晶體二極管工作原理及應(yīng)用電氣PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1 晶體二極管工作原理及應(yīng)用電氣晶體二極管工作原理及應(yīng)用電氣 2 模 擬 電 子 技 術(shù) 基 礎(chǔ) 電子器件及基 本應(yīng)用 第一章 晶體二極管工作原理及應(yīng)用 第二章 晶體三極管及基本放大器 第三章 場效應(yīng)管及其應(yīng)用 基本功能電路 第四章 負(fù)反饋放大器 第五章 振蕩電路 第六章 電流源電路 第七章 差分放大電路 第八章 功率放大電路 模擬集成電路 第九章 運算放大器 第十章 集成穩(wěn)壓電路 第十一章 在系統(tǒng)可編程模擬器件 第1頁/共57頁 3 本課程是屬于技術(shù)基礎(chǔ)性質(zhì)的課程，它與大 學(xué)物理、電路等基礎(chǔ)理論課程相比，更接 近工程實際。 第2頁/共57頁 4 課程安排： 共計3學(xué)分，其中：理論課占2

2、.5學(xué)分 實驗課占0.5學(xué)分 考核方法： 閉卷考試 總評成績=平時成績20%+實驗成績10%+考試成績70% 第3頁/共57頁 5 第4頁/共57頁 6 P N 正極負(fù)極 PN結(jié) 外殼 正極負(fù)極 （a） 二極管結(jié)構(gòu)示意圖 （b） 二極管的電路符號 第5頁/共57頁 7 第6頁/共57頁 8 第7頁/共57頁 9 第8頁/共57頁 10 K 3、摻雜性：是半導(dǎo)體導(dǎo)電能力因 摻入適量的雜質(zhì)而發(fā)生很大的變 化，例如在半導(dǎo)體硅中，只要摻 入億分之一的硼雜質(zhì)，電阻率下 降到原來的幾萬分之一，利用這 一特性，可以制造出不同性能不 同用途的半導(dǎo)體器件。 第9頁/共57頁 11 +4 +14284+32 2

3、8 18 4 硅鍺 硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型 SiGe 第10頁/共57頁 12 原子按一定的規(guī)則整 齊排列、結(jié)構(gòu)完 整。 硅(鍺)的晶體結(jié)構(gòu) 第11頁/共57頁 13 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價鍵 A硅原子電子數(shù)為14，最外層 電子為四個，是四價元素 B、硅原子結(jié)合方式是共價鍵 結(jié)合： (i)每個價電子都要受到相鄰 兩個原子核的束縛; (ii)半導(dǎo)體的價電子既不象導(dǎo) 體的價電子那樣容易掙脫成為 自由電子，也不象絕緣體中被 束縛，所以其導(dǎo)電能力介于導(dǎo) 體與絕緣體之間 本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)共價鍵結(jié)合，以硅原子（T=0K）為例。 第12頁/共57頁 14 +4 +

4、4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價鍵 空穴 自由電子 空穴 A、本征激發(fā) 電子、空穴對的產(chǎn)生 B、價電子填充空穴的運 動 C、空穴是可以移動的，其 實是共價鍵的電子依次填補 空穴，形成空穴的移動 第13頁/共57頁 15 3、復(fù)合 (1)復(fù)合：自由電子跳進空穴，并釋放出能量的現(xiàn)象。 (2)當(dāng)溫度一定時，激發(fā)和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，空穴濃 度和自由電子濃度相等，而且是一個定值。 (3) 本征載流子濃度：本征半導(dǎo)體單位體積內(nèi)的載流子 數(shù)量。 電子空穴對成對消 失-本征激發(fā) 現(xiàn)象的逆過程 kT E ii go eATpn 22 3 本征半導(dǎo)體中 電子的濃度 本征半導(dǎo)體中 空穴的濃度 與半

5、導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)， Si： Ge： 2 3 316 Kcm103.88 2 3 316 Kcm101.76 0K時半導(dǎo)體材料的帶 隙能量。 Si：1.207eV Ge：0.785eV 玻耳茲曼常數(shù)， k=8.63eV/K 第14頁/共57頁 16 結(jié)論：相同溫度下。Ge的導(dǎo)電能 力比Si強。 313 3300)1063. 8(2 785. 0 2 3 16 22 3 104 . 2 3001076. 1 5 cm cme eATpn kT E ii go 310 3300)1063. 8(2 207. 1 2 3 16 22 3 105 . 1 3001088. 3 5 cm cme eAT

