理学半导体二极管及基本电路课件.pptx
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- 理学 半导体 二极管 基本 电路 课件
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1、15.1 5.1 半导体的基础知识半导体的基础知识按物体的导电性能,可将物体分为导体、绝缘体按物体的导电性能,可将物体分为导体、绝缘体和半导体三类。和半导体三类。1.1.导体:导体:电阻率很低、电流易通过、导电性强的电阻率很低、电流易通过、导电性强的物体。物体。2.2.绝缘体:绝缘体:电阻率很高、电流不通过、无导电能电阻率很高、电流不通过、无导电能力的物体。力的物体。3.3.半导体:半导体:它的导电能力介于导体和绝缘体之间它的导电能力介于导体和绝缘体之间的物体。的物体。半导体是如何导电的?怎样提高其导电能力?半导体是如何导电的?怎样提高其导电能力?2 半导体经高度提纯并制成晶体后,原子间组成半
2、导体经高度提纯并制成晶体后,原子间组成某种形式的晶体点阵,这种半导体称为本征半导某种形式的晶体点阵,这种半导体称为本征半导体。也就是体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。完全纯净的、具有晶体结构的半导体。一一.本征半导体本征半导体(a)锗锗Ge 的原子结构的原子结构 (b)硅硅Si 的原子结构的原子结构3本征半导体导电方式本征半导体导电方式 以硅(以硅(SiSi)元素为例讨论、分析)元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构硅单晶中的共价键结构4 1)自由电子和空穴的形成)自由电子和空穴的形成 在外界的影响下在外界的影响下(如热、光、电场、(如热、光、电场、磁场等),使得其磁场等),使得其
3、共价键中的价电子共价键中的价电子获得一定能量后,获得一定能量后,电子受到激发脱离电子受到激发脱离共价键,成为自由共价键,成为自由电子(带负电),电子(带负电),共价键中留下一个共价键中留下一个空位,称为空位,称为“空空穴穴”。价电子价电子空穴空穴 自由电子自由电子5 2 2)载流子的形成)载流子的形成在外电场的作用下,价电子填补空穴,就好像在外电场的作用下,价电子填补空穴,就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反,空穴运动相当于正电荷的运动。的方向相反,空穴运动相当于正电荷的运动。当加上一定方向的电场后,就会不断有激发、当加上一定方向的电
4、场后,就会不断有激发、复合过程,出现两部分的电流,即复合过程,出现两部分的电流,即 电子电流:电子电流:自由电子作定向运动所形成的电;自由电子作定向运动所形成的电;空穴电流:空穴电流:被原子核束缚的价电子递补空穴所被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的电流。形成的电流。自由电子和空穴是运载电荷的粒子,称为自由电子和空穴是运载电荷的粒子,称为载流载流子子6二二.杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入微在本征半导体中掺入微量的杂质量的杂质(某种元素),而形成的半导体。某种元素),而形成的半导体。杂质半导体杂质半导体N 型半导体型半导体P 型半导体型半导体7在硅(或锗)的晶体中掺人
5、少量的五价元素(如在硅(或锗)的晶体中掺人少量的五价元素(如磷元素),如图所示,多余的第五个价电子很容磷元素),如图所示,多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。1.1.N 型半导体型半导体磷原子的结构磷原子的结构硅晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子8N 型半导体示意图型半导体示意图半导体中的自由电子数目大半导体中的自由电子数目大量增加,于是有:量增加,于是有:自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子以自由电子导电作为主要导以自由电子导电作为主要导电方式的半导体电方式的半导体,称为称为电子电子
