模电二极管PPT教案

1、模电模电 二极管二极管第一页，共44页。 本征半导体的共价键结构(jigu)束缚电子束缚电子在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键紧紧所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会束缚在共价键中，不会(b hu)成为自由电子，因此本征成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体化学成分纯净(chnjng)的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。第1页/共44页第二页，共44页。 这一现象称为(chn wi)本征激发，也称热激发。 当温度升高或受到当

2、温度升高或受到光的照射时，束缚电光的照射时，束缚电子能量增高子能量增高(znggo)，有的电子可以挣脱，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参原子核的束缚，而参与导电，成为自由电与导电，成为自由电子。子。自由电子自由电子(z yu din z)+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的同自由电子产生的同时，在其原来的共价键时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，中就出现了一个空位，称为称为空穴空穴。第2页/共44页第三页，共44页。 可见本征激发同时产生电子空穴对。 外加(wiji)能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。 与本征激发相反与本征激发相反(xingfn)的现象的

3、现象复合复合在一定温度下，本征激发在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到和复合同时进行，达到(d do)动态平衡。电子动态平衡。电子空穴对的浓度一定。空穴对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对第3页/共44页第四页，共44页。自由电子自由电子(z yu din z) (z yu din z) 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流(dinli)(dinli)载

4、流子载流子空穴空穴(kn(kn xu) xu) 带正电荷带正电荷 空穴空穴(kn(kn xu) xu)流流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制第4页/共44页第五页，共44页。二二. . 杂质杂质(zzh)(zzh)半导体半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素(yun s)后的半导体称为杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素(yun s)，例如磷，砷等，称为N型半导体。 第5页/共44页第六页，共44页。N型半导体型半导体

5、多余多余(duy)电子电子磷原子磷原子(yunz)硅原子硅原子(yunz)多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对第6页/共44页第七页，共44页。 在本征半导体中掺入三价杂质在本征半导体中掺入三价杂质(zzh)元素，如硼、镓等。元素，如硼、镓等。空穴空穴(kn xu)硼原硼原子子(yunz)硅原子硅原子多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体模拟电子技术绪论.ppt第7页/共44页第八页，共44页

6、。杂质杂质(zzh)半导体的示意图半导体的示意图+N型半导体多子多子(du z)电子电子少子少子(sho z)空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与温度无关与温度无关+N型硅表示型硅表示P型硅表示型硅表示第8页/共44页第九页，共44页。小结小结(xioji)：1. 掺入杂质的浓度掺入杂质的浓度(nngd)决定多数载流子浓度决定多数载流子浓度(nngd)；温度决定少数载流子的浓度；温度决定少数载流子的浓度(nngd)。3. 杂质半导体总体杂质半导体总体(zngt)上保持电中性。上保持电中性。 4. 杂质半导体的表示方法如下图所示

7、。杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体杂质半导体载流子的数目载流子的数目要远远高于本征半导要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。体，因而其导电能力大大改善。( (a) )N 型半导体型半导体( (b) ) P 型半导体型半导体图图 杂质半导体的的简化表示法杂质半导体的的简化表示法第9页/共44页第十页，共44页。内电场E因多子因多子(du (du z)z)浓度差浓度差形成形成(xngchng)(xngchng)内电内电场场多子多子(du z)(du z)的扩散的扩散空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合空间电荷区空间电

8、荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层三三. . PN结及其单向导电性结及其单向导电性 1 . PN结的形成结的形成 第10页/共44页第十一页，共44页。少子飘少子飘移移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩多子扩散散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽耗尽层层动态平衡：动态平衡：扩散电流扩散电流(dinli) 漂移电流漂移电流(dinli)总电流总电流(dinli)0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V第11页/共44页第十二页，

9、共44页。2. PN结的单向结的单向(dn xin)导电性导电性(1) 加正向电压加正向电压(diny)（正偏）（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场外电场(din chng)(din chng)的方向与内电场的方向与内电场(din (din chng)chng)方向相反。方向相反。 外电场外电场(din chng)(din chng)削弱内电场削弱内电场(din chng)(din chng)耗尽层变窄耗尽层变窄扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F (forward current)正向电流正向电流第12页/共44页

