1晶体二极管及其基本电路演示教学

第1章半导体二极管及其应用1-1半导体物理基础知识导体(Conductor)半导体(Semiconductor)绝缘体(Insulator)物质半导体的特性：1．导电能力介于导体和绝缘体之间；2．导电能力随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。本征半导体杂质半导体第1章半导体二极管及其应用1-1半导体物理基础知识+14284+3228184硅原子（Silicon）锗原子（Germanium）图1硅和锗原子结构图硅（Si）、锗（Ge）和砷化镓（GaAs）１-１-１本征半导体（纯净的单晶半导体）1-1半导体物理基础知识１-１-１本征半导体1-1半导体物理基础知识半导体导电的原因：半导体中存在2种载流子(Carrier)，即自由电子(FreeElectron)和空穴(Hole)。受外界能量激发（热、电、光），价电子获得一定的额外能量，部分价电子能够冲破共价键的束缚,形成自由电子和空穴对——本征激发。复合：由于正负电荷相吸引，自由电子会填入空穴成为价电子，同时释放出相应的能量，从而消失一对电子、空穴，这一过程称为复合，与本征激发是相反的过程。本征载流子浓度：载流子浓度：载流子浓度越大，复合的机会就越多。在一定温度下，当没有其它能量存在时，电子、空穴对的产生与复合最终达到一种热平衡状态，使本征半导体中载流子的浓度一定。１-１-１本征半导体1-1半导体物理基础知识式中：ni、pi——分别表示电子和空穴的浓度（㎝-3）；T——为热力学温度（K）；EG0为T=0K（-273oC）时的禁带宽度（硅为1.21eV，锗为0.78eV）；k为玻尔兹曼常数（8.63×10-6V/K）；A0为与半导体材料有关的常数（硅为3.87×1016㎝-3·，锗为1.76×1016㎝-3·）。本征载流子浓度：１-１-１本征半导体1-1半导体物理基础知识说明随着T的增加，载流子浓度按指数规律增加——对温度非常敏感。在T=300K的室温下，本征硅（锗）的载流子浓度=1.43×1010㎝-3（2.38×1013㎝-3），本征硅（锗）的原子密度=5×1022㎝-3（4.4×1022㎝-3）。相比之下，室温下只有极少数原子的价电子(三万亿分之一)受激发产生电子、空穴对。结论：本征半导体的导电能力是很弱的；本征载流子浓度随温度升高近似按指数规律增大，所以其导电性能对温度的变化很敏感。１-１-１本征半导体1-1半导体物理基础知识在本征半导体中掺入微量的元素（称为杂质），会使其导电性能发生显著变化——杂质半导体。根据掺入杂质的不同，杂质半导体可分为N型半导体和P型半导体。1-1-2杂质半导体（掺杂半导体ImpuritySemiconductor）1-1半导体物理基础知识在杂质半导体中：浓度占优势的载流子称为：多数载流子，简称多子；反之称为少数载流子，简称少子。杂质半导体的载流子浓度：·多子的浓度在杂质半导体中，杂质原子所提供的多子数远大于本征激发的载流子数。因此，多子的浓度主要由掺杂浓度决定。·少子的浓度少子主要由本征激发产生，因掺杂不同，会随多子浓度的变化而变化。1-1-2杂质半导体1-1半导体物理基础知识结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。例如对N型半导体，多子nn与少子pn有：杂质半导体的载流子浓度：1-1-2杂质半导体1-1半导体物理基础知识结论：在热平衡下，多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值ni的平方。杂质半导体的载流子浓度：1-1-2杂质半导体1-1半导体物理基础知识对P型半导体，多子pp与少子np有：小结1.本征半导体通过掺杂，可以大大改变半导体内载流子的浓度，并使一种载流子多，另一种载流子少。2.多子浓度主要取决于杂质的含量，它与温度几乎无关；少子的浓度则主要与本征激发有关，因而它的浓度与温度有十分密切的关系。1-1-3半导体中的电流在导体中，载流子只有一种：自由电子。一种类型的电流：在电场作用下，产生定向的漂移运动形成漂移电流。在半导体中有两种载流子：自由电子和空穴。电场作用下的漂移电流两种类型的电流浓度差导致的扩散电流1-1半导体物理基础知识IpIn漂移电流总电流：1、定义：在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。①载流子浓度②外加电场强度③迁移速度1-1-3半导体中的电流1-1半导体物理基础知识在半导体工作中，扩散运动是比漂移运动更为重要的导电机理。金属导体是不具有这种电流的，正是由于扩散电流特性，才能够将它做成电子器件。