极管及基本电路课件

1、极管及基本电路课件1 3.1 半导体的基本知识半导体的基本知识 3.3 半导体二极管半导体二极管 3.4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 3.5 特殊二极管特殊二极管(自学自学) 3.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 极管及基本电路课件2 3.1.1 半导体材料半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体本征半导体 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 半导体半导体:导电特性介于导体和绝缘体之间导电特性介于导体和绝缘体之间 典型的半导体有典型的半导体有硅硅Si和和锗锗Ge以及以及砷化镓砷化镓GaAs等。等。 1、其能力容易受环境因素

2、影响、其能力容易受环境因素影响 （温度温度、光照等）、光照等） 2、掺杂可以显著提高导电能力、掺杂可以显著提高导电能力 +4 极管及基本电路课件3 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 3.1.2 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 原子结构原子结构 简化模型简化模型 完全完全纯净、结构完整的半导体晶体。纯净、结构完整的半导体晶体。 3.1.3 本征半导体本征半导体 在在T=0K和无外界激发时，没有和无外界激发时，没有载流子载流子，不导电，不导电 两个价电子的两个价电子的 共价键共价键 正离子核正离子核 极管及基本电路课件4 3.1.3 本征半导体、空穴及其导电作用本征

3、半导体、空穴及其导电作用 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 温度温度 光照光照 自由电子自由电子 空穴空穴 本征激发本征激发 空穴空穴 共价键中的空位共价键中的空位 空穴的移动空穴的移动空穴的运空穴的运 动是靠相邻共价键中的价电动是靠相邻共价键中的价电 子依次充填空穴来实现的。子依次充填空穴来实现的。 由热激发或光照而产生由热激发或光照而产生 自由电子和空穴对自由电子和空穴对。 温度温度 载流子载流子浓度浓度 极管及基本电路课件5 空穴的移动空穴的移动 空穴的运动是靠相邻共价键中的空穴的运动是靠相邻共价键中的 价电子依次充填空穴来实现的价电子依次充填空穴来实现的 *半导体导

4、电特点半导体导电特点1：其能力容易受温度、光照等环境因素影响：其能力容易受温度、光照等环境因素影响 温度温度载流子载流子浓度浓度导电能力导电能力 极管及基本电路课件6 3.1.4 杂质半导体杂质半导体 N型半导体型半导体 掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷） P型半导体型半导体 掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼） 自由电子自由电子 多子多子 空穴空穴 少子少子 空穴空穴 多子多子 自由电子自由电子 少子少子由热激发形成由热激发形成 它主要由杂质原子提供它主要由杂质原子提供 空间电荷空间电荷 极管及基本电路课件7 掺入杂掺入杂 质对本征半导体的导电性有很大质对本征半导体

5、的导电性有很大 的影响，一些典型的数据如下的影响，一些典型的数据如下: T=300 K室温下室温下, ,本征硅的电子和空穴浓度本征硅的电子和空穴浓度: : n = p =1.41010/cm3 1 本征硅的原子浓度本征硅的原子浓度: : 4.961022/cm3 3 以上三个浓度基本上依次相差以上三个浓度基本上依次相差106/cm3 。 2 掺杂后掺杂后 N 型半导体中的自由电子浓度型半导体中的自由电子浓度: n=51016/cm3 杂杂质对半导体导电性的影响质对半导体导电性的影响 极管及基本电路课件8 极管及基本电路课件9 3.2.1 PN结的形成结的形成 3.2.2 PN结的单向导电性结的

6、单向导电性 * 3.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 3.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 极管及基本电路课件10 3.2.1 PN结的形成结的形成 1. 浓度差浓度差多子的多子的扩散扩散运动运动 2. 扩散扩散空间电荷区空间电荷区内电场内电场 3. 内电场内电场少子的少子的漂移漂移运动运动 阻止阻止多子的多子的扩散扩散 4、扩散与漂移达到、扩散与漂移达到动态平衡动态平衡 载流子的载流子的 运动：运动： 扩散扩散运动运动浓度差产生的载流子移动浓度差产生的载流子移动 漂移漂移运动运动在电场作用下，载流子的移动在电场作用下，载流子的移动 P区区N区区 扩散：空穴扩散：空穴电子电子 漂移：电

7、子漂移：电子空穴空穴 形成过程可分成形成过程可分成4步步 (动画动画) P 型N 型 内电场内电场 极管及基本电路课件11 PN结形成的物理过程：结形成的物理过程： 因浓度差因浓度差 空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。 多子的扩散运动多子的扩散运动杂质离子形成空间电荷区 杂质离子形成空间电荷区 对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层型半导体结合面，离子薄层 形成的形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。 在空间