10、第十三页，共44页。(2) 加反向电压加反向电压电源电源(dinyun)正极接正极接N区，区，负极接负极接P区区 外电场的方向与内电场方向相同外电场的方向与内电场方向相同(xin tn)(xin tn)。 外电场加强内电场外电场加强内电场耗尽层变宽耗尽层变宽漂移运动漂移运动(yndng)扩散扩散运动运动(yndng)少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R (reverse current)+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大

11、小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与与温度有关。温度有关。 第13页/共44页第十四页，共44页。 PN PN结加正向电压时，具有较大的正结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流向扩散电流(dinli)(dinli)，呈现低电阻，呈现低电阻， PN PN结导通；结导通； PN PN结加反向电压时，具有很小的反结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流向漂移电流(dinli)(dinli)，呈现高电阻，呈现高电阻， PN PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PNPN结具有单向结具有单向导电性。导电性。第14页/共44页第十五页，共44页。

12、3. PN结的伏安特性结的伏安特性(txng)曲线及表达式曲线及表达式 根据理论推导，PN结的伏安特性(txng)曲线如图正偏正偏IF（多子（多子(du z)扩散）扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆第15页/共44页第十六页，共44页。 1.2 半导体二极管半导体二极管在在PN结上加上引线和封装，就成为结上加上引线和封装，就成为(chngwi)一个二极一个二极管。管。二极管按结构分有点接触二极管按结构分有点接触(jich)型、面接触型、面接触(jich)型和平面型型和平面型图

13、图1.2.11.2.1二极管的几种二极管的几种(j (j zhn)zhn)外形外形第16页/共44页第十七页，共44页。半导体二极管半导体二极管 二极管二极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线(ynxin)NP结构结构(jigu)符号符号(fho)阳极阳极+阴极阴极-第17页/共44页第十八页，共44页。 二极管按结构二极管按结构(jigu)分三大类：分三大类：(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积(min j)小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝第18页/共44页第十九页，共44页。(3) 平面平面(pngmin)

14、型二极管型二极管 用于集成电路制造工艺中。PN 结面积(min j)可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触面接触(jich)型二极型二极管管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电路。负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座第19页/共44页第二十页，共44页。半导体二极管的型号半导体二极管的型号(xngho)国家标准国家标准(u ji bio zhn)对半导体器件型号的命名举例如下：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。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管

15、，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。第20页/共44页第二十一页，共44页。 1.2.2二极管的伏安二极管的伏安(f n)特性特性二极管的伏安二极管的伏安(f n)(f n)特性曲线可用下特性曲线可用下式表示式表示0 D/V0.2 0.4 0.6 0.8 10 20 30 405101520 10 20 30 40iD/ AiD/mA死区死区VthVBR硅二极管硅二极管2CP102CP10的的伏安伏安特性特性+iDvD

16、-R正向正向(zhn xin)特性特性反向特性反向特性反向击穿特性反向击穿特性开启电压：开启电压：0.5V导通电压：导通电压：0.7) 1e(STUuIi一、伏安特性一、伏安特性0 D/V0.2 0.4 0.6 20 40 605101520 10 20 30 40iD/ AiD/mAVthVBR锗二极管锗二极管2AP152AP15的的伏安伏安特性特性UonU(BR)开启电压：开启电压：0.1V导通电压：导通电压：0.2V第21页/共44页第二十二页，共44页。二、温度二、温度(wnd)对二极管伏安特性对二极管伏安特性的影响的影响在环境温度升高在环境温度升高(shn o)时，二极管的正向特性时

17、，二极管的正向特性将左移，反向特性将下移。将左移，反向特性将下移。二极管的特性二极管的特性(txng)对温度很敏感，具有负温对温度很敏感，具有负温度系数。度系数。 50I / mAU / V0.20.4 25510150.010.020温度增温度增加加第22页/共44页第二十三页，共44页。第23页/共44页第二十四页，共44页。第24页/共44页第二十五页，共44页。第25页/共44页第二十六页，共44页。二二. 二极管的模型及近似二极管的模型及近似(jn s)分析计分析计算算例：例：IR10VE1k) 1(eTSUuIiD非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件Riu 第26页