6、半导体半导体或或 N 型半导体型半导体(N type semiconductor)。9自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 少数载流子少数载流子 多数载流子多数载流子以空穴导电作为主要导电方式的半导体,称为空以空穴导电作为主要导电方式的半导体,称为空穴半导体或穴半导体或 P型半导体型半导体 (P type semiconductor)。硅硅晶晶体体掺掺硼硼出出现现空空穴穴硼原子的结构硼原子的结构2.P 型半导体型半导体10掺杂浓度掺杂浓度温度温度N 型、型、P 型半导体示意图型半导体示意图N 型半导体型半导体 P 型半导体型半导体杂质半导体中多数载流子浓度取决于杂质半导体中多数载流子浓度取决于
7、少数载流子浓度取决于少数载流子浓度取决于11 半导体中存在着两种载流子半导体中存在着两种载流子-自由电子和空穴。自由电子和空穴。因此,半导体的导电原理明显区别于导体。因此,半导体的导电原理明显区别于导体。在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的导电能力和参加导电的主要载流子的类型。电能力和参加导电的主要载流子的类型。环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。例如当温度增加或受到光照时,半导体导电能力都如当温度增加或受到光照时,半导体导电能力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都是利用有所增加。半导体热敏器件和光敏
8、器件都是利用这一特性制造的。这一特性制造的。半导体的特点:半导体的特点:12三三.P N 结结多数载流子要从浓度大多数载流子要从浓度大的的 区域扩散到浓度小区域扩散到浓度小的区域,形成的区域,形成空间电荷空间电荷区区-PNPN结结,产生电场,产生电场,称为内电场称为内电场 E Ed d ;内电场对多数载的内电场对多数载的扩散扩散运动运动起阻挡作用,对少起阻挡作用,对少数载流子又起推动作用,数载流子又起推动作用,这种少数载流子在内电这种少数载流子在内电场作用下有规则的运动场作用下有规则的运动称为称为漂移运动漂移运动。13注意:注意:1)空间电荷区的正负离子虽带电,但它们不能移空间电荷区的正负离子
9、虽带电,但它们不能移动,动,不参与导电不参与导电。因区域内的载流子极少,所。因区域内的载流子极少,所以空间电荷区的电阻率很高。以空间电荷区的电阻率很高。2)内电场对多数载流子的内电场对多数载流子的扩散运动扩散运动起阻挡作用,起阻挡作用,所以所以空间电荷区空间电荷区-PN结结又称为又称为阻挡层阻挡层或或耗尽层耗尽层。1.PN1.PN结的形成结的形成随随Ed扩散运动扩散运动漂移运动漂移运动达到动态平衡达到动态平衡Ed 不变化不变化形成稳定的形成稳定的PN 结结142.P N 2.P N 结的单向导电性结的单向导电性1)PN 结加正向电压结加正向电压内电场内电场 EdPN 结变窄结变窄多子扩散运动多
10、子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动 PN 结导通结导通(PN 结呈现结呈现 R )形成正向电流形成正向电流 I 152)PN 结加反向电压结加反向电压16PN 结变宽结变宽多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动 PN 结截止结截止(PN 结呈现反向结呈现反向R )内电场内电场 Ed形成反向电流形成反向电流 I P区接负极区接负极N区接正极区接正极加反向电压加反向电压2)PN 结加反向电压结加反向电压结论结论:P N 结具有结具有单向导电单向导电性。性。加加正向正向电压,电压,PN结结导通导通,正向电流较大,结电阻,正向电流较大,结电阻很低。很低。加加反向反向电压,电压,PN 结结截止
11、截止,反向电流很小,结电阻,反向电流很小,结电阻很高。很高。173)PN 击穿击穿当加在当加在PNPN结的反向电压超过某一数值(结的反向电压超过某一数值(U UBRBR)时,反)时,反向电流会急剧增加,这种现象称为反向击穿。只要向电流会急剧增加,这种现象称为反向击穿。只要PNPN结不因电流过大产生过热而烧毁,反向电击穿与结不因电流过大产生过热而烧毁,反向电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。反向截止两种状态都是可逆的。4 4)PNPN结的电容效应结的电容效应加在加在PNPN结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的结上的电压的变化可影响空间电荷区电荷的变化,说明变化,说明PNPN结具电容效应。结具电
