晶體二極管模型不同課件

第一章晶體二極管1.1半導(dǎo)體物理基本知識1.2ＰＮ結(jié)1.3晶體二極管電路的分析方法1.4

晶體二極管的應(yīng)用1.5其它二極管1.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識

在物理學(xué)中，根據(jù)材料的導(dǎo)電能力，可以將他們劃分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價元素。硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個電子稱為價電子。

本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)束縛電子在絕對溫度T=0K時，所有的價電子都被共價鍵緊緊束縛在共價鍵中，不會成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱，接近絕緣體。一.本征半導(dǎo)體（IntrinsicSemiconductor)

本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體晶體。制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到99.9999999%，常稱為“九個9”。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，束縛電子能量增高，有的電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導(dǎo)電，成為自由電子。自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由電子產(chǎn)生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，稱為空穴。

可見本征激發(fā)同時產(chǎn)生電子空穴對。

外加能量越高（溫度越高），產(chǎn)生的電子空穴對越多。

動畫演示

與本征激發(fā)相反的現(xiàn)象——復(fù)合在一定溫度下，本征激發(fā)和復(fù)合同時進行，達到動態(tài)平衡。電子空穴對的濃度一定。常溫300K時：電子空穴對的濃度硅：鍺：自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴電子空穴對自由電子帶負電荷電子流動畫演示+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子E＋－＋總電流載流子空穴帶正電荷空穴流本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性取決于外加能量：溫度變化，導(dǎo)電性變化；光照變化，導(dǎo)電性變化。導(dǎo)電機制二.雜質(zhì)半導(dǎo)體(DopedSemiconductor)

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量雜質(zhì)元素后的半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。1.

N型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入五價雜質(zhì)元素，例如磷，砷等，稱為N型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體多余電子磷原子硅原子多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴++++++++++++N型半導(dǎo)體施主離子自由電子電子空穴對

在本征半導(dǎo)體中摻入三價雜質(zhì)元素，如硼、鎵等?？昭ㄅ鹪庸柙佣鄶?shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體受主離子空穴電子空穴對2.

P型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無關(guān)思考：多子濃度與何相關(guān)？內(nèi)電場E因多子濃度差形成內(nèi)電場多子的擴散空間電荷區(qū)

阻止多子擴散，促使少子漂移。PN結(jié)合空間電荷區(qū)多子擴散電流少子漂移電流耗盡層1.2

PN結(jié)

一.動態(tài)平衡下的PN結(jié)形成

動畫演示少子飄移補充耗盡層失去的多子，耗盡層窄，E多子擴散又失去多子，耗盡層寬，E內(nèi)電場E多子擴散電流少子漂移電流耗盡層動態(tài)平衡：擴散電流＝漂移電流總電流＝0勢壘UO硅0.5V鍺0.1V二.PN結(jié)的伏安特性1.加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負極接N區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相反。

外電場削弱內(nèi)電場→耗盡層變窄→擴散運動＞漂移運動→多子擴散形成正向電流IF正向電流

2.加反向電壓（反偏）——電源正極接N區(qū)，負極接P區(qū)

外電場的方向與內(nèi)電場方向相同。

外電場加強內(nèi)電場→耗盡層變寬→漂移運動＞擴散運動→少子漂移形成反向電流IRPN

在一定的溫度下，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度是一定的，故IR基本上與外加反壓的大小無關(guān)，所以稱為反向飽和電流。但IR與溫度有關(guān)。

PN結(jié)加正向電壓時，具有較大的正向擴散電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通；

PN結(jié)加反向電壓時，具有很小的反向漂移電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止。

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

動畫演示1

動畫演示23.PN結(jié)的伏安特性

根據(jù)理論推導(dǎo)，PN結(jié)的伏安特性曲線如圖正偏IF（多子擴散）IR（少子漂移）反偏反向飽和電流反向擊穿電壓反向擊穿熱擊穿——燒壞PN結(jié)電擊穿——可逆自學(xué)：PN結(jié)的擊穿特性（P18）思考：溫度升高時，曲線有何變化？

根據(jù)理論分析：u為PN結(jié)兩端的電壓降i為流過PN結(jié)的電流IS為反向飽和電流UT=kT/q

稱為溫度的電壓當(dāng)量其中k為玻耳茲曼常數(shù)1.38×10－23q

為電子電荷量1.6×10－9T為熱力學(xué)溫度對于室溫（相當(dāng)T=300K）則有UT=26mV。當(dāng)u>0u>>UT時當(dāng)u<0|u|>>|UT

|時三.PN結(jié)的電容特性

當(dāng)外加電壓發(fā)生變化時，耗盡層的寬度要相應(yīng)地隨之改變，即PN結(jié)中存儲的電荷量要隨之變化，就像電容充放電一樣。

1.勢壘電容CB變?nèi)荻O管振蕩電路、調(diào)頻電路2.擴散電容CD

當(dāng)外加正向電壓不同時，PN結(jié)兩側(cè)堆積的少子的數(shù)量及濃度梯度也不同，這就相當(dāng)電容的充放電過程。電容效應(yīng)在交流信號作用下才會明顯表現(xiàn)出來極間電容（結(jié)電容）1.3晶體二極管電路的分析方法二極管=PN結(jié)+管殼+引線NP結(jié)構(gòu)符號陽極+陰極-一、晶體二極管模型

1.