18、/共44页第二十七页，共44页。二极管的模型二极管的模型(mxng)DU串联电压串联电压(diny)源模型源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V。理想理想(lxing)二极管模二极管模型型正偏正偏反偏反偏导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性iu0第27页/共44页第二十八页，共44页。二极管的近似分析二极管的近似分析(fnx)计计算算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压串联电压(diny)源模型源模型mA3 . 9K1V)7 . 010(I测量测量(cling)值值 9.32mA相对误差相对误差00002

19、. 010032. 99.332. 9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032. 932. 9100.7V第28页/共44页第二十九页，共44页。例：二极管构成的限幅电路如图所示，例：二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用的直流信号，分别采用(ciyng)理想二极管模型理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo解：（解：（1）采用理想）采用理想(lxing)模模型分析。型分析。 采用

20、采用(ciyng)理想二极管串联电压源模型分析。理想二极管串联电压源模型分析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu第29页/共44页第三十页，共44页。（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所示，分）所示，分别采用理想别采用理想(lxing)二极管模型和理想二极管模型和理想(lxing)二极管串联电压源二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。模型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：采用理想二极管解：采用理想

21、二极管模型模型(mxng)分析。波形如图所示分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第30页/共44页第三十一页，共44页。02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二极管串联电采用理想二极管串联电压压(diny)源模型分析，波源模型分析，波形如图所示。形如图所示。+-+UIuREFRiuO第31页/共44页第三十二页，共44页。二极管：死区电压二极管：死区电压=0 .5V，正向，正向(zhn xin)压降压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：死区电压理想二极管：死区电压=0 ，正向，正向(zhn xin)压降压降=0 RLuiuOuiuott二极管半波整流二极

22、管半波整流第32页/共44页第三十三页，共44页。电路如图所示，已知电路如图所示，已知uiui5sint (V)5sint (V)，二极管导，二极管导通电压通电压(diny)UD(diny)UD0.7V0.7V。试画出。试画出uiui与与uOuO的波形，的波形，并标出幅值。并标出幅值。 第33页/共44页第三十四页，共44页。Va、Vb有一个(y )是低电平（0V）：VO为低电平Va、Vb为高电平（5V）：VO为高电平所以所以(suy) F=AB开关电路：RD1D2VoVaVbVa (A)Vb (B)VO (F)D1D25V第34页/共44页第三十五页，共44页。三三. 二极管的主要参数二极管

23、的主要参数 (1) 最大整流(zhngli)电流IF二极管长期二极管长期(chngq)连续工连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2) 反向击穿反向击穿(j chun)电压电压UBR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。 (3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。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硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在级；锗二极管在微安微安( A)级。级

24、。第35页/共44页第三十六页，共44页。第36页/共44页第三十七页，共44页。当稳压二极管工作在反当稳压二极管工作在反向向(fn xin)击穿状态击穿状态下下,工作电流工作电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其其两端电压近似为常数两端电压近似为常数稳定稳定(wndng)电电压压四、稳压四、稳压(wn y)二极管二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同二正向同二极管极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻第37页/共44页第三十八页，共44页。 稳压(wn y)二极管的主要 参数 (1) 稳定(

25、wndng)电压UZ (2) 动态动态(dngti)电阻电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。下，所对应的反向工作电压。 rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZIUIzminIzmax第38页/共44页第三十九页，共44页。例：稳压例：稳压(wn y)二极管的应用二极管的应用RLuiuORDZiiziLUZ稳压二极管技术数据为：稳压值稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k，输入，输入电压电压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若负载电阻变化。若负载电阻变化(binhu)范围为范围为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？第39页/共44页第四十页，共44页。RLuiuORDZiiziLUZUZW=10V ui=12VR=200 Izm