F,正向电流,PN,结正偏动画演示,(2),加反向电压,电源正极接,N,区，负极接,P,区,外电场的方向与内电场方向一样。,外电场加强内电场,耗尽层变宽,漂移运动扩散运动,少子漂移形成反向电流,I,R,P,N,在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR根本上只与温度有关，,而与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。,PN,结反偏动画演示,PN,结的电压与电流关系,+,+,+,+,+,+,_,P,N,_,_,_,_,_,u,i,PN,结,的伏安特性曲线及表达式：,PN,结的伏安特性曲线,正偏,IF多子扩散,IR少子漂移,反偏,反向饱和电流,反向击穿电压,反向击穿,根据理论分析：,其中，,u,为,PN,结两端的电压降，,i,为流过,PN,结的电流,I,S,为反向饱和电流，,U,T,称为温度的电压当量，一般取,26mV,当,u,0,u,U,T,时,当,u,|,U,T,|,时,PN,结的电容效应,当外加电压发生变化时，耗尽层的宽度要相应地随之改变，即,PN,结中存储的电荷量要随之变化，就像电容充放电一样。,(1),势垒电容,C,B,(2),扩散电容,C,D,扩散区中电荷随外加偏压变化而变化所产生的电荷存储效应等效为电容，称扩散电容。,PN,结正偏时，扩散电容起主要作用；反之，势垒电容起主要作用,电容效应在交流信号作用下才会明显表现出来,极间电容结电容为两者之和,思 考 题,1.,半导体中的载流子浓度主要与哪些因素有关？,2.,扩散电流与漂移电流的主要区别是什么？,1.2,半导体二极管,二极管,=PN,结,+,管壳,+,电极引线,N,P,构造,符号,阳极,+,阴极,-,二极管按构造分三大类：,(1),点接触型二极管,PN,结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路,二极管按材料分二大类：硅二极管和锗二极管,(2),面接触型二极管,PN,结面积大，用于工频大电流整流电路,(3),平面型二极管,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。,半导体二极管实物,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,2AP9,用数字代表同类器件的不同规格。,代表器件的类型，,P,为普通管，,Z,为整流管，,K,为开关管。,代表器件的材料，,A,为,N,型,Ge,，,B,为,P,型,Ge,，,C,为,N,型,Si,，,D,为,P,型,Si,。,2,代表二极管，,3,代表三极管。,半导体二极管,的伏安特性曲线,硅：,0.5 V,锗：,0.1 V,(1),正向特性,导通压降,反向饱和电流,(2),反向特性,死区,电压,击穿电压,U,BR,特性曲线分为三部分：正向、反向和反向击穿特性,u,E,i,V,mA,u,E,i,V,uA,锗,硅：,0.7 V,锗：,小结：,正向特性：外加正向电压时，存在阻碍二极管导通的死区电压；当正向电压超过该电压值时，二极管导通，此时，正向电流在较大范围内变化，而管子的电压降变化较小。,反向特性：外加反向电压时，产生由少子漂移形成的反向电流，其特点是受温度影响较大，当反向电压不超过某值时，反向电流大小根本不变亦称反向饱和电流Is)，与反向电压上下无关。,反向击穿特性：外加反向电压超过UR反向击穿电压时，反向电流急剧增大，二极管发生击穿。,PN结击穿可分为：雪崩击穿、齐纳击穿击穿过程可逆和热击穿不可逆,1.2.3,温度对半导体二极管特性的影响,1.,当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。,uD/T=mV/C,2.,温度升高,，,反向饱和电流增大。,即 温度每升高1C，管压降降低mV。,即 平均温度每升高,10,C,，反向饱和电流增大一倍。,1.2.4,二极管的主要参数,(1),最大整流电流,I,F,(2),反向击穿电压,U,BR,(3),反向电流,I,R,二极管长期连续工作时，允许通过的最大平均电流防止过热损坏,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR,最高允许反向击穿电压一般取实际值的1/2。,在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一,般在纳安,(nA),级；锗二极管在微安,(,A),级。其值越小，管子单向导电性越好。,(4),最高工作频率,f,M,f,M,与结电容有关，当工作频率超过,f,M,时，二极管的单向导电性变坏。,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，因此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，而图解分析法那么较简单，但前提条件是二极管的V-I 特性曲线。,例 电路如下图，二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。,解：由电路的,KVL,方程，可得,即,是一条斜率为,-1/,R,的直线，称为,负载线,Q的坐标值VD，ID即为所求。Q点称为电路的工作点,正偏,反偏,模型一：理想二极管模型,U,D,二极管的导通压降,0V,。,适用条件：电源电压远大于二极管管压降时,二极管的模型及近似分析计算,二极管的模型及近似分析计算,二极管的模型：,导通压降,二极管的伏安特性,D,U,模型二：恒压降模型,U,D,二极管的导通压降。硅管；锗管。,适用条件：二极管电流近似等于或大于,1mA,时,模型三：折线模型,模型三为模压降模型的修正，其中,V,th,为门坎电压，电阻,r,D,值由流过二极管的实际电流决定，由于二极管特性的分散性，,V,th,和,r,D,的值均不固定。,伏安特性表达式,:,1.,二极管,V,-,I,特性的建模,4小信号模型,v,s,=0,时,Q,点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。,vs=Vmsint 时VmI,z(min),;,当：,V,I,=10+1=11V,时，,I,Z,=15.78 mA.,稳压管的电流变化为：,I,Z,=15.78 5.95 =9.83 mA,输出电压变化为：,V=r,Z,I,Z,=0.2 V,练习：计算以下稳压管的稳压值，设每个稳压管的稳压值为6伏。,12V,1.,+,+,+,-,-,-,D,Z,I,Z,R,L,U,O,U,I,R,I,I,O,+,_,+,_,I,Z(min),I,Z,I,ZM,稳压管正常工作的条件：,(2),限流电阻计算,输出电压稳定的条件：,保证稳压管被击穿,D,Z,I,Z,R,L,U,O,U,I,R,I,I,O,+,_,+,_,U,O,=,U,Z,图中：,I,Z,=,I,I,O,由上式，可知：,此时，当,I,O,为最小值,I,O(min),时，,I,Z,值最大。,当,U,I,为最大值,U,I(max),时，,I,值最大；,D,Z,I,Z,R,L,U,O,U,I,R,I,I,O,+,_,+,_,为保证电路正常工作，应使：,由此可得：,D,Z,I,Z,R,L,U,O,U,I,R,I,I,O,+,_,+,_,同理，为保证电路正常工作，应使：,由此可得：,D,Z,I,Z,R,L,U,O,U,I,R,I,I,O,+,_,+,_,综上，可得：,思 考 题,1.,在图示稳压电路中，输出电压稳定的条件是什么？,2.,在图示稳压电路中限流电阻的大小对电路性能有何影响？,D,Z,I,Z,R,L,U,O,U,I,R,I,I,O,+,_,+,_,作 业,作业：,题：、,要求：,中，,要求写出简要的分析步骤标出：二极管阳，阴极的,电位；,汇报结束,谢谢大家,!,请各位批评指正,