模拟、低频电子电路课件 1

nullnull3 半导体二极管及应用电路第二章 半导体二极管及应用电路null3.1 半导体的基本知识3.3 半导体二极管3.4 二极管基本电路及其 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 方法3.5 特殊二极管3.2 PN结的形成及特性本章内容null半导体基本知识 PN结及其特性 半导体二极管特性及其应用 稳压二极管本章重点本章意义： 半导体器件是现代电子技术的重要组成部分3.1 半导体的基本知识3.1 半导体的基本知识 3.1.1 半导体材料 3.1.2 半导体的共价键结构 3.1.3 本征半导体 3.1.4 杂质半导体 3.1.1 半导体材料 3.1.1 半导体材料 根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。null 半导体材料其导电能力介于导体和绝缘体之间。 常用的半导体材料有： （1）元素半导体，如硅（Si）、锗（Ge）等； （2）化合物半导体，如砷化镓（GaAs）等。 （3) 掺杂或制成其它化合物半导体的材料，如硼（B）、磷（P）、铟（In）、锑（Sb）等 半导体材料具有某些特殊性质：如压敏、热敏及掺杂特性 (导电能力改变)。第二章 半导体二极管及应用电路null 物质的导电特性取决于原子结构。导体一般为低价元素, 如铜、铁、铝等金属, 其最外层电子受原子核的束缚力很小, 因而极易挣脱原子核的束缚成为自由电子。因此在外电场作用下, 这些电子产生定向运动(称为漂移运动)形成电流, 呈现出较好的导电特性。高价元素(如惰性气体)和高分子物质(如橡胶, 塑料)最外层电子受原子核的束缚力很强, 极不易摆脱原子核的束缚成为自由电子, 所以其导电性极差, 可作为绝缘材料。而半导体材料最外层电子既不像导体那样极易摆脱原子核的束缚, 成为自由电子, 也不像绝缘体那样被原子核束缚得那么紧, 因此, 半导体的导电特性介于二者之间。 null价电子：最外层原子轨道上具有的电子。半导体材料中的价电子数都为4。物质的化学性质是由价电子决定的，半导体的导电性质也与价电子有关。 半导体具有晶体结构，原子形成有序的排列，邻近原子之间由共价键联结。硅和锗是应用最多的半导体材料。3.1.2 半导体的共价键结构null通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。null第二章 半导体二极管及应用电路null3.1.3 本征半导体，空穴及其导电作用1 .本征半导体的结构特点第二章 半导体二极管及应用电路本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。重要物理特性：电导率 电导率与材料内单位体积中所含的电荷载流子的数目有关。电荷载流子的浓度越高，其电导率愈高。null在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。第二章 半导体二极管及应用电路null硅和锗的共价键结构第二章 半导体二极管及应用电路null 形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。 共价键有很强的结合力，使原子 规则 编码规则下载淘宝规则下载天猫规则下载麻将竞赛规则pdf麻将竞赛规则pdf 排列，形成晶体。第二章 半导体二极管及应用电路null 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。 本征激发：室温下，价电子获得足够的随机热振动能量而摆脱共价键的束缚，成为自由电子的现象称为本征激发。null3.本征半导体的导电原理在绝对零度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。（1）载流子、自由电子和空穴第二章 半导体二极管及应用电路 在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 空穴的出现是半导体区别于导体的一个重要特点。null自由电子空穴束缚电子第二章 半导体二极管及应用电路null（2）本征半导体的导电原理 在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。可以用空穴移动产生的电流来代表束缚电子移动产生的电流。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第二章 半导体二极管及应用电路null温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。第二章 半导体二极管及应用电路 3.1.4 杂质半导体 3.1.4 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。 N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。 P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。null 第二章 半导体二极管及应用电路 1.P型半导体： 在本征Si和Ge中掺入微量Ⅲ族元素后形成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入Ⅲ族元素称为受主杂质，简称受主（能接受自由电子）。下图所示（图3-2） P型半导体中，空穴为多子，自由电子为少子。 null 因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子， 由热激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质 因而也称为受主杂质。