平衡载流子浓度：一般的本征半导体在温度不变、无光照或其他激发下，载流子浓度分布均匀。非平衡载流子浓度：若一端注入载流子或用光线照射该端。则该端的载流子浓度增加。扩散电流1-1-3半导体中的电流1-1半导体物理基础知识图1―6半导体中载流子的浓度分布扩散电流大小主要取决于该处载流子浓度差（即浓度梯度）。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。1-2PN结PN结是半导体器件的核心PN本征硅的一边做成P型半导体，一边做成N型半导体。交界处形成一个很薄的特殊物理层——PN结+++++++++++++++PN（a）空穴和电子的扩散图1-7PN结的形成1-2-1ＰＮ结的形成1-2PN结PN空间电荷区内电场UB（b）平衡时的PN结图1-7PN结的形成+++++++++++++++1-2-1ＰＮ结的形成1-2PN结*平衡时，多子扩散与少子漂移达到平衡，即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来*开始扩散运动占优势*内电场形成，阻止多子扩散，但促进少子漂移*达到平衡的过程：扩散运动→空间电荷区→内电场→多子扩散、少子漂移→最终达到动态平衡1-2-1ＰＮ结的形成1-2PN结说明：*空间电荷区（耗尽区、阻挡区、势垒区）1-2-1ＰＮ结的形成1-2PN结说明：图1―8不对称PN结PN耗尽区内电场UB-U图1-9正向偏置的PN结+-ERU+++++++++++++++1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结说明：＊由于耗尽层相对P区和N区为高阻区，所以外加电压绝大部分都降在耗尽区＊由于内电场减弱，有利于多子的扩散，多子源源不断扩散到对方，形成扩散电流，通过回路形成正向电流＊由于UB较小，因此只需较小的外加电压U，就能产生很大的正向电流1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结图1-10反向偏置的PN结ERPN耗尽区内电场UB+U-+U+++++++++++++++1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结＊外加电场强行将多子推离耗尽区，使耗尽区变宽，内电场增强。＊内电场增强，多子扩散很难进行，而有利于少子的漂移。＊越过界面的少子通过回路形成反向(漂移)电流，反向电流很小。＊外加电压增大时，反向电流基本不增加。说明：1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结因此，PN结具有单向导电特性。综上所述，PN结加正向电压时，电流很大并随外加电压有明显变化，而加反向电压时，电流很小，且不随外加电压变化。1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结说明：PN结电流方程图1-11PN结的伏安特性当T=300K(室温)时,UT=26mV。IS为反向饱和电流。UT=KT/q,温度电压当量，iu01-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结PN结电流方程图1-11PN结的伏安特性iu0TT1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结工程上定义了一个导通电压UD(on)。硅管：UD(on)=0.7V。锗管：UD(on)=0.3V因此，伏安特性曲线的正向区域分成趋势明显不同的两段。当反向电压超过一定值后，|u|稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿，该击穿电压阈值用U(BR)表示。PN结的伏安特性iu0-U(BR)因此，伏安特性曲线的反向区域也分成趋势明显不同的两段。注意！击穿＝损坏PN结电流方程1-2-2ＰＮ结的单向导电特性1-2PN结击穿种类掺杂情况耗尽层宽度击穿机理雪崩击穿轻掺杂宽因为耗尽层宽，使加速的少子撞击耗尽区的中性原子，产生电子、空穴对，反复作用使载流子数目迅速增加齐纳击穿重掺杂窄较窄的耗尽区有很强的电场，强电场使耗尽区的价电子被直接拉出共价键，产生电子、空穴对。1-2-3PN结的击穿特性有两种击穿机理:雪崩击穿和齐纳击穿。1-2PN结1-2-4PN结的电容特性PN结的耗尽区与平板电容器相似，外加电压变化，耗尽区的宽度变化，则耗尽区中的正负离子数目变化，即存储的电荷量变化。