晶体二极管工作原理及应用(电气.ppt

1,电子技术基础模拟电子技术,南京理工大学泰州科技学院 孙正凤,2,课程的性质与任务,性质 普通高等院校电类专业的一门学科基础课，为后继专业课程学习以及电子技术在专业中的应用打下基础。 任务 使学生掌握模拟电子技术方面的基本理论（电子电路的基本分析方法）、基本知识（常用电子器件和电子电路的性能以及主要应用）和基本技能（电子测试技术、电子电路的分析计算能力和识图能力）。,3,模 拟 电 子 技 术 基 础,电子器件及基本应用,第一章 晶体二极管工作原理及应用 第二章 晶体三极管及基本放大器 第三章 场效应管及其应用,基本功能电路,第四章 负反馈放大器 第五章 振荡电路 第六章 电流源电路 第七章 差分放大电路 第八章 功率放大电路,模拟集成电路,第九章 运算放大器 第十章 集成稳压电路 第十一章 在系统可编程模拟器件,教材知识体系,4,本课程是属于技术基础性质的课程，它与大学物理、电路等基础理论课程相比，更接近工程实际。,课程的特点和学习方法,5,课程安排： 共计3学分，其中：理论课占2.5学分 实验课占0.5学分 考核方法： 闭卷考试 总评成绩=平时成绩20%+实验成绩10%+考试成绩70%,课程安排和考核方法,6,第一章 晶体二极管工作原理及应用,1.1 引言 1.2 半导体物理知识 1.3PN结 1.4 实际二极管的伏安特性 1.5二极管的模型、参数、分析方法及基本应用 1.6 其它类型的二极管,7,1.1 引言,P,N,正极,负极,（a） 二极管结构示意图,（b） 二极管的电路符号,8,1.2 半导体物理知识,1.2.1 概述 1.2.2 本征半导体 1.2.3 杂质半导体 1.2.4 载流子的运动,9,1.2.1 概述,导体：电阻率小于10-3.cm，很容易导电，称为导体.如铜、铝、银等金属材料； 绝缘体：电阻率大于109.cm，很难导电，称为绝缘体，如塑料、橡胶、陶瓷等材料； 半导体：电阻率在10-3109.cm，导电能力介于导体和绝缘体之间，例如硅(Si)和锗(Ge)等半导体材料；,10,半导体材料制作电子器件的原因?,不是因为它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而是在于半导体材料具有热敏性、光敏性和掺杂性。,11,半导体材料制作电子器件的原因?,1、热敏性：是半导体的导电能力随着温度的升高而迅速增加，例如纯净锗从20升高到30时，电阻率下降为原来的1/2； 2、光敏性：半导体的导电能力随光照的变化有显著改变的特性；例如硫化镉薄膜在暗处：电阻为几十M。光照：电阻下降为几十K 3、掺杂性：是半导体导电能力因掺入适量的杂质而发生很大的变化，例如在半导体硅中，只要掺入亿分之一的硼杂质，电阻率下降到原来的几万分之一，利用这一特性，可以制造出不同性能不同用途的半导体器件。,12,+14,2,8,4,+32,2,8,18,4,硅(锗)的原子结构,硅,锗,硅(锗)的原子结构简化模型,Si,Ge,13,1.2.2 本征半导体,1、本征半导体： 纯净的半导体单晶。,原子按一定的规则整齐排列、结构完整。,硅(锗)的晶体结构,14,共价键,1.2.2 本征半导体,A硅原子电子数为14，最外层电子为四个，是四价元素,B、硅原子结合方式是共价键结合： (i)每个价电子都要受到相邻两个原子核的束缚; (ii)半导体的价电子既不象导体的价电子那样容易挣脱成为自由电子，也不象绝缘体中被束缚，所以其导电能力介于导体与绝缘体之间,本征半导体的原子结构共价键结合，以硅原子（T=0K）为例。,15,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,共价键,2、本征激发和两种载流子,A、本征激发 电子、空穴对的产生,B、价电子填充空穴的运动,C、空穴是可以移动的，其实是共价键的电子依次填补空穴，形成空穴的移动,16,3、复合,(1)复合：自由电子跳进空穴，并释放出能量的现象。 (2)当温度一定时，激发和复合达到动态平衡，空穴浓度和自由电子浓度相等，而且是一个定值。 (3) 本征载流子浓度：本征半导体单位体积内的载流子数量。,电子空穴对成对消失-本征激发现象的逆过程,本征半导体中 电子的浓度,本征半导体中 空穴的浓度,与半导体材料有关的常数， Si： Ge：,0K时半导体材料的带隙能量。 Si：1.207eV Ge：0.785eV,玻耳兹曼常数， k=8.63eV/K,17,例1.1.1 计算在室温270C（300K）时硅和锗的本征载流子浓度。 解：Si： Ge： 结论：相同温度下。Ge的导电能力比Si强。,18,本征激发小结,本征半导体中的电子和空穴是成对产生的，因此本征半导体还是电中性的。 自由电子在晶格中运动；空穴在共价键内运动。 温度一定时激发和复合达到动态平衡，即温度一定时半导体材料中的载流子浓度是一定的。 温度升高时半导体材料中的载流子浓度就增大，导电能力增强。