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1、掌握內(nèi)容:PN結(jié)的特性理解內(nèi)容:半導(dǎo)體的分類與特性了解內(nèi)容:PN結(jié)的形成;特殊二極管重 點:PN結(jié)及其特性,二極管及其基本電路難 點:二極管的建模及應(yīng)用本章學(xué)時:4第 2章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路掌握內(nèi)容:PN結(jié)的特性第 2章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.2PN結(jié)的形成及特性2.3半導(dǎo)體二極管2.4二極管基本電路及其分析方法小結(jié)2.5特殊二極管第 2章 半導(dǎo)體二極管及其基本電路2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.2PN結(jié)的形成及特性2.3半2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.1.1本征半導(dǎo)體2.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體2.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識2.1.1本征半導(dǎo)體2.1.2雜2.1.1 本征半導(dǎo)體半導(dǎo)
2、體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。本征半導(dǎo)體 純凈的半導(dǎo)體。如硅、鍺單晶體。載流子 自由運動的帶電粒子。共價鍵 相鄰原子共有價電子所形成的束縛。2.1.1 本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體 導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化模型慣性核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)價電子自由電子(束縛電子)空穴空穴空穴可在共價鍵內(nèi)移動硅(鍺)的原子結(jié)構(gòu)簡化慣性核硅(鍺)的共價鍵結(jié)構(gòu)價電子自(束本征激發(fā):復(fù) 合:自由電子和空穴在運動中相遇重新結(jié)合成對消失的過程。漂 移:自由電子和空穴在電場作用下的定向運動。在室溫或光照下價電子獲得足夠能量擺脫共價鍵的束縛成為自由電子,并在共價鍵中留下一個空位(空穴)的過程。本征激發(fā):復(fù)
3、 合:自由電子和空穴在運動中相遇重兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共價鍵以外)的運動空穴(在共價鍵以內(nèi))的運動 結(jié)論:1. 本征半導(dǎo)體中電子空穴成對出現(xiàn),且數(shù)量少; 2. 半導(dǎo)體中有電子和空穴兩種載流子參與導(dǎo)電; 3. 本征半導(dǎo)體導(dǎo)電能力弱,并與溫度有關(guān)。兩種載流子電子(自由電子)空穴兩種載流子的運動自由電子(在共2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由電子電子為多數(shù)載流子空穴為少數(shù)載流子載流子數(shù) 電子數(shù)2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體N 2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體
4、P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子電子 少子載流子數(shù) 空穴數(shù)2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體一、N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體P 二、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI = IP + INN 型半導(dǎo)體 I INP 型半導(dǎo)體 I IP二、雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電作用IIPINI = IP + INN 三、P 型、N 型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子正離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子三、P 型、N 型半導(dǎo)體的簡化圖示負(fù)離子多數(shù)載流子少數(shù)載流子2.2 PN 結(jié)一、PN 結(jié)(PN Junction)的形成1. 載流子的濃度差引起多子的擴散2. 復(fù)合使交界面形成空間電荷區(qū)(耗盡層) 空間電荷區(qū)特點:無載流