12、容效应。PNPN结的结电容的数值结的结电容的数值一般很小,故只有在工作频率很高的情况下才考虑一般很小,故只有在工作频率很高的情况下才考虑PNPN结的结电容作用。结的结电容作用。185.2 5.2 半导体二极管半导体二极管一一.点接触式和面接触式二极管的结构点接触式和面接触式二极管的结构D 阴极阴极阳极阳极二极管符号二极管符号19二二.伏安特性(伏安特性(VA特特性性)硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性将二极管分为三种将二极管分为三种状态状态截止截止、导导通通和和击穿击穿。20 硅二极管的伏安特性硅二极管的伏安特性 锗二极管的伏安特性锗二极管的伏安特性211)正
13、向特性:正向特性:OA段:当段:当 UF UT (死区电压)时外电场不(死区电压)时外电场不 足足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力,故以克服结内电场对多数载流子扩散运动的阻力,故正向电流正向电流 IF 很小很小(I F 0),D处于截止状态。处于截止状态。硅硅(Si):U T 0.5V;锗锗(Ge):U T 0.1V。AB段:当段:当 U F U T后,后,Ed扩散运动扩散运动 I F D 导通。D导通时的正向压降,硅管约为导通时的正向压降,硅管约为(0.60.7)V,锗管,锗管约为约为(0.20.3)V。分析:分析:222)反向特性反向特性OC段段:当当 U R U BR(击穿电压)
14、时击穿电压)时,CD段:当段:当 U R U BR 后,后,PN结被击穿,结被击穿,I R随随 U D 失去单向导电性。失去单向导电性。扩散扩散漂移漂移Ed I R 很小很小D 截止。截止。一般情况下,锗管反向电流一般情况下,锗管反向电流I R硅管硅管I R反向电流。反向电流。23综述:综述:1)二极管的)二极管的 VA 特性为非线性;特性为非线性;2)当)当 时,且时,且 U D U T,则,则 D 导通;导通;3)当)当-U BR U D U T,有,有I R 0,则,则D 截截 止;止;4)当)当 时,且时,且 绝对值绝对值U R U BR,则,则反向击穿烧坏。反向击穿烧坏。24三三.主
15、要参数主要参数 1)最大整流电流)最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时,允许流过二极二极管长时间可靠工作时,允许流过二极管的最大正向平均电流。管的最大正向平均电流。2)最高反向工作电压)最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。压。U R M=(击穿电压)(击穿电压)/2 3)最大反向电流)最大反向电流 I R M 当二极管加上反向工作峰值电压时所对应当二极管加上反向工作峰值电压时所对应的反向电流。的反向电流。I R M越小,单向导电性好。越小,单向导电性好。25 二极管的应用很广,其基本电路有整流电路、二极管的应用很
16、广,其基本电路有整流电路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器开关电路、限幅电路等。由于二极管是非线性器件,分析电路时常采用模型分析法。件,分析电路时常采用模型分析法。理想模型理想模型 恒压模型恒压模型 5.3 二极管基本电路及分析方法二极管基本电路及分析方法26 例例 1.当输入电压为当输入电压为 ui,试绘出输出电压试绘出输出电压 uo 波波形。设形。设U c(0+)=0,tp RC,D为理想二为理想二极管。极管。整流作用整流作用微分电路微分电路27 例例 2.开关电路如图所开关电路如图所示,当输入端示,当输入端 UA =3V,UB =0 V,试求试求 输输出端出端 Y 的电位的电位
17、 UY。解:解:UA =3V,UB =0V DA优先导通,优先导通,DB 截止;截止;则则 UY=UAUD=30.7(0.3)=2.3(2.7)V例例 2图图UA UB U3 0 2.30 3 2.33 3 2.30 0 -0.71 0 10 1 11 1 10 0 0电路的逻辑关系为电路的逻辑关系为或逻辑或逻辑二极管具有二极管具有钳位作用钳位作用28 例例 3.限幅(削波)限幅(削波)作用电路如图所示,作用电路如图所示,求求 uo 及画出波形。及画出波形。解:解:1)当)当 ui E 时,时,D导通;导通;uo=UD+E E 2)当 ui E 时,D截止,uo=uitUuisin2295.4
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