一、势垒电容CTPN空间电荷区+++++++++++++++1-2PN结图1―12P区少子浓度分布曲线多子扩散在对方区形成非平衡少子的浓度分布曲线若偏置电压变化分布曲线变化非平衡少子变化电荷变化二、扩散电容CD1-2-4PN结的电容特性1-2PN结结电容Cj=CT+CD结论:因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。正偏时以CD为主，Cj≈CD，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主，Cj≈CT,其值通常为几至几十pF。（如：变容二极管）1-2-4PN结的电容特性1-2PN结1-3晶体二极管及其基本电路PN结加上电极引线和管壳就形成晶体二极管。图1-13晶体二极管结构示意图及电路符号P区N区正极负极（a）结构示意图（b）电路符号PN正极负极半导体二极管半导体二极管1-3-1二极管的伏安特性曲线二极管特性曲线与PN结基本相同，略有差异。图1-14二极管伏安特性曲线i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.5硅二极管1-3晶体二极管及其基本电路1-3-1二极管的伏安特性曲线i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.51-3晶体二极管及其基本电路一、正向特性硅:UD(on)=0.5～0.6V；1.导通电压或死区电压锗:UD(on)=0.1～0.2V。2.曲线分段：指数段（小电流时）、直线段（大电流时）。1-3-1二极管的伏安特性曲线i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.51-3晶体二极管及其基本电路一、正向特性1.导通电压2.曲线分段3.小功率二极管正常工作的电流范围内，管压降变化比较小。硅：0.6~0.8V，锗：0.1~0.3V。1-3-1二极管的伏安特性曲线i/mAu/V(A)0102030-5-10-0.50.51-3晶体二极管及其基本电路一、反向特性2.小功率二极管的反向电流很小。一般硅管<0.1A，锗管<几十微安。1.反向电压加大时，反向电流也略有增大。1-3-2二极管的主要参数一、直流电阻图1-15二极管电阻的几何意义IDUDQ1RD=UD/IDRD的几何意义：iu0Q2(a)直流电阻RDQ点到原点直线斜率的倒数。RD不是恒定的，正向的RD随工作电流增大而减小，反向的RD随反向电压的增大而增大。1-3晶体二极管及其基本电路1.正向电阻：几百欧姆；反向电阻：几百千欧姆；2.Q（quiescent）点（直流工作点、静态工作点）不同，测出的电阻也不同；结论因此，二极管具有单向导电特性。二、交流电阻二极管在工作状态(IDQ,UDQ)下的电压微变量与电流微变量之比。iu0Qiu(b)交流电阻rDrD的几何意义:Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。1-3晶体二极管及其基本电路1-3-2二极管的主要参数与IDQ成反比，并与温度有关。二、交流电阻1-3晶体二极管及其基本电路1-3-2二极管的主要参数例：已知V为Si二极管，流过V的直流电流ID=10mA，交流电压U=10mV，求流过V的交流电流I=?10VVR0.93KΩUID解：交流电阻交流电流为：三、最大整流电流IF四、最大反向工作电压URM五、反向电流IR允许通过的最大正向平均电流。通常取U(BR)的一半，超过U(BR)容易发生反向击穿。未击穿时的反向电流。IR越小，单向导电性能越好。1-3晶体二极管及其基本电路1-3-2二极管的主要参数六、最高工作频率fM※需要指出，手册中给出的一般为典型值，需要时应通过实际测量得到准确值。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。1-3晶体二极管及其基本电路1-3-2二极管的主要参数1-3-3晶体二极管模型由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路。非线性近似线性1-3晶体二极管及其基本电路iA2uB0C0理想模型U<0U0121-3-3晶体二极管模型1-3晶体二极管及其基本电路iA′uBUD(on)C0U 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 过程：根据电路：Iz何时取最大值？——Ui=Uimax，RL=RLmax图1-22稳压二极管稳压电路RILIZVZRLUiUoIz何时取最小值？——Ui=Uimin，RL=RLmin图1-22稳压二极管稳压电路RILIZVZRLUiUoRmin