第二章二极管及其应用.pptx

,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,#,第一章 晶体二极管及应用电路,1-1,半导体基础知识,半导体,一 、半导体：其导电能力介于导体和绝缘体之间的一类物质。其电阻率在,10,-3,10,9,欧,.,米,。,半导体具有某些特殊性质,外界条件改变，导电能力改变。：如压敏、热敏、光照及掺杂特性等。,二、半导体材料：用于制造半导体器件的材料。,半导体管又称晶体管。常见材料硅（,Si,）和锗（,Ge,）。微波中有砷化镓（,GaAs,）。,三、本征半导体：,纯净的且具有完整晶体结构的半导体。天然的硅和锗经提纯（,99,.,999,%,以上）即为本征半导体。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,图,1-1,硅和锗的晶体结构,1.,本征激发：,价电子因热运动获得能量，争脱共价键的束缚，成为自由电子，同时在共价键上留下空位，这一现象成为本征激发。图,1-1,温度越高，本征激发越强，产生的自由电子和空穴越多。,2.,半导体中载流子：,能够导电的电荷称载流子。半导体中的两种载流子：自由电子，空穴 两种载流子导电的差异：图,1-4,自由电子在晶格中自由运动；空穴运动即价电子的填补空穴的运动，始终在原子的共价键间运动。,3.,载流子的复合和平衡,载流子的复合：,自由电子与空穴在热运动中相遇，使 一对自由电子空穴对消失。,动态平衡：,当温度,T,一定时，单位时间内产生的自由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的自由电子空穴对数目相等，称为载流子的动态平衡。,本征浓度,ni,：,平衡状态下本征半导体单位体积内的自由电子数（空穴数）。,本征半导体结构示意图,1-5,本征半导体中电子与空穴,1-6,四、杂质半导体,引言：杂质半导体：,在本征半导体中人为掺入某种“杂质”元素形成的半导体。分为,N,型半导体和,P,型半导体。,1.N,型半导体：,在本征,Si,和,Ge,中掺入微量,V,族元素后形成的杂质半导体称为,N,型半导体。所掺入,V,族元素称为,施主杂质,，简称,施主（能供给自由电子）,。,图,1-7,2.P,型半导体：,在本征,Si,和,Ge,中掺入微量,族元素后形成的杂质半导体称为,N,型半导体。所掺入,族元素称为,受主杂质,，简称,受主（能供给自由电子）,。,P,型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。,图,1-8,3.,杂质半导体的载流子浓度：,少量掺杂，平衡状态下：,n,i,2,=n,0,p,0,其中，,n,i,为本征浓度，,n,0,为自由电子浓度，,p,0,为空穴浓度图,1-9,杂质半导体的电荷模型，图中少子未画出来。温度,T,增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小杂质电离产生的多子。,半导体工作机理：杂质是电特性。,Si,半导体比,Ge,半导体有更高的温度。因为同温度时，,Si,半导体比,Ge,半导体本征激发弱，更高的温度时,Si,半导体才会失去杂质导电特性。,图,1-9,五、漂移电流和扩散电流,1.,漂移电流：,载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂移电流。,漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。,2.,扩散电流：,因扩散运动形成的电流，称为扩散电流。,扩散运动：因载流子 浓度差而产生的载流子宏观定向运动。,物理现象：,半导体（,N,型,P,型）内的载流子浓度分布不规则，无规则热 运动，载流子从高浓度向低浓度方向净迁移。,1-2 PN,结工作原理,PN,结：将,P,型和,N,型半导体采用特殊工艺制造成半导体半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为,PN,结。,一、,PN,结的形成：,内电场：由,N,区指向,P,区的电场,E,。阻止两区多子的扩散。,电场,E,产生的两区少子越结漂移电流将部分抵消因浓差产生的使两区多子越结的扩散电流。,扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场,E,增强，漂移电流增大，当扩散电流,=,漂移电流时，达到平衡状态，形成,PN,结。无净电流流过,PN,结。,其强弱与材料有关，一般,Si,：约为,0.7v,；,Ge,约为,0.2V,。,+,+,+,+,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,空间电荷区，,也称耗尽层。,图,1-10,二 、,PN,结的特点：,1.,空间电荷区是非线性中性区，内建电场和内建电位差,0,（内建电压）。,2.PN,结又称耗尽层。,3 .PN,结又称阻挡层：内建电场,E,阻止两区多子越结扩散。,PN,结又称势垒区：,4.,不对称,PN,结。,空间电荷区中没有载流子。