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文档简介
1、.,第一章 半导体二极管及基本电路,模拟电子技术基础,.,第一章 半导体二极管及基本电路,1.1 半导体的基本知识,1.2 PN结的形成及特性,1.3 二极管及伏安特性,1.5 二极管基本电路及分析方法,1.6 特殊二极管,1.4 二极管的等效模型,.,1.1 半导体的基本知识,一、本征半导体,无杂质,稳定的结构,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、半导体,导电物质可分为:,导体:金属,绝缘体:惰性气体、橡皮、瓷等,半导体:介于以上两者之间,如硅、锗等,半导体的导电特性:,1、半导体导电能力受环境影响很大,(1)受温度:,当温度改变时,其导电能力改变,热敏元件,(2)受光照:,当光照强度
2、改变时,其导电能力改变,光敏元件,2、半导体中掺入杂质,其导电能力大大增强,2、本征半导体(纯半导体),Si:14个电子,2)8)4,Ge:32个电子,2)8)18)4,价电子数可决定物质化学性质,(1),.,.,.,(2)晶体结构,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,自由电子,空穴,本征激发产生成对的自由电子和空穴,(3)本征半导体的导电机理,温度愈高或光照越强,晶体中产生的成对的自由电子和空穴便愈多。,自由电子和空穴形成两种载流子,在外电场的作用下,空穴吸引相邻原子的价电子来填补,而在该原子中出现一个空穴,其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。,.,注意: (1)
3、本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差; (2) 温度愈高, 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以,温度对半导体器件性能影响很大。,二、N型半导体和 P 型半导体(杂质半导体),多余电子,磷原子,在本征半导体中掺入微量的5价元素 ,形成N型半导体。,在常温下即可变为自由电子,1、N型半导体,多数载流子:自由电子,少数载流子:空穴,动画,.,2、 P 型半导体,硼原子,空穴,注意:无论N型或P型半导体都是中性的(其正负电荷数相等),对外不显电性、不带电。,在本征半导体中掺入微量的3价元素 ,形成P型半导体。,多数载流子:空穴,少数载流子:自由电子,动画,杂质半导体主要靠多数载流
4、子导电。掺入杂质越多,多子浓度越高,导电性越强,实现导电性可控。,.,1. 在杂质半导体中多子的数量与 (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 (a. 掺杂浓度、b.温度)有关。,3. 当温度升高时,少子的数量 (a. 减少、b. 不变、c. 增多)。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下,P 型半导体中的电流 主要是 ,N 型半导体中的电流主要是 。 (a. 电子电流、b.空穴电流),b,a,.,1.2 PN结及单向导电性,一、PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结
5、,形成空间电荷区,1、扩散运动,由于浓度不同,多子运动,形成内电场,阻碍了多子继续扩散。,2、漂移运动,少子在内电场的作用下形成漂移运动。,动画,又称为 耗尽层,.,二、PN结的单向导电性,1、PN 结加正向电压(正向偏置),PN 结变窄,P接正、N接负,I,外电场克服内电场,使多子不断扩散,形成较大的扩散电流,此时PN结呈现低阻,处于导通状态,动画,PN 结加正向电压时,PN结变窄,正向电流较大,正向电阻较小,PN结处于导通状态。,.,2、PN 结加反向电压(反向偏置),P接负、N接正,动画,PN 结变宽,IS,外电场加强内电场,使多子不能扩散,少子的漂移加强,由于少子数量很少,形成很小的反
6、向电流。,PN 结加反向电压时,PN结变宽,反向电流较小,反向电阻较大,PN结处于截止状态。,.,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,PN结的电流方程,.,3、PN结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时,空间电荷区的宽度将发生变化,有电荷的积累和释放的过程,与电容的充放电相同,其等效电容称为势垒电容CB。,2. 扩散电容,PN结外加的正向电压变化时,在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化,也有电荷的积累和释放的过程,其等效电容称为扩散电容CD。,结电容:,结电容不是常量!若PN结外加电压频率高到一定