null 2.N型半导体 在本征Si和Ge中掺入微量V族元素后形成的杂质半导体 称为N型半导体。所掺入V族元素称为施主杂质，简称施主 （能供给自由电子）。N型半导体中，电子为多子，空穴为少子。null 因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子, 由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。null少量掺杂，平衡状态下：ni2 =n0·p0 其中，ni为本征浓度，n0为自由电子浓度，p0为空穴浓度。 温度增加，本征激发加剧，但本征激发产生的多子远小于杂质电离产生的多子。在掺入杂质后，载流子的数目都有相当程度的增加。 ★半导体工作机理：杂质导电特性。对半导体掺杂是提高半导体导电能力的最有效的方法。 ★Si半导体比Ge半导体有更高的温度。因为同温度时，Si半导体比Ge半导体本征激发弱，更高的温度Si半导体才会失去杂质导电特性。3.杂质半导体的载流子浓度：第二章 半导体二极管及应用电路 3.2.1 载流子的漂移与扩散 3.2.1 载流子的漂移与扩散漂移运动： 在电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动： 由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。3.2 PN结的形成及特性null★PN结：将P型和N型半导体采用特殊工艺制造成半导体，半导体内有一物理界面，界面附近形成一个极薄的特殊区域，称为PN结。▼内建电场：由N区指向P区的电场E。阻止两区多子的扩散。电场E产生的两区少子越结的漂移电流将部分抵消因浓度差产生的使两区多子越结的扩散电流。 扩散进一步进行，空间电荷区内的暴露离子数增多，电场E增强，漂移电流增大，当扩散电流=漂移电流时，达到平衡状态，形成PN结。无净电流流过PN结。3.2.2 PN结的形成第二章 半导体二极管及应用电路null 因浓度差  多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区  空间电荷区形成内电场  内电场促使少子漂移  内电场阻止多子扩散 物理过程: 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面。离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。null第二章 半导体二极管及应用电路PN结形成过程分解：PN结形成过程分解：第二章 半导体二极管及应用电路null3.2.3 PN结的单向导电特性 无外接电压的PN结→开路PN结，平衡状态PN结 PN结外加电压时→外电路产生电流 1.正向偏置（简称正偏） PN结 PN结外加直流电压V：P区接高电位（正电位），N区接低电位（负 电位）→正偏→正向电流第二章 半导体二极管及应用电路PN结加正向电压的情形PN结加正向电压的情形第二章 半导体二极管及应用电路 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。null第二章 半导体二极管及应用电路null内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第二章 半导体二极管及应用电路null2.反向偏置（简称反偏） PN结反偏：P区接低电位（负电位）， N区接高电位（正电位）。 ＊ 硅PN结的Is 为pA级 ＊ 温度T增大→ Is第二章 半导体二极管及应用电路null 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。 PN结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下， 由本征激发决定的少子浓 度是一定的，故少子形成 的漂移电流是恒定的，基 本上与所加反向电压的大 小无关，这个电流也称为 反向饱和电流。 null PN 结反向偏置第二章 半导体二极管及应用电路null PN结的正向电阻很小,反向电阻很大。 2.PN结的单向导电性关键在与它的耗尽区的存在,且其宽度随外加电压而变化. 1.PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。即结论:null3.PN结的伏安特性 （1）PN结的伏安特性曲线第二章 半导体二极管及应用电路null（2）PN结的电流方程 PN结所加端电压U与流过它的电流I的关系为： 其中Is为反向饱和电流，UT为温度的电压当量=kt/q，k为玻耳兹曼常数，T为热力学温度，q为电子的电量，e为自然对数的底常温下，T＝300K时，UT可取26mv二极管动态电阻为：第二章 半导体二极管及应用电路null 二极管处于反向偏置时，在一定的电压范围内，流过PN结的电流很小，但电压超过某一数值时，反向电流急剧增加，这种现象我们就称为反向击穿。   击穿形式分为两种：雪崩击穿和齐纳击穿。 齐纳击穿：高掺杂情况下，耗尽层很窄，宜于形成强电场，而破坏共价键，使价电子脱离共价键束缚形成电子－空穴对，致使电流急剧增加。   *击穿并不意味着PN结烧坏。3.2.4 PN结的反向击穿 第二章 半导体二极管及应用电路null雪崩击穿：如果搀杂浓度较低，不会形成齐纳击穿，而当反向电压较高时，能加快少子的漂移速度，从而把电子从共价键中撞出，形成雪崩式的连锁反应。   对于硅材料的PN结来说，击穿电压 7v时为雪崩击穿，<4v时为齐纳击穿。在4v与7v之间，两种击穿都有。这种现象破坏了PN结的单向导电性，我们在使用时要避免。第二章 半导体二极管及应用电路 3.2.5 PN结的电容效应 3.2.5 PN结的电容效应(1) 扩散电容CD扩散电容：为了形成正向电流（扩散电流），注入P 区的少子（电子）在P 区有浓度差，越靠近PN结浓度越大，即在P 区有电子的积累。