模電02、半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路3.ppt

模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),電子教案 V1.0,陳大欽 主編,華中科技大學(xué)電信系,2,模擬電子技術(shù)基礎(chǔ),第1章 緒論,第2章 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路,第3章 半導(dǎo)體三極管及其放大電路基礎(chǔ),第4章 多級(jí)放大電路及模擬集成電路基礎(chǔ),第5章 信號(hào)運(yùn)算電路,第6章 負(fù)反饋放大電路,第7章 信號(hào)處理與產(chǎn)生電路,第8章 場(chǎng)效應(yīng)管及其放大電路,第9章 功率放大電路,第10章 集成運(yùn)算放大器,第11章 直流電源,2 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路,2.1 PN結(jié)的基本知識(shí),2.2 半導(dǎo)體二極管,2.3 二極管應(yīng)用電路,2.4 特殊二極管,2 半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路,4,2.1 PN結(jié)的基本知識(shí),2.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性,2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,2.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?2.1.4 PN結(jié)電容,半導(dǎo)體: 導(dǎo)電特性介于導(dǎo)體和絕緣體之間 典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等。,導(dǎo)電的 重要特點(diǎn),1、其能力容易受環(huán)境因素影響（溫度、光照等）,2、摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力,原子結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化模型,5,圖2.1.1 本征半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),2.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性,2.1 PN結(jié)的基本知識(shí),1. 本征半導(dǎo)體, 完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。,在T=0K和無(wú)外界激發(fā)時(shí)，沒(méi)有載流子，不導(dǎo)電,原子結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)化模型,6,溫度,光照,自由電子,空穴,本征激發(fā),空穴 共價(jià)鍵中的空位,空穴的移動(dòng)空穴的運(yùn)動(dòng)是靠相鄰共價(jià)鍵中的價(jià)電子依次充填空穴來(lái)實(shí)現(xiàn)的。,由熱激發(fā)或光照而產(chǎn)生 自由電子和空穴對(duì)。,溫度 載流子濃度,2.1.1 本征半導(dǎo)體及其導(dǎo)電性,2.1 PN結(jié)的基本知識(shí),2. 本征激發(fā),復(fù)合本征激發(fā)的逆過(guò)程,載流子: 自由移動(dòng)帶電粒子,7,圖2.1.3 N型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),2.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體,2.1 PN結(jié)的基本知識(shí),圖2.1.4 P型半導(dǎo)體的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu),1. N型半導(dǎo)體,摻入少量的五價(jià)元素磷P,2. P型半導(dǎo)體,摻入少量的三價(jià)元素硼B(yǎng),自由電子是多數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱多子） 空穴是少數(shù)載流子（簡(jiǎn)稱少子）,空穴是多數(shù)載流子 自由電子為少數(shù)載流子。,空間電荷,8,摻入雜 質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大 的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:,以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3 。,雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響,9,本征半導(dǎo)體、本征激發(fā),本節(jié)中的有關(guān)概念,自由電子 空穴,N型半導(dǎo)體、施主雜質(zhì)(5價(jià)) P型半導(dǎo)體、受主雜質(zhì)(3價(jià)),多數(shù)載流子、少數(shù)載流子,雜質(zhì)半導(dǎo)體,復(fù)合,*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)1： 其能力容易受溫度、光照等環(huán)境因素影響 溫度載流子濃度導(dǎo)電能力,*半導(dǎo)體導(dǎo)電特點(diǎn)2：摻雜可以顯著提高導(dǎo)電能力,10,1. 濃度差多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),2. 擴(kuò)散空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng),3. 內(nèi)電場(chǎng)少子的漂移運(yùn)動(dòng) 阻止多子的擴(kuò)散,4、擴(kuò)散與漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,載流子的運(yùn)動(dòng)：,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)濃度差產(chǎn)生的載流子移動(dòng),漂移運(yùn)動(dòng)在電場(chǎng)作用下，載流子的移動(dòng),P區(qū),N區(qū),形成過(guò)程可分成4步 (動(dòng)畫(huà)),2.