6、pn kT E ii go 第15頁/共57頁 17 流子濃度就增大，導(dǎo)電能力增 強。因此本征半導(dǎo)體可以制成 熱敏元件或光敏元件。 第16頁/共57頁 18 。 n摻雜：將半導(dǎo)體材料中摻入一 定量的雜質(zhì)元素，這樣的半導(dǎo) 體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。 n雜質(zhì)半導(dǎo)體可可分為：N型半導(dǎo) 體和P型半導(dǎo)體 摻雜要求：1.雜質(zhì)元素的濃度要遠(yuǎn)大于 本征載流子濃度； 2.雜質(zhì)元素的濃度又要遠(yuǎn)小于 材料的原子密度。 第17頁/共57頁 19 +4 +4 +4 +5 +4 +4 磷原子 空穴是少子 電子是多子 硅原子 多數(shù)載流子 電子 少數(shù)載流子 空穴 N型半導(dǎo)體簡化模型 o多子（自由電子）濃度施主雜質(zhì)摻雜濃度 o根據(jù)半導(dǎo)

7、體物理中的熱平衡條件： o少子（空穴）濃度： dn Nn 0 2 00iii npnpn d i no N n p 2 第18頁/共57頁 20 +4 +4 +4 +3 +4 +4 硅原子 硼原子 空穴是多子 電子是少子 o多子（空穴）濃度受主雜質(zhì)摻雜濃度 o根據(jù)半導(dǎo)體物理中的熱平衡條件： o少子（自由電子）濃度： P型半導(dǎo)體簡化模型 多數(shù)載流子 少數(shù)載流子 2 00iii npnpn a i po N n n 2 ap Np 0 第19頁/共57頁 21 半導(dǎo)體，P型半導(dǎo)體的多子是空 穴，少子是電子。 第20頁/共57頁 22 第21頁/共57頁 23 2、載流子的擴散運動：由于濃 度差而引

8、起的載流子 的運動。 第22頁/共57頁 24 I IP IN 空穴電流 電子電流 外電路電流 NP III 本征半導(dǎo)體中載流子的飄移運動示意圖 半導(dǎo)體中兩種載流子： 帶正電荷的空穴 帶負(fù)電荷的自由電子 外電場 它們在外電 場的作用下 ，會出現(xiàn)定 向運動 本征半導(dǎo)體 第23頁/共57頁 25 N 注入空穴 擴散電流 第24頁/共57頁 26 第25頁/共57頁 27 第26頁/共57頁 28 P型區(qū)N型區(qū) 內(nèi)建電場 PN結(jié) (2)隨著內(nèi)電場由弱到強的建立,少子漂移從無到有 ,逐漸加強,而擴散運動逐漸減弱, 形成平衡的PN結(jié) 。 (1)多子的擴散運動產(chǎn)生空間電荷區(qū)建立內(nèi)電場 1、PN結(jié)(PN J

9、unction)的形成 多子的擴散 多子的擴散 動畫演示 第27頁/共57頁 29 P型區(qū) 內(nèi)建電場 PN結(jié) )ln()ln( 22 i da T i da B n NN V n NN q kT V 溫度的電壓當(dāng)量。室溫下VT=26mV 第28頁/共57頁 30 第29頁/共57頁 31 P N內(nèi)電場 外電場 正向電流IF IF = I多子 I少子 I多子 A、正向偏壓的接法：P區(qū)接高電位，N區(qū)接低電位B、正向偏壓削弱內(nèi)電場，有利多子的擴散運動 ，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變窄； C、正向偏壓時，PN結(jié)為導(dǎo)通狀態(tài)，外電路電 流IF很大，PN結(jié)呈現(xiàn)的正向電阻很小 限流電阻 R U I多子 PN結(jié)為導(dǎo)通狀

10、態(tài) 動畫演示 第30頁/共57頁 32 D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O ，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大 P N 內(nèi)電場 IR = I少子 0 反向電流IR A、反向偏壓的接法：P區(qū)接低電位，N區(qū)接高電位 B、反向偏壓內(nèi)電場增強，不利多子擴散運動，有利 于少子的漂移運動，形成反向電流IR，IR很小，硅管 為納安數(shù)量級，鍺管為微安數(shù)量級。 限流電阻 R 外電場 U I少子 PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài) C、反向偏壓，使PN結(jié)空間電荷區(qū)變寬。 D、反向偏壓PN結(jié)為截止?fàn)顟B(tài)，外電路電流接近為O ，PN結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很大 第31頁/共57頁 33 3、PN結(jié)的伏安特性表達(dá)式 )1( T V V S