5、子,阻止擴散進行,利于少子的漂移。內(nèi)建電場2.2 PN 結(jié)一、PN 結(jié)(PN Junction)的形3. 擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流, 總電流 I = 0。二、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?. 外加正向電壓(正向偏置) forward bias3. 擴散和漂移達到動態(tài)平衡擴散電流 等于漂移電流, 總電P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向 PN 結(jié)移動,中和部分離子使空間電荷區(qū)變窄。 IF限流電阻擴散運動加強形成正向電流 IF 。IF = I多子 I少子 I多子2. 外加反向電壓(反向偏置) reverse bias P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使少子背離 PN 結(jié)移動, 空間電荷
6、區(qū)變寬。IRPN 結(jié)的單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通,呈小電阻,電流較大; 反偏截止,電阻很大,電流近似為零。漂移運動加強形成反向電流 IRIR = I少子 0P 區(qū)N 區(qū)內(nèi)電場外電場外電場使多子向 PN 結(jié)移動,IF限三、PN 結(jié)的伏安特性反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng) T = 300(27C):UT = 26 mVOu /VI /mA正向特性反向擊穿加正向電壓時加反向電壓時iIS三、PN 結(jié)的伏安特性溫度的電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng) T = 2.3半導(dǎo)體二極管2.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型2.3.2 二極管的伏安特性2.3.3 二極管的主要參數(shù)2.3半導(dǎo)體二極管2.3.1 半導(dǎo)體
7、二極管的結(jié)構(gòu)和類型22.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成:PN 結(jié) + 引線 + 管殼 = 二極管(Diode)符號:A(anode)C(cathode)分類:按材料分硅二極管鍺二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型2.3.1 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型構(gòu)成:PN 結(jié) + 引點接觸型正極引線觸絲N 型鍺片外殼負(fù)極引線負(fù)極引線 面接觸型N型鍺PN 結(jié) 正極引線鋁合金小球底座金銻合金正極引線負(fù)極引線集成電路中平面型PNP 型支持襯底點接觸型正極觸絲N 型鍺片外殼負(fù)極負(fù)極引線 面接觸型N型鍺P掌握內(nèi)容PN結(jié)的特性理解內(nèi)容半導(dǎo)體的分類與特性了解內(nèi)容PN課件2.3.2 二極管的伏安特性一、PN 結(jié)的伏安
8、方程反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)當(dāng) T = 300(27C):UT = 26 mV2.3.2 二極管的伏安特性一、PN 結(jié)的伏安方程溫度的電二、二極管的伏安特性O(shè)uD /ViD /mA正向特性Uth死區(qū)電壓iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(鍺管)U UthiD 急劇上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8) V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V鍺管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向擊穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 幾十 A (鍺)U U(BR)反向電流急劇增大(反向擊穿)二、二極管的伏安特性O(shè)uD /ViD
9、 /mA正向特性Uth死反向擊穿類型:電擊穿熱擊穿反向擊穿原因: 齊納擊穿:(Zener)反向電場太強,將電子強行拉出共價鍵。 (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。反向擊穿類型:電擊穿熱擊穿反向擊穿原因: 齊納擊穿:反向電場硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / ViD / mAuD / V0.20.4 25 50510150.010.020硅管的伏安特性鍺管的伏安特性604020 0.02 0.溫度對二極管特性的影響604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C9