同理，在N区有空穴的积累。正向电流大，积累的电荷多。这样所产生的电容就是扩散电容CD。null扩散电容示意图null2.扩散电容CD正向偏置时，扩散电容较大；在反向偏置时，由于载流子数目很少，可忽略。第二章 半导体二极管及应用电路扩散电容的特点3.扩散电容的大小与PN结面积成正比。1.扩散电容大小随外加电压改变而变化,是一种非线性电容, 3.2.5 PN结的电容效应 3.2.5 PN结的电容效应 (2) 势垒电容CB势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时，就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出的电容是势垒电容。null1. 势垒电容 CB 大小随外加电压改变而变化,是一种非线性电容,而普通电容为线性电容。势垒电容特点:2.势垒电容CB 在正向和反向偏置时均不能忽略。3.势垒电容只有在外加电压改变时才起作用.4.势垒电容的大小与PN结面积成正比。null结论：1.势垒电容和扩散电容是同时存在的。 2.PN结正偏时，扩散电容远大于势垒电容； PN结反偏时，势垒电容远大于扩散电容. 3.势垒电容和扩散电容的大小都与PN结面积成正比。 4.低频工作时，PN结的结电容的容抗很大，可视为开路，对PN结的单向导电性无影响。高频工作时，由于容抗变小，结电容将旁路PN结的等效电阻，使PN结的单向导电性变差。null1．空间电荷区是由电子、空穴还是施主离子、受主离子构成的？空间电荷区又称为耗尽区，为什么？ 2．PN结的单向导电性是在什么外部条件下才能显示出来？ 思考 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：作业： P97 习题3.2.1， 3.3 半导体二极管3.3 半导体二极管 3.3.1 半导体二极管的结构 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 3.3.1 半导体二极管的结构半导体二极管的几种常见外形第二章 半导体二极管及应用电路 3.3.1 半导体二极管的结构3.3.1 半导体二极管的结构3.3.1 半导体二极管的结构 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。null（a）面接触型 （b）集成电路中的平面型 （c）代表符号 (2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型 3.3.2 二极管的伏安特性第二章 半导体二极管及应用电路 3.3.2 二极管的伏安特性 3.3.3 二极管的主要参数1.最大整流电流 IF 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。(电流过大会使PN结发热量超过限度,从而使PN结烧坏)2.反向击穿电压VBR 二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压VWRM一般是VBR的一半。第二章 半导体二极管及应用电路 3.3.3 二极管的主要参数null3. 反向电流 IR 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第二章 半导体二极管及应用电路null4. 极间电容Cd 二极管的两极之间有电容，称极间电容Cd，此电容由两部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD。 极间电容是反映二极管中PN结电容效应的参数。且 Cd=CD+CB。 在高频或开关状态运用时，必须考虑极间电容的影响。第二章 半导体二极管及应用电路nullPN 结高频小信号时的等效电路：5.反向恢复时间TRR5.反向恢复时间TRR 由于二极管中PN结电容效应的存在，当二极管外加电 压极性翻转时，其原工作状态不能在瞬间完全随之变化， 特别是外加电压从正偏变成反偏时，二极管中电流由正向 变成反向，但其翻转后瞬间仍有较大的反向电流，经过一 段时间后反向电流才会变得很小。这一段时间称为反向恢 复时间。 存在反向恢复时间的主要原因是扩散电容CD的影响。1.半导体二极管的温度特性补充：2.半导体器件参数手册（P72表3.3.1）3.半导体器件型号命名方法1.半导体二极管的温度特性1. 半导体二极管的温度特性1. 半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加8℃，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加12℃，反向电流大约增加一倍。 另外，温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃ ，正向压降VF(VD)大约减小 2mV ，即具有负的温度系数。这些可以从所示二极管的伏安特性曲线上看出。null2.半导体器件参数手册（P72表3.3.1）（1）表介绍 （2）应用注意：特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压，否则管子容易烧坏。3.半导体二极管的型号3.半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3.4 二极管基本电路及其分析方法3.4 二极管基本电路及其分析方法 二极管是一种非线性器件，因而二极管一般要采用非线性电路的分析方法。在此主要介绍模型分析法。 简单的模型便于近似估算，较复杂的模型为借助计算机解题提供基础。第二章 半导体二极管及应用电路null1．