8、电荷区，由于缺少多子，所以也称在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层耗尽层。 扩散扩散 漂移漂移 否否 是是 宽宽 极管及基本电路课件12 3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 只有在外加电压时才只有在外加电压时才 扩散与漂移的动态平衡将扩散与漂移的动态平衡将 定义：定义：加加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏加加反向电压反向电压，简称，简称反偏反偏 扩散扩散 漂移漂移 大的正向扩散电流（多子）大的正向扩散电流（多子） 低电阻低电阻 正向导通正向导通 漂移漂移 扩散扩散 很小的反向漂移电流（少子）很小的反向漂移电流（少子） 高电阻高电阻 反向截止反向截止 极管及基本电路课件13

9、3.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 2、PN结方程结方程 iD/mA 1.0 0.5 0.51.00.501.0 D/V PN结的伏安特性结的伏安特性 iD/mA 1.0 0.5 iD=IS 0.51.00.501.0 D/V 陡峭陡峭电阻小电阻小 正向导通正向导通 1、PN结的伏安特性结的伏安特性 特性平坦特性平坦反向截止反向截止 一一 定的温度条件下，由本征激发定的温度条件下，由本征激发 决定的少子浓度是一定的决定的少子浓度是一定的 非线性非线性 其中其中 )1( / SD D T Vv eIi IS 反向饱和电流反向饱和电流 VT 温度的电压当量温度的电压当量 且在常温下（且在

10、常温下（T=300K） V026. 0 q kT VTmV 26 近似近似 估算估算 正向：正向： T Vv eIi / SD D 反向：反向： SD Ii 极管及基本电路课件14 3.2.3 PN结的反向击穿结的反向击穿 当当PN结的反向电结的反向电 压增加到一定数值时，压增加到一定数值时， 反向电流突然快速增加，反向电流突然快速增加， 此现象称为此现象称为PN结的结的反反 向击穿。向击穿。 iD O VBR D 热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆 极管及基本电路课件15 3.2.4 PN结的电容效应结的电容效应 (1) 势垒电容势垒电容CB

11、势垒电容示意图势垒电容示意图 扩散电容示意图扩散电容示意图 (2) 扩散电容扩散电容CD 极管及基本电路课件16 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的参数二极管的参数 阴极阴极 k 阳极阳极 a PN结结加上引线和封装加上引线和封装 二极管二极管 按结构按结构 分类分类 点接触型点接触型 面接触型面接触型 平面型平面型 极管及基本电路课件17 半导体二极管图片半导体二极管图片 阴极阴极 引线引线 阳极阳极 引线引线 P N P 型支持衬底型支持衬底 点接触型点接触型 面接触型面接触型 平面型平面型 极管及基本电路课

12、件18 3.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 3. PN结方程（近似）结方程（近似） )1( / SD D T Vv eIi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死区死区 Vth VBR 硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性 0 D/V 0.2 0.4 0.6 20 40 60 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA Vth VBR 锗二极管锗二极管2AP15的的V-I 特性特性 正向特性正向特性 反向特性反向特性 反向击穿特性反向击穿特性 Vt

13、h = 0.5V（硅）硅） Vth = 0.1V（锗）锗）注注 意意 1. 死区电压（门坎电压）死区电压（门坎电压） 2. 反向饱和电流反向饱和电流硅：硅：0.1 A；锗：锗：10 A 极管及基本电路课件19 3.3.3 二极管的参数二极管的参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF (2) 反向击穿电压反向击穿电压VBR和最大反向工作电压和最大反向工作电压VRM (3) 反向电流反向电流IR (4) 正向压降正向压降VF (5) 极间电容极间电容CB 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 40 5 10 15 20 10 20 30 40 iD/ A iD/mA 死区

14、死区 Vth VBR 硅二极管硅二极管2CP10的的V-I 特性特性 极管及基本电路课件20 3.4.1 二极管二极管V- I 特性的建模特性的建模 3.4.2 应用举例应用举例 5、应用电路分析举例、应用电路分析举例 2、二极管状态判断、二极管状态判断 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 3、图解分析法、图解分析法 4、等效电路（模型）分析法、等效电路（模型）分析法 讲课思路：讲课思路： 极管及基本电路课件21 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述应用电路举例应用电路举例 D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 例例