10、0CT 升高時,UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降溫度對二極管特性的影響604020 0.0200.4252.3.3 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流(最大正向平均電流)2. URM 最高反向工作電壓,為 U(BR) / 2 3. IR 反向電流(越小單向?qū)щ娦栽胶?4. fM 最高工作頻率(超過時單向?qū)щ娦宰儾?iDuDU (BR)I FURMO2.3.3 二極管的主要參數(shù)1. IF 最大整流電流(影響工作頻率的原因 PN 結(jié)的電容效應(yīng) 結(jié)論:1. 低頻時,因結(jié)電容很小,對 PN 結(jié)影響很小。 高頻時,因容抗增大,使結(jié)電容分流,導(dǎo)致單向 導(dǎo)電性變差。2. 結(jié)面積小時結(jié)電
11、容小,工作頻率高。影響工作頻率的原因 PN 結(jié)的電容效應(yīng) 2.4二極管基本電路 及其分析方法2.4.1 理想二極管及二極管 特性的折線近似2.4.2 圖解法和微變等效電路法2.4二極管基本電路2.4.1 理想二極管及二極管2.4.1 理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管特性uDiD符號及等效模型SS正偏導(dǎo)通,uD = 0;反偏截止, iD = 0 U(BR) = 2.4.1 理想二極管及二極管特性的折線近似一、理想二極管二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD = UD(on)0.7 V (Si)0.2 V (Ge)二、二極管的恒壓降模型uDiDUD(on)uD = UD(o三
12、、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/ rDrD1UD(on)三、二極管的折線近似模型uDiDUD(on)UI斜率1/UD(on)例 1 硅二極管,R = 2 k,分別用二極管理想模型和恒壓降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 時 IO 和 UO 的值。UD(on)例 1 硅二極管,R = 2 k,分別用二解VDD = 2 V 理想IO = VDD / R = 2 / 2 = 1 (mA)UO = VDD = 2 V恒壓降UO = VDD UD(on) = 2 0.7 = 1.3 (V)IO = UO / R = 1.3 / 2 = 0.65 (mA)VDD
13、 = 10 V 理想IO = VDD/ R = 10 / 2 = 5 (mA)恒壓降UO = 10 0.7 = 9.3 (V)IO = 9.3 / 2 = 4.65 (mA)VDD 大, 采用理想模型VDD 小, 采用恒壓降模型解VDD = 2 V 理想IO = VDD / R =例2 試求電路中電流 I1、I2、IO 和輸出電壓 UO 的值。解:假設(shè)二極管斷開UP = 15 VUP UN二極管導(dǎo)通等效為 0.7 V 的恒壓源 PN例2 試求電路中電流 I1、I2、IO 和輸出電壓解:假UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3
14、/ 3 = 4.8 (mA)I2 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 =例 3 二極管構(gòu)成“門”電路,設(shè) V1、V2 均為理想二極管,當(dāng)輸入電壓 UA、UB 為低電壓 0 V 和高電壓 5 V 的不同組合時,求輸出電壓 UO 的值。0 V正偏導(dǎo)通5 V正偏導(dǎo)通0 V例 3 二極管構(gòu)成“門”電路,設(shè) V1、V2 均為理想二極輸入電壓理想二極管輸出電壓UAUBV1V20 V0 V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通0 V0 V5 V正偏導(dǎo)通反偏截止0
15、V5 V0 V反偏截止正偏導(dǎo)通0 V5 V5 V正偏導(dǎo)通正偏導(dǎo)通5 V輸入電壓理想二極管輸出UAUBV1V20 V0 V正偏正偏0例 4 畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在ui = 15sint (V) 作用下輸出 uO 的波形。(按理想模型)Otui / V15RLV1V2V3V4uiBAuO例 4 畫出硅二極管構(gòu)成的橋式整流電路在(按理想模型)OtOtuO/ V15若有條件,可切換到 EWB 環(huán)境觀察橋式整流波形。OtuO/ V15若有條件,可切換到 EWB 環(huán)境觀察橋例 5 ui = 2 sin t (V),分析二極管的限幅作用。ui 較小,宜采用恒壓降模型ui 0.7 VV1、V2 均截
16、止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 導(dǎo)通 V截止ui 0.7 VV1 導(dǎo)通 V2 截止uO = 0.7 V例 5 ui = 2 sin t (V),分析二極管的限思考題: V1、V2 支路各串聯(lián)恒壓源,輸出波形如何?(可切至 EWB )OtuO/ V0.7Otui / V2 0.7思考題: V1、V2 支路各串聯(lián)恒壓源,輸出波2.4.2 圖解法和微變等效電路法一、二極管電路的直流圖解分析 uD = VDD iDRiD = f (uD) 1.2 V100 iD / mA128400.30.6uD / V1.20.9MN直流負(fù)載線斜率 1/R靜態(tài)工作點斜率1/RDiDQIQU