为什么说在使用二极管时，应特别注意不要超过最大整流电流和最高反向工作电压？ 2．变容二极管的工作原理如何？它应用于什么场合？思考题：null3.4.1 二极管正向伏安特性的建模1.理想模型 如图所示，在正向偏置时，其管压降为0V，而当二极管处于反向偏置时，认为它的电阻为无穷大，电流为零。 在实际电路中，当电源电压远比二极管的管压降大时，利用此法来近似分析。第二章 半导体二极管及应用电路null2.恒压降模型 如图所示，当二极管处于正向偏置时，其管压降认为是恒定的，且不随电流而改变，典型值为0.7V。 不过，这只有当二极管的电流Id 近似等于或大于1mA时才是正确的。该模型提供了合理的近似，因此，应用也较广。第二章 半导体二极管及应用电路null为了较真实地描述二极管的伏安特性，在恒压降模型的基础上，作一定地修正，即二极管的压降，随电流的增加而增加，可以用一个电源和内阻rd来近似。3.折线模型第二章 半导体二极管及应用电路null4.小信号模型 由右图可看出未变电阻rd可直接得出，即我们知道，二极管的伏安特性表达式第二章 半导体二极管及应用电路null我们可以得出下式：即 rd=UT/ID 第二章 半导体二极管及应用电路null例 1 硅二极管电路如右图所示，R = 2 k，试用二极管理想模型和恒压降模型求出 VDD = 2 V 和 VDD = 10 V 时 IO 和 UO 值。nullnull采用恒压降模型分析法可得UO = VDD – UD(on) =（ 2  0.7 ）V= 1.3 VIO = UO / R = 1.3 V/ 2 kΩ = 0.65 mA（1）当VDD = 2 V 时 IO = VDD / R = 2 V/ 2 kΩ = 1 mAUO = VDD = 2 V采用理想模型分析法可得null（2）当VDD =10 V 时，同理可得 采用理想模型分析法时 UO = 10V，IO =5 mA 采用恒压降模型分析法时 UO = 9.3V， IO =4.65 mA 结论： VDD 大宜采用理想模型 VDD 小宜采用用恒压降模型null 小结 学校三防设施建设情况幼儿园教研工作小结高血压知识讲座小结防范电信网络诈骗宣传幼儿园师德小结 null二 极 管 的 折 线 模 型思考题：如何理解二极 管的导通电阻rD？自学nullnull作业：习题3.4.1，3.4.2，3.4.31．二极管的V-I特性分为哪三部分？各有什么特点？ 2. 二极管的几种模型各有什么特点？ 3．二极管主要应用在哪些电路中？思考题：null3.4.2 模型分析法应用举例1.二极管电路的静态工作情况分析2.限幅电路3.开关电路4.低电压稳压电路null例1 试求下图硅二极管电路中电流 I1、I2、IO 和输出电压 UO 值解：（1）假设二极管断开UP = 15 VUP N >0.7V，二极管导通，等效为 0.7 V 的恒压源，如下图所示：1.利用二极管模型来分析电路的静态工作情况nullUO= VDD1  UD(on) = （15  0.7）V = 14.3 VIO= UO / RL = 14.3 V/ 3 kΩ = 4.8mAI1= IO + I2 = （4.8 + 2.3） mA = 7.1 mAI2 = (UO  VDD2) / R = (14.3  12) V/ 1 kΩ = 2.3 mAnull例2 下图所示的二极管电路中，设 VDA、VDB 均为理想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。0 V0 V正偏 导通正偏 导通0 V解： 12Vnull例2下图所示的二极管电路中，设 VDA、VDB 均为理想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。0 V0 V正偏 导通正偏 导通0 V0 V5 V正偏 导通0 V解：反偏 截止null例2下图所示的二极管电路中，设 VDA、VDB 均为理想二极管，当输入电压 UA、UB 为低电压 0 V 和高电压 5 V 的不同组合时，求输出电压 UO 的值。0 V0 V正偏 导通正偏 导通0 V0 V5 V正偏 导通反偏 截止0 V5 V0 V反偏 截止正偏 导通0 V5 V5 V正偏 导通正偏 导通5 V解：结论：实现了与功能nullnull|vi |<0.7V时，D1、D2截止，所以vo=vi| vi |>0.7V时， D1、D2中有一个导通，所以vo =0.7Vnull例3 试分析下图所示的硅二极管电路（1）画出电压传输特性曲线； （2）已知u i＝10sin t (V)， 画出u i 和u O的波形。uO 解：（1）分析电路工作情况 当 u i > 2.7V 时，VD1管导通，VD2管截止，u O ＝ 2.7V ； 当 - 4.7V < u i < 2.7V 时， VD1管和VD2管均截止，u O ＝ u i ； 当 u i < - 4.7V 时，VD1管截止，VD2管导通，u O ＝ - 4.7V。 （2）画出电压传输特性曲线和u i和u O的波形如下图所示。null(a)电压传输特性 双向限幅电路用以限制信号电压范围，常用作保护电路。null3. 利用单向导电性构成整流和开关电路 不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。（1）全波整流电路：nullVa、Vb有一个是低电平（0V）：VO为低电平Va、Vb为高电平（5V）：VO为高电平所以 F=A•B（2）开关电路：null例1 ui=10sinwt (v)，E=5v,R=1k，忽略二极管的正向压降和反向电流，画出uo的波形（1） ui < E 时， 二极管反向截止， uo = ui; （2） ui > E 时， 二极管正向导通， uo = E;null例2 判断二极管的工作状态。判断方法： 正向偏置VA>VB；导通； 反向偏置VA