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1. PN結(jié)的形成,11,PN結(jié)形成的物理過(guò)程：,因濃度差 ,空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng), 內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移, 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散,最后,多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) ,對(duì)于P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體結(jié)合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結(jié)。 在空間電荷區(qū)，由于缺少多子，所以也稱耗盡層。,12,2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?只有在外加電壓時(shí)才 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡將,定義：,加正向電壓，簡(jiǎn)稱正偏,加反向電壓，簡(jiǎn)稱反偏,擴(kuò)散 漂移 大的正向擴(kuò)散電流（多子） 低電阻 正向?qū)?漂移 擴(kuò)散 很小的反向漂移電流（少子） 高電阻 反向截止,13,圖2.1.6 外加正向電壓時(shí)的PN結(jié) 圖2.1.7 外加反向電壓時(shí)的PN結(jié),2. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?14,圖2.1.8 PN結(jié)伏安特性,3. PN結(jié)的伏安特性,正向特性,反向特性,反向擊穿特性,倍增效應(yīng),雪崩擊穿,齊納擊穿,2.1.3 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?15,圖2.1.10 擴(kuò)散電容效應(yīng),(1) 勢(shì)壘電容CB,(2) 擴(kuò)散電容CD,2.1.4 PN結(jié)電容,2.1 PN結(jié)的基本知識(shí),用來(lái)描述勢(shì)壘區(qū)的空間電荷隨外加電壓變化而變化的電容效應(yīng),多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)是形成擴(kuò)散電容的主要因素,圖2.1.9 勢(shì)壘電容與外加電壓關(guān)系,16,2.2 半導(dǎo)體二極管,2.2.1 二極管的結(jié)構(gòu),2.2.2 二極管的伏安特性,2.2.3 二極管的主要參數(shù),2.2.4 二極管模型,PN結(jié)加上引線和封裝 二極管,按結(jié)構(gòu)分類(lèi),點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,17,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,2.2.1 二極管的結(jié)構(gòu),18,圖2.2.2 硅二極管的2CP10的伏安特性 圖2.2.3 鍺二極管2AP15的伏安特性,2.2.2 二極管的伏安特性,2.2 半導(dǎo)體二極管,正向特性,反向特性,反向擊穿特性,Vth = 0.5V（硅） Vth = 0.1V（鍺）,注 意,1. 死區(qū)電壓（門(mén)坎電壓）,2. 反向飽和電流 硅：0.1A；鍺：10A,3. PN結(jié)方程（近似）,19,圖2.2.4 溫度對(duì)二極管特性曲線的影響示意圖,溫度對(duì)二極管特性的影響,20,1. 最大整流電流IF,2. 最高反向工作電壓VRM,3. 反向電流IR,4. 極間電容Cd,5. 最高工作頻率fM,2.2.3 二極管的主要參數(shù),2.2 半導(dǎo)體二極管,圖2.2.3 鍺二極管2AP15的伏安特性,21,圖2.2.5 理想模型 （a）伏安特性曲線 （b）代表符號(hào) （c）正向偏置時(shí)的電路模型 （d）反向偏置時(shí)的電路模型,2.2.4 二極管模型,2.2 半導(dǎo)體二極管,22,圖2.2.6 恒壓降模型 圖2.2.7 折線模型 (a) 伏安特性曲線 (b) 代表符號(hào) (a) 伏安特性曲線 (b) 代表符號(hào),23,圖2.2.8 小信號(hào)模型 (a) 伏安特性曲線 (b) 代表符號(hào),24,2.3 二極管應(yīng)用電路,2.3.1 整流電路,2.3.2 限幅電路,2.3.3 鉗位電路,25,2.3.1 整流電路,（a） （b） 圖2.3.1 單向半波整流電路 （a）電路圖 （b）vI和vO的波形,2.3 二極管應(yīng)用電路,26,（a） （b） 圖2.3.2 單向全整流電路 （a）電路圖 （b）v2和vo的波形,27,（a） （b） （c） 圖2.3.3 二極管限幅電路 （a）電路圖 （b）viVB時(shí)的等效電路 （c）viVB時(shí)的等效電路,2.3.2 限幅電路,2.3 二極管應(yīng)用電路,28,圖2.3.4 二極管限幅電路波形圖,29,圖2.3.5 二極管鉗位電路 (a）電路圖 （b）輸入電壓波形 （c）電容兩端電壓波形 （d）輸出電壓波形,(a),(c),2.3.3 鉗位電路,2.3 二極管應(yīng)用電路,30,2.4 特殊二極管,2.4.1 穩(wěn)壓二極管,2.4.2 光電二極管,2.4.3 發(fā)光二極管,2.4.4 激光二極管,31,1. 穩(wěn)壓管及其穩(wěn)壓作用,2. 穩(wěn)壓管的主要參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓VZ,(2) 穩(wěn)定電流IZ,(3) 動(dòng)態(tài)電阻rZ,（a） （b） 圖2.4.1 穩(wěn)壓管電路符號(hào)與伏安特性 （a）電路符號(hào) （b）伏安特性,(4) 額定功耗PZ