因此本征半导体可以制成热敏元件或光敏元件。,19,1.2.3 杂质半导体,在室温270C时，Si的本征载流子浓度为1.51010cm-3,原子密度为2.41022cm-3。只有三万亿分一的原子由于本征激发产生了电子-空穴对。 结论：本征半导体导电能力很弱！ 为了提高半导体的导电能力，并且人为控制半导体材料的导电性，可以采用掺杂技术。 掺杂：将半导体材料中掺入一定量的杂质元素，这样的半导体称为杂质半导体。 杂质半导体可可分为：N型半导体和P型半导体,掺杂要求：1.杂质元素的浓度要远大于 本征载流子浓度； 2.杂质元素的浓度又要远小于 材料的原子密度。,20,+4,+4,+4,+5,+4,+4,磷原子,空穴是少子,电子是多子,硅原子,1、N型半导体（N-type Semiconductor）,A、在四价的本征硅中掺入微量的五价元素（如磷、砷）。 B、磷原子失去一个电子自身成不能移动的带正电荷的离子，称为施主杂质。掺入一个磷原子就提供一个自由电子。 C、N型半导体中,电子是多子,空穴是少子 D、整块的半导体仍为中性,多子（自由电子）浓度施主杂质掺杂浓度 根据半导体物理中的热平衡条件： 少子（空穴）浓度：,21,A、在四价的本征硅中掺入微量的3价硼 B、硼原子在共价键留下一个空位，相邻硅原子中的价电子容易移过来填补个空位 。硼原子接受一个电子，成为带负电的离子，称受主杂质；在相邻硅共价键中产生一个带正电的空穴 C、P型半导体中：空穴是多子；电子是少子 D、整块的半导体仍为中性,+4,+4,+4,+3,+4,+4,2、P型半导体（P-type Semiconductor）,硅原子,硼原子,空穴是多子,电子是少子,多子（空穴）浓度受主杂质掺杂浓度 根据半导体物理中的热平衡条件： 少子（自由电子）浓度：,22,杂质半导体小结,杂质半导体有两类：一类是N型半导体，另一类是P型半导体。 杂质半导体掺杂浓度要远大于对应的本征载流子浓度，又要远小于半导体的原子密度。 本征半导体中掺入5价元素（施主杂质）就形成N形半导体，N型半导体的多子是电子，少子是空穴；当本征半导体中掺入3价元素（受主杂质）就形成P型半导体，P型半导体的多子是空穴，少子是电子。,23,杂质半导体小结,在一定的温度范围内，杂质半导体中的多子浓度近似等于掺杂浓度，几乎和温度无关；少子浓度是对应温度下的本征载流子浓度的平方除以掺杂浓度，并随温度的升高而增加。 当温度过高时，本征载流子浓度可能会高于掺杂浓度，此时的半导体具有本征半导体的特性了。,24,半导体中的电子和空穴有两种运动形式。 1、载流子的漂移运动： 载流子在外加电场的作用 下而产生的运动。 2、载流子的扩散运动：由于浓度差而引起的载流子 的运动。,1.2.4 载流子的运动,25,I,IP,IN,空穴电流,电子电流,外电路电流,本征半导体中载流子的飘移运动示意图,半导体中两种载流子：带正电荷的空穴,带负电荷的自由电子,外电场,它们在外电场的作用下，会出现定向运动,本征半导体,1、载流子的漂移运动,26,2、载流子的扩散运动,N,注入空穴,扩散电流,27,漂移运动和扩散运动小结,载流子有两种运动：漂移运动和扩散运动。 在电场的作用下，载流子的运动为漂移运动，载流子的漂移运动产生漂移电流。 在浓度差的作用下，载流子的运动称为扩散运动，载流子的扩散运动产生扩散电流。,28,1.3 PN结,1.3.1 概述 1.3.2 热平衡情况下的PN结 1.3.3 PN结的伏安特性 1.3.4 PN结的电容特性,29,1.3.2 热平衡情况下的PN结,P型区,N型区,(2)随着内电场由弱到强的建立,少子漂移从无到有,逐渐加强,而扩散运动逐渐减弱, 形成平衡的PN结。,(1)多子的扩散运动产生空间电荷区建立内电场,1、PN结(PN Junction)的形成,多子的扩散,多子的扩散,动画演示,30,1.3.2 热平衡情况下的PN结,2、内建电位差或内建电压：热平衡情况下，PN结的宽度一定，在PN结两端存在的电压。,温度的电压当量。室温下VT=26mV,31,1.3.3 PN结的伏安特性,伏安特性：PN结的电流和加在它两端的电压的关系。 1.PN结的正向特性(forward bias外加正向电压) 2.PN结的反向特性(reverse bias外加反向电压),32,1、PN结的正向特性,P,N,内电场,外电场,IF = I多子 I少子 I多子,A、正向偏压的接法：P区接高电位，N区接低电位,B、正向偏压削弱内电场，有利多子的扩散运动，使PN结空间电荷区变窄；,C、正向偏压时，PN结为导通状态，外电路电流IF很大，PN结呈现的正向电阻很小,I多子,PN结为导通状态,动画演示,33,D、反向偏压PN结为截止状态，外电路电流接近为O，PN结呈现的反向电阻很大,P,N,内电场,IR = I少子 0,A、反向偏压的接法：P区接低电位，N区接高电位,B、反向偏压内电场增强，不利多子扩散运动，有利于少子的漂移运动，形成反向电流IR，IR很小，硅管为纳安数量级，锗管为微安数量级。