,空间电荷区中内电场阻碍,P,中的空穴、,N,区,中的电子（,都是多子,）向对方运动（,扩散运动,）。,P,区中的电子和,N,区中的空穴（,都是少,），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意,:,图,1-11,三、,PN,结的单向导电特性：,无外接电压的,PN,结开路,PN,结，平衡状态,PN,结；,PN,结外加电压时 外电路产生电流有两种情况：,1 .,正向偏置（简称正偏）,PN,结：图,1-10,PN,结外加直流电压,V,：,P,区接高电位（正电位），,N,区接低电位,（负电位）正偏正向电流,+,_,+,+,+,+,R,E,内电场,外电场,变薄,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,图,1-12,2.,反向偏置（简称反偏）,PN,结：反偏指,P,区接低电位（负电位），,N,区接高电位（正电位）。,硅,PN,结的,I,s,为,pA,级,温度,T,增大,I,s,N,P,+,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,图,1-13,3 PN,结的伏安特性,伏安特性方程：,I=I,s,(e,U/VT,-1);I,s,为少子漂移的反向饱和漏电流,U,为外加电压,V,T,=KT/q,为温度电压当量,常温下位,26mV.,PN,结的伏安特性曲线：图,1-12,图,1-14,1-3,晶体二极管,二极管的结构和符号：图,1-15,（,a,）为结构，（,b,）为符号。,一、,二极管的,伏安特性：,1,单向导电特性：,2,导通电压,V,ON,：,3,锗管的,I,s,比硅管的,I,s,大三个数量级；,4 I,s,随温度升高而增大：,图,1-16,5,锗管与硅管伏安特性的差异：图,1-16,图,1-15,图,1-16,图,1-17,二极管的,R,D,和,r,d,1,直流电阻,R,D,：,二极管的伏安特性为曲线二极管为非线性电阻器件。,结论：,Q,点处的电流越大，二极管的直流电阻,R,D,越小；,二极管的正反向直流电阻相差很大。,2,交流电阻,rd,二极管工作点,Q,处的微变电压增量,dvd,和微变电流增量,did,之比，称为该点处的交流电阻,rd,。图,1-18,。,图,1-18,3,二极管的参数：最大平均整流电流,;,最大反向工作电压,V,R,;,反向电流,I,R;,最高工作频率,f,m,.,、二极管的模型：,器件模型：由理想元件构成的能近似反映电子器件特性的等效电路。,二极管的,伏安特性的分段线性近似模型,:,理想开关模型：,二极管,理想开关,正偏时正向电压,=0,，反偏时反向电流,=0,。图,1-19,恒压源模型：,图,1-20(b),原因：二极管导通时电流较大，,r,d,很小，近似认为二极管的端电压不随电流变化,恒压特性。,折线,近似,模型：,图,1-20(c),二极管的交流小信号模型,:,工作点,Q,处的交流电阻,r,d,。其交流与直流通路如下图：注意,电容,C,：,（,1,）,C,称为隔直电容；（,2,）,C,称为耦合电容：,例,1,：电路图,1-26,（,a,），,V(t)=2sin2,10,4,t(mV)C=200F,，估算二极管电流中的交流成分,i,d,(t),。,解,1,）,v(t)=0V,时，画出直流通路,1-26b,图。,2,）当,v(t),加入后，,画交流通路时将,C,短路。图,1-26C,。,I,D,I,D,=,（,3-0.7,）,/R=8,（,mA,）,r,d,=U,T,/I,D,=26/8=3.25(,),i,d,=v(t)/rd=,2sin2,10,4,t(mV),/3.25=0.6,sin2,10,4,t,四 二极管应用电路,（,1,）低频及脉冲电路中，做整流、限幅、钳位、稳压、波形变换,（,2,）集成运放加二极管构成指数、对数、乘法、除法等运算电路,（,3,）高频电路中做检波、调幅、混频等,1.,整流电路：利用二极管的单向导电特性，将交流变成单向（即直流）脉动电压的过程，称为整流。,将交流电源整流成为直流电流的二极管叫作整流二极管，它是面结合型的功率器件，因结电容大，故工作频率低。通常，,IF,在,1,安以上的二极管采用金属壳封装，以利于散热；,IF,在,1,安以下的采用全塑料封装（见图,2,）由于近代工艺技术不断提高，国外出现了不少较大功率的管子，也采用塑封形式。,图,1-28,为典型的单相半波整流电路。分析如下：,（,1,）当,v,i,(t)0,二极管正偏,（,2,）当,v,i,(t)0,二极管反偏,金属封装,朔料封装,2.,限幅电路：,（,1,）双向限幅电路：图,1-30,，设,v,i,(t)=3sint,（,2,）单向限幅电路,（取,E,r,=0,即为教材上的例题）：,（,3,）幅度可调的,双向限幅电路：,例二：图中所示为理想二极管，,ui,波形如图，绘出,uo,波形。,解：如图，,ui,3V,时,uo=ui,（,D,通）；,ui,3V,uo=3V,（,D,不通）；,ui,=3V,uo=3V,（临界导通）。绘图如下,例三：如图电路，已知,ui,（,t,）,=10sin,t,（,V,）,V,D,=0.7V,，绘出,uo,波形。