17、Q2.4.2 圖解法和微變等效電路法一、二極管電路的直流圖解也可取 UQ = 0.7 VIQ= (VDD UQ) / R = 5 (mA) 二極管直流電阻 RD也可取 UQ = 0.7 VIQ= (VDD UQ) iD / mAuD /VO二、交流圖解法電路中含直流和小信號交流電源時,二極管中含交、直流成分C 隔直流 通交流當(dāng) ui = 0 時iD = IQUQ= 0.7 V (硅),0.2 V (鍺)設(shè) ui = sin wtVDDVDD/ RQIQwtOuiUQ斜率1/rdiD / mAuD /VO二、交流圖解法電路中含直流和小信號iD / mAuD /VOVDDVDD/ RQIQwtOu
18、iUQiD / mAwtOid斜率1/rdrd = UT / IQ= 26 mV / IQ當(dāng) ui 幅度較小時,二極管伏安特性在Q點附近近似為直線iD / mAuD /VOVDDVDD/ RQIQwtOuiuiudRidrd三、微變等效電路分析法對于交流信號電路可等效為例 6 ui = 5sint (mV),VDD= 4 V,R = 1 k, 求 iD 和 uD。解 1. 靜態(tài)分析令 ui = 0,取 UQ 0.7 VIQ = (VDDUQ) / R = 3.3 mAuiudRidrd三、微變等效電路分析法對于交流信號例 6 2. 動態(tài)分析rd = 26 / IQ = 26 / 3.3 8 (
19、)Idm= Udm/ rd= 5 /8 0.625 (mA)id = 0.625 sint3. 總電壓、電流= (0.7 + 0.005 sint ) V= (3.3 + 0.625 sint ) mA2. 動態(tài)分析rd = 26 / IQ = 26 / 3.32.5特殊二極管2.5.1 穩(wěn)壓二極管2.5.2 光電二極管2.5特殊二極管2.5.1 穩(wěn)壓二極管2.5.2 光電2.5.1 穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件:反向擊穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性2.5.1 穩(wěn)壓二極管一、伏安特性符號工作條件:反向擊穿二、主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電
20、流時穩(wěn)壓管 兩端的反向電壓值。2. 穩(wěn)定電流 IZ 越大穩(wěn)壓效果越好, 小于 Imin 時不穩(wěn)壓。3. 最大工作電流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM4. 動態(tài)電阻 rZrZ = UZ / IZ 越小穩(wěn)壓效果越好。幾 幾十 二、主要參數(shù)1. 穩(wěn)定電壓 UZ 流過規(guī)定電流5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT一般,UZ 4 V,CTV 7 V,CTV 0 (為雪崩擊穿)具有正溫度系數(shù);4 V UZ 7 V,CTV 很小。5. 穩(wěn)定電壓溫度系數(shù) CT一般,UZ 4 V,CTV 例 1 分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理, R 為限流電阻。IR = IZ + ILUO= UI IR RUIUOR
21、RLILIRIZ例 1 分析簡單穩(wěn)壓電路的工作原理,IR = IZ + I2.5.2 發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管 LED (Light Emitting Diode)1. 符號和特性工作條件:正向偏置一般工作電流幾十 mA, 導(dǎo)通電壓 (1 2) V符號u /Vi /mAO2特性2.5.2 發(fā)光二極管與光敏二極管一、發(fā)光二極管 LED 2. 主要參數(shù)電學(xué)參數(shù):I FM ,U(BR) ,IR光學(xué)參數(shù):峰值波長 P,亮度 L,光通量 發(fā)光類型:可見光:紅、黃、綠顯示類型: 普通 LED ,不可見光:紅外光點陣 LED七段 LED ,2. 主要參數(shù)電學(xué)參數(shù):I FM ,U(BR) ,IR光學(xué)參掌握內(nèi)容PN結(jié)的特性理解內(nèi)容半導(dǎo)體的分類與特性了解內(nèi)容PN課件二、光敏二極管1符號和特性符號特性uiO暗電流E = 200 lxE = 400 lx工作條件:反向偏置2. 主要參數(shù)電學(xué)參數(shù):暗電流,光電流,最高工作范圍光學(xué)參數(shù):光譜范圍,靈敏度,峰值波長實物照片二、光敏二極管1符號和特性符號特性uiO暗電流E = 20補充:選擇二極管限流電阻步驟:1. 設(shè)定工作電壓(如 0.
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