,I少子,PN结为截止状态,2、PN结的反向特性,C、反向偏压，使PN结空间电荷区变宽。,D、反向偏压PN结为截止状态，外电路电流接近为O，PN结呈现的反向电阻很大,34,3、PN结的伏安特性表达式,PN结的反向饱和电流,(1)当所加正向电压V 远大于VT（0.1V）时，,(2)当所加正向电压V 远小于VT（-0.1V）时，,35,PN结的伏安特性,硅PN结,4、PN结的击穿,硅PN结,锗PN结,死区电压,A、正向特性加正向偏压UF A、UF较小时，IF较小 B、UF大于死区电压时，IF迅速增加，并按指数规律上升。如图中A段所示 C、当正向电流变化很大时，PN结两端电压几乎不变，硅PN结约0.60.7V，锗PN结约0.20.3V，分别作为正向工作时两端直流压降的估算值。,B、反向特性加反向偏压UR A、反向电流IR是少子漂移运动引起，所以数量小，几乎不变，又称为反向饱和电流IS。 B、当温度升高，IS增加 C、硅PN结IS小于1uA，锗PN结为几十到几百uA。,C、击穿特性 当UR继续增大，并超过某一个特定电压值时，IR将急剧增大，这种现象称为击穿，这时对应的电压叫击穿电压UBR。,锗PN结,36,1、反向击穿类型：,电击穿,热击穿,2、反向击穿原因：,齐纳击穿： (Zener),反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，负温度系数),雪崩击穿：,反向电场使电子加速，动能增大，撞击 使自由电子数突增。, PN 结未损坏，断电即恢复。, PN 结烧毁。,(击穿电压 6 V，正温度系数),击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。,第 1 章 半导体二极管,4、PN结的击穿,37,IF /mA,0.2,0.6,0.4,0.8,UF/V,T 升高时，U th以 (2 2.5) mV/ C 下降,输入曲线左移 当温度 升高10 C时，Is增加一倍,IR/ A,Uth,半导体具有热敏性，温度变化,使二极管参数发生变化，使二极管工作不稳定。,IF/ A,5、PN结的温度特性,38,1.3.4 PN结的电容特性,若PN结两端加上随时间变化的电压时，PN结还会显示出电容特性，PN结电容有两种类型：一种称为势垒电容，用CB表示；另一种称为扩散电容，用CD表示。,39,PN结小结,当温度一定时，PN结处于动态平衡，多子的扩散等于少子的漂移数量，因此空间电荷区宽度一定，内建电位差为一个定值， 当温度升高时，VB下降。 PN结的伏安特性是非线性的，它的表达式为： PN结加正向电压时，IF和V 近似成指数关系 PN结加反向电压时，反向电流和反向电压无关。 当PN上的反响电压大于VBR时，PN结击穿。PN结的击穿特性可以用来稳压。,40,PN结小结,当温度升高时，PN结伏安特性曲线的正向特性向左移；反向饱和电流IS增大；击穿电压VBR可能是负温度系数（对应齐纳击穿），也可能是正温度系数（对应雪崩击穿）。 PN电容Cj=CB+CD，当PN结加正向电压时，以扩散电容CD为主，即CjCD；当PN结加反向电压时，以势垒电容CB为主，即Cj=CB 。,41,1.4 实际二极管的伏安特性,42,1.5 二极管的模型、参数、分析方法及基本应用,1.5.1 概述 1.5.2 二极管的开关模型及应用 1.5.3 二极管的恒压模型及应用 1.5.4 二极管的小信号模型 1.5.5 二极管电路的分析方法 1.5.6 二极管的主要参数,43,1.5.1 绪论,i,v,Q1,Q2,V1,I1,V2,I2,直流电阻：,交流电阻：,44,1、UD0时，二极管正向导通，管压降为0，即UF=0，视二极管为短路； 2、 UD0时，二极管反向截止，电流为0，即IF=0，视二极管为开路。,UF,IF,二极管的开关模型,1.5.2 二极管的开关模型及应用,导通,截止,45,1、UD0.7V时，二极管正向导通，管压降为0.7V，即UF=0.7V，视二极管为短路； 2、 UD0.7时，二极管反向截止，电流为0，即IF=0，视二极管为开路。,UF,IF,二极管的恒压模型,1.5.2 二极管的恒压模型及应用,导通,截止,46,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,47,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,48,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,49,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,50,1、整流应用 利用二极管单向导电性把大小和方向都变化的正弦交流电变为单向脉动的直流电。 2、