,+,-,uo,10V,-10V,5.7V,-5.7V,ui,（,t,）,10V,t,t,3,钳位电路（主要用于组成门电路,）,能改变信号的直流电压成分，又叫直流恢复电路。图,1-31,。,设,v,i,(t),是,2.5V,的方波信号,1-31,（,b,），,Vo=,？,例四：如图电路则,4,续流作用：元件保护,在电子线路中，常用二极管来保护其他元器件免受过高电压的损害，如图,1.1.7,所示电路，,L,和,R,是线圈的电感和电阻。在开关,S,接通时，电源,E,给线圈供电，,L,中有电流流过，储存了磁场能量。在开关,S,由接通到断开的瞬时，电流突然中断，,L,中将产生一个高于电源电压很多倍的自感电动势,e,L,，,e,L,与,E,叠加作用在开关,S,的端子上，在,S,的端子上产生电火花放电，这将影响设备的正常工作，使开关,S,寿命缩短。接入二极管,V,D,后，,e,L,通过二极管,V,D,产生放电电流,i,使,L,中储存的能量不经过开关,S,放掉，从而保护了开关,S,。,5,、检波二极管,检波二极管是用于把迭加在高频载波上的低频信号检出来的器件,它具有较高的检波效率和良好的频率特性。,6,、开关二极管,在脉冲数字电路中，用于接通和关断电路的二极管叫开关二极管，它的特点是反向恢复时间短，能满足高频和超高频应用的需要。开关二极管有接触型，平面型和扩散台面型几种，一般,IF,500,毫安的硅开关二极管，多采用全密封环氧树脂，陶瓷片状封装，如图三所示，引脚较长的一端为正极。,图,3,、硅开关二极管全密封环环氧树脂陶瓷片状封装,1-4 PN,结的反向击穿及其应用,一 反向击穿,PN,结反向击穿：,PN,结反向电压增大到一定量值时，反向 电流激增，这一现象称为,PN,结反向击穿。,反向击穿电压：反向击穿时的电压值。,1,雪崩击穿,-,价电子被碰撞电离：发生雪崩击穿条件是：反偏电压,6V,。温度增加，击穿电压增大。,2,齐纳击穿,-,价电子被场致激发，大反偏电压下结会有很强的电场大电场力将共价键上的价电子拉出共价键自由电子空穴对结内载流子激增反向电流激增齐纳击穿。,反偏电压,4V,齐纳击穿。,温度增加，击穿电压减小。,稳压 管：,工作在反向击穿状态的二极管电路符号及特性曲线如图。,稳压 管的参数：稳定电压,V,z,最小稳定电流,I,zMIN,最大稳定电流,I,zMAX,动态电阻,r,z,。,+,-,U,I,I,Z,I,Zmax,U,Z,I,Z,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,U,Z,动态电阻：,r,z,越小，稳压性能越好。,（,5,）,电压温度系数,U,（,%/,）,稳压值受温度变化影响的的系数。,（,6,）最大允许功耗,2,稳压管应用电路：,R,L,：负载电阻；,R,：限流电阻；要求输入电压,V,I,V,Z,u,o,i,Z,D,Z,R,i,L,i,u,i,R,L,例四,:,如图电路,Dz1,与,Dz2,为稳压范围,5V;10V,的稳压管,求,Uo.,1-5 PN,结电容效应及应用,现象：半波整流电路中交流电压从,50Hz,改为,500KHz,，在输入电压的负半周时，二极管上也有导通电流。,原因：二极管,PN,结存在电容效应。,结论：高频时二极管失去电向导电特性。,一 势垒电容,C,T,：线性电容的充电过程。,二 扩散电容,C,D,:,图,1-41,，两区在,PN,结正偏时，多子存在净的越结扩散，进入对方区域中成为非平衡少子，在空间电荷区两侧积累，形成非平衡少子浓度分,和,p,n,(x),。存在非平衡少子浓度分布的两个区域扩散区。,C,D,PN,结正向直流电流。,三 二极管电容特性,:,C,T,和,C,D,均为非线性电容，按增量电容定义：,考虑,C,T,和,C,D,，不计,P,区,N,区体电阻和漏电阻，在,Q,点处二极管的小信号模型为：图,1-43,。,C,T,和,C,D,对外电路并连等效，总的电容,C,j,：,C,j,=C,T,+C,D,C,j,称为,PN,结的结电容。,变容二极管：,利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极管，,简称变容管。,四、特种二极管,:,多,只讲,LED.,1.,发光二极管及其应用,1),发光二极管的符号及特性 发光二极管的符号如图,1.1.8(a),所示。它是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称,LED(Light Emitting Diode),。发光二极管和普通二极管相似，也由一个,PN,结组成。发光二极管在正向导通时，由于空穴和电子的复合而发出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同。常见的,LED,有红、绿、黄等颜色。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力。由于发光二极管体积小、可靠性高、耗电省、寿命长，被广泛用于信号指示等电路中。,2,、,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,例五,:,如图理想二极管组成电路,计算,U,O,.,谢谢大家,