7、程度,则失去单向导电性!,.,1.3 半导体二极管及伏安特性,一、基本结构、符号,二极管就是一个PN结。,1、结构:,P区为正(阳)极,N区为负(阴)极,D,2、符号:,将PN结封装,引出两个电极,就构成了二极管。,.,二极管的种类,小功率二极管,大功率二极管,稳压 二极管,发光 二极管,.,晶体二极管的单向导电性,利用二极管的这个特性,可使用二极管进行检波和整流。,单向导电性:,.,二、伏安特性,特点:非线性,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的 电压当量,.,从二极管的伏安特性可以反映出:,2. 伏安特性受温度影响,T()在电流不变情况下管压
8、降u 反向饱和电流 IS,U(BR) ,正向特性为指数曲线,反向特性为横轴的平行线,T()正向特性左移,反向特性下移.,1.单向导电性,.,三、二极管的主要参数,.,1.4 二极管的等效模型,将二极管的伏安特性折线化,以简化分析计算。,理想 模型,导通时 UD0截止时IS0,导通时UDUon 截止时IS0,折线模型,应根据不同情况选择不同的等效电路!,恒压降 模型,导通时UDUon+IDrD 截止时IS0,一、二极管直流等效电路,最接近实际模型,.,二极管在直流(静态)基础上叠加一个交流(动态)信号作用时,可将二极管等效为一个电阻,这个电阻称为动态电阻,也就是二极管的微变等效电路。,二、二极管
9、小信号等效电路,也称微变等效电路。,Q越高,rd越小。,ui=0,时直流电源作用,小信号作用,静态电流,静态工作点,微变等效电路用于二极管电路的交流分析。,交流信号,.,1.5 二极管基本电路及分析方法,一、直流分析,1. 二极管的静态工作情况分析,理想模型,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.,.,恒压降模型,(硅二极管典型值),折线模型,(硅二极管典型值),设,.,电路如图,求:UAB,若考虑管压降, UAB 为6.3(锗管)或6.7V(硅管),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。,
10、分析:,V阳 =6 V V阴 =12 V,V阳V阴 二极管导通,若二极管做理想模型处理,可看作短路,UAB = 6V,二极管开关电路,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,.,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。,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,分析:,V1阳 =6 V,共阴极接法:阳极电位高的先导通。,V2阳 V1阳 D2 优先导通, D1截
11、止。,V2阳=0 V,V1阴 = V2阴= 12 V,共阳极接法:阴极电位低的先导通。,.,可看作短路 uo = 8V,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,可看作开路 uo = ui,当ui 8V时:二极管截止,当ui8V时:二极管导通,.,讨论 判断电路中二极管的工作状态,求解输出电压。,如何判断二极管工作状态?,.,1. V2V、5V、10V时二极管中的直流电流各为多少?,V 较小时应实测伏安特性,用图解法求ID。,Q,ID,V5V时,,V=10V时,,uD=V-
12、iDR,二、交流微变等效电路,2. 若输入电压的有效值为5mV,则上述各种情况下二极管中 的交流电流各为多少?,.,(1) V2V,ID2.6mA,(2) V5V,ID 8.6mA,(3) V10V,ID 50mA,在伏安特性上,Q点越高,二极管的动态电阻越小!,.,2. 符号,3. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,为使IZIZM,使用时必须要加限流电阻,原理:稳压管反向击穿后,电流变化很大,但其两端电压变化很小,利用此特性,稳压管在电路中可起稳压作用。,1. 结构,由一个PN结组成的特殊二极管,一、稳压二极管,1.6 特殊二极管,进入稳压区 的最小电流,不至于损坏的最大电流,.,6、主要参数,稳定电压UZ 稳定电流IZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ /IZ,正向导通区,反向截止区,稳压工作区,5、三个工作区,4、等效电路:,工程上的稳压管,由UZ和PZM来选择。,.,例:在如图所示的电路中稳压管的稳定电压UZ6V,最小稳定电流IZmin5mA,最大稳定电流IZmax25mA。 (1)分别计算UI为10V、15V、35V三种情况下输出电压UO的值; (2)若UI35V时负载开路,则会出现什么现象?为什么?,解:(1)当UI10V时, 若UOUZ6V,则稳压管的电流为4mA,小于其最小稳定电流,所以稳压管未击穿。故,当UI15V时,稳压管中
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