二極管結(jié)構(gòu)(1)點接觸型二極管

PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路(3)平面型二極管

用于集成電路制造工藝中PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中(2)面接觸型二極管

PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路2.晶體二極管型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。

3.晶體二極管的V-A特性曲線

硅：0.5V

鍺：

0.1V(1)

正向特性導(dǎo)通壓降反向飽和電流(2)反向特性死區(qū)電壓擊穿電壓UBR實驗曲線uEiVmAuEiVuA鍺硅：0.7V鍺：0.3V二.晶體二極管電路的分析計算例：IR10VE1kΩD—非線性器件iuRLC—線性器件二極管的模型DU串聯(lián)電壓源模型UD

二極管的導(dǎo)通壓降。硅管0.7V；鍺管0.3V。理想二極管模型正偏反偏導(dǎo)通壓降二極管的V—A特性簡化電路模型——折線法

線性化：用線性電路的方法來處理，將非線性器件用恰當(dāng)?shù)脑M行等效，建立相應(yīng)的模型。（1）理想二極管模型：相當(dāng)于一個理想開關(guān)，正偏時二極管導(dǎo)通管壓降為0V，反偏時電阻無窮大，電流為零。（2）理想二極管串聯(lián)恒壓降模型：二極管導(dǎo)通后，其管壓降認為是恒定的，且不隨電流而變，典型值為0.7V。該模型提供了合理的近似，用途廣泛。注意：二極管電流近似等于或大于1mA正確。（3）折線模型：修正恒壓降模型，認為二極管的管壓降不是恒定的，而隨二極管的電流增加而增加，模型中用一個電池和電阻rD來作進一步的近似，此電池的電壓選定為二極管的門限電壓Uth，約為0.5V，rD的值為200歐姆。由于二極管的分散性，Uth、rD的值不是固定的。小信號電路模型如果二極管在它的V-I特性的某一小范圍內(nèi)工作，例如靜態(tài)工作點Q（此時uD=UQ、iD=IQ）附近工作，則可把V-I特性看成一條直線，其斜率的倒數(shù)就是所求的小信號模型的微變電阻rj。晶體二極管模型不同，采用的分析方法也有所不同，對一般的二極管電路我們可以有以下分析方法：①利用伏安特性方程和電路方程聯(lián)立求解；②利用伏安特性曲線求解的圖解分析法；（自學(xué)）

③簡化分析法：利用二極管簡化模型分析電路；④微變等效電路分析法：將電路中的二極管用微變

等效電路模型代替后來分析電路，常用于交流信號電路中。晶體二極管電路分析方法二極管的近似分析計算舉例IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例1：串聯(lián)電壓源模型測量值9.32mA相對誤差理想二極管模型RI10VE1kΩ相對誤差0.7V思考：如果二極管等效電路中的電阻不能忽略？例2：二極管構(gòu)成的限幅電路如圖所示，R＝1kΩ，UREF=2V，輸入信號為ui。

(1)若ui為4V的直流信號，分別采用理想二極管模型、理想二極管串聯(lián)電壓源模型計算電流I和輸出電壓uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析。（2）如果ui為幅度±4V的交流三角波，波形如圖（b）所示，分別采用理想二極管模型和理想二極管串聯(lián)電壓源模型分析電路并畫出相應(yīng)的輸出電壓波形。解：①采用理想二極管模型分析。波形如圖所示。0-4V4Vuit2V2Vuot思考：若UREF=0V，ui為正弦波，示意性畫出輸出波形圖。P3002.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用串聯(lián)電壓源模型分析，波形如圖所示。

思考：1.電路中出現(xiàn)多個二極管，怎樣分析？自學(xué)P28例22.電路中交直流并存，如何分析？自學(xué)P28例23.自學(xué)整流電路，掌握半波整流、全波整流和橋式整流電路特點、工作原理、輸出波形特征。PNVDD1VDD2UORLR1kW3kWIOI1I215V12V練習(xí)1

試求左圖硅二極管電路中電流I1、I2、IO和輸出電壓UO值。5.1k?-+ui+-2V+-VD24V-+uOVD1練習(xí)2試分析右圖所示硅二極管電路(1)畫出電壓傳輸特性曲線；(2)已知ui＝10sint

(V)，畫出ui和uo

的波形。當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,工作電流IZ在Izmax和Izmin之間變化時,其兩端電壓近似為常數(shù)穩(wěn)定電壓三、穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是應(yīng)用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管正向同二極管反偏電壓≥UZ

反向擊穿＋UZ－限流電阻

穩(wěn)壓二極管的主要

參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡。

(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——