15、2.4.2（习题（习题2.4.12）习题习题2.4.5 整流整流限幅限幅 习题习题2.4.6 初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性 D导通：导通：vO = vI - vD D截止：截止：vO = 0 D导通：导通：vO = vD D截止：截止：vO = vI 左图左图 中图中图 显然，显然，vO 与与 vI 的关系由的关系由D的状态的状态决定决定 而且，而且，D处于反向截止时最简单！处于反向截止时最简单！ 极管及基本电路课件22 分析思路分析思路 n分析任务：求分析任务：求vD、iD n目的目的1: 确定电路功能，即信号确定电路功能，即信号vI传递到传递到vO ，有何变

16、化？有何变化？ n目的目的2: 判断二极管判断二极管D是否安全。是否安全。 n首先，判断首先，判断D的状态？的状态？ n若若D反向截止，则相当于开路（反向截止，则相当于开路（ iD 0，ROFF ）；）； n若若D正向导通，则？正向导通，则？ n正向导通分析方法：正向导通分析方法： n图解法图解法 n等效电路（模型）法等效电路（模型）法 将非线性将非线性 线性线性 n先静态（直流），后动态（交流）先静态（直流），后动态（交流） n静态：静态： vI =0（正弦波过正弦波过0点）点） n动态：动态： vI 0 1、二极管电路的分析概述、二极管电路的分析概述 极管及基本电路课件23 2、二极管状态

17、判断、二极管状态判断 例例1: 2CP1（硅），硅），IF=16mA， VBR=40V。求求VD、ID。 + ID VD R=10k VI + 10V + ID VD R=10k VI + 10V + ID VD R=1k VI + 20V + ID VD R=10k VI + 100V (a)(b)(c)(d) 正偏正偏正偏正偏反偏反偏反偏反偏 iD IF ？ D反向截止反向截止 ID = 0 VD = -10V D反向击穿反向击穿 iD = ？ vD = ？ 二极管状态判断方法二极管状态判断方法 假设假设D截止截止(开路开路)， 求求D两端开路电压两端开路电压 普通：热击穿损坏普通：热击穿

18、损坏 齐纳：电击穿齐纳：电击穿 VD = - VBR= -40V VD 0VD正向导通？正向导通？ -VBR IF ？ D反向截止反向截止 ID = 0 VD = -10V D反向击穿反向击穿 iD = ？ vD = ？ 普通：热击穿损坏普通：热击穿损坏 齐纳：电击穿齐纳：电击穿 VD = - VBR= -40V D正向导通？正向导通？D正向导通！正向导通！ 极管及基本电路课件32 例例2.4.2（习题（习题2.4.12） D vO R iD vI + iD vO R vI + vO + D VREF + R vi 习题习题2.4.5整流整流限幅限幅习题习题2.4.6例例2.4.2（习题（习题

19、2.4.12） 5、应用电路分析举例、应用电路分析举例 例例6: 画出画出vO波形波形。 初步分析初步分析依据二极管的单向导电性依据二极管的单向导电性 D导通：导通：vO = vI - vD D截止：截止：vO = 0 D导通：导通：vO = vD D截止：截止：vO = vI 左图左图 中图中图 极管及基本电路课件33 VI = 10V， vi = 1Vsin t 例例4:已知伏安特性已知伏安特性,求求vD、iD。 iD D + D + VI R=10k vi 0 D/V 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 iD/mA 1.0 0.8 0.4 1.2 5、应用电路分析举例、应用电路分析举

20、例 iD=ID+D DiD = 0.95mA+0.1mAsin t vD=VD+D DvD 0.7V R=10k VI + 10V ID + VD 静态分析静态分析 vi=0 DiD DD + rd + i R DiD DD + rd + i R 动态分析动态分析 VI=0 小信号模型小信号模型(小信号等效电路小信号等效电路) 极管及基本电路课件34 极管及基本电路课件35 分析方法小结分析方法小结 假设假设D截止（开路）截止（开路） 求求D两端开路电压两端开路电压 VD 0.7VD正向导通正向导通 - VBR VD 0.7VD反向截止反向截止ID = 0 (开路开路) VD - VBRD反向击穿反向击穿 VD = - VBR (恒压恒压) VD = 0.7V (恒压降恒压降) 状态状态等效电路等效电路条件条件 将不同状态的等效电路（模型）将不同状态的等效电路（模型） 带入原电路中，分析带入原电路中，分析vI和和vO 的的 关系关系 画出电压波形和电画出电压波形和电 压传输特性压传输特性 特殊情况：求特殊情况：求D DvD（波动）波动）小信号模型和叠加原理小信号模型和叠加原理 恒压降模型恒压降模型 极管及基本电路课件36 3.5.1 稳压二极管（齐纳）稳压二极管（齐纳） 3.5.2 变容二极管变容二极管 3.5.3 光电子器件光电