11、eII PN結(jié)的反向飽和電流 (1)當(dāng)所加正向電壓V 遠(yuǎn)大于VT（0.1V）時， T V V SF eII (2)當(dāng)所加正向電壓V 遠(yuǎn)小于VT（-0.1V）時， SR II 第32頁/共57頁 34 IS 擊穿電壓UBR PN結(jié)的伏安特性 硅PN結(jié) A A 0 硅PN結(jié) 鍺PN結(jié) 死區(qū)電壓 IF /mA正向電流 10 40 30 20 0. 2 0. 6 0. 4 1. 0 0. 8 UF/V UR/V IR/ A 反向電流 反向電壓 正向電壓 A、正向特性加正向偏壓UF A、UF較小時，IF較小 B、UF大于死區(qū)電壓時，IF迅 速增加，并按指數(shù)規(guī)律上升。 如圖中A段所示 C、當(dāng)正向電流變化很

12、大時， PN結(jié)兩端電壓幾乎不變，硅 PN結(jié)約0.60.7V，鍺PN結(jié) 約0.20.3V，分別作為正向工 作時兩端直流壓降的估算值。 B、反向特性加反向偏壓UR A、反向電流IR是少子漂移運動引 起，所以數(shù)量小，幾乎不變，又稱 為反向飽和電流IS。 B、當(dāng)溫度升高，IS增加 C、硅PN結(jié)IS小于1uA，鍺PN結(jié) 為幾十到幾百uA。 C、擊穿特性 當(dāng)UR繼續(xù)增大，并超過某一個特 定電壓值時，IR將急劇增大，這種 現(xiàn)象稱為擊穿，這時對應(yīng)的電壓叫 擊穿電壓UBR。 鍺PN結(jié) 第33頁/共57頁 35 1、反向擊穿類型： 電擊穿 熱擊穿 2、反向擊穿原因： 齊納擊穿： (Zener) 反向電場太強，將電

13、子強行拉出共價鍵。 (擊穿電壓 6 V，正溫度系數(shù)) 擊穿電壓在 6 V 左右時，溫度系數(shù)趨近零。 第 1 章半導(dǎo)體二極管 4、PN結(jié)的擊穿 第34頁/共57頁 36 IF /mA 0. 2 0. 6 0. 4 0. 8 UF/V C20o C50 o C50 o C75 o C75 o C20o T 升高時，U th以 (2 2.5) mV/ C 下降,輸 入曲線左移 當(dāng)溫度 升高10 C時 ，Is增加一倍 IR/ A Uth 半導(dǎo)體具有熱敏性，溫度 變化,使二極管參數(shù)發(fā)生變 化，使二極管工作不穩(wěn)定 。 IF/ A 第35頁/共57頁 37 示。 第36頁/共57頁 38 )ln()ln(

14、22 i da T i da B n NN V n NN q kT V )1( T V V S eII 第37頁/共57頁 39 第38頁/共57頁 40 IF /mA正向電流 10 40 30 20 0. 2 0. 6 0. 4 1. 0 0. 8 UF/V UR/V IR/ A 反向電流 反向電壓 正向電壓 IS 擊穿電壓UBR 第39頁/共57頁 41 第40頁/共57頁 42 di 1.5.1 緒論 i v Q1 Q2 V1 I1 V2 I2 直流電阻： 1 1 1 I V R dv 2 2 2 I V R 交流電阻： 1 1 Q di dv r 2 2 Q di dv r 第41頁/

15、共57頁 43 1、UD0時，二極管正向?qū)?通，管壓降為0，即UF=0， 視二極管為短路； 2、 UD0時，二極管反向 截止，電流為0，即IF=0， 視二極管為開路。 UF IF 二極管的開關(guān)模型 0 導(dǎo)通 截止 第42頁/共57頁 44 1、UD0.7V時，二極管正向 導(dǎo)通，管壓降為0.7V，即 UF=0.7V，視二極管為短路 ； 2、 UD0.7時，二極管反 向截止，電流為0，即IF=0 ，視二極管為開路。 UF IF 二極管的恒壓模型 0 導(dǎo)通 截止 第43頁/共57頁 45 定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài) 導(dǎo)通 截止 若二極管是理想的， 第44頁/共57頁 46 例1： D 6V 12

16、V 3k B A UAB + 第45頁/共57頁 47 例2: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 第46頁/共57頁 48 V sin18 i tu t 第47頁/共57頁 49 第48頁/共57頁 50 Ui Uo t t 截止導(dǎo)通 UiUo VD RL (a) 二極管整流電路; (b) 輸入與輸出波形 1、整流應(yīng)用 第49頁/共57頁 51 導(dǎo)通截止導(dǎo)通截止 uoui t -3 t +3 -5 uo/v ui/v +5 E1 3v 3v E2 （a） 雙向限幅電路; （b） 輸入與輸出波形 1D V 2D V v3 v3 Ui3V: VD1導(dǎo)通,VD2截止 U0=3V Ui-3V: VD2導(dǎo)通,VD1截止 U0=-3V -