第一部分晶体二极管及应用电路教学课件

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1、第一章 晶体二极管及应用电路 1-1 半导体基础知识 (一)半导体 一 半导体:其导电能力介于导体和绝缘体之 间。 半导体具有某些特殊性质:如压敏热敏及 掺杂特性, 导电能力改变。 二 半导体材料:用于制造半导体器件的材料 。 半导体管又称晶体管。 本征半导体 :纯净的且具有完整晶体结构 的半导体。天然的硅和锗经提纯(99. 999% 以上)即为本征半导体。 本征激发:价电子因热运动获得能量,争脱 共价键的束缚,成为自由电子,同时在共价 键上留下空位,这一现象成为本征激发。图 1-3 温度越高,本征激发越强,产生的自由电子 和空穴越多。 两种载流子 载流子:能够导电的电荷。 半导体中的两种载流

2、子:自由电子,空穴 两种载流子导电的差异:图1-4 自由电子在晶格中自由运动 空穴运动即价电子的填补空穴的运动,始终在原 子的共价键间运动。 载流子的复合和平衡 载流子的复合:自由电子与空穴在热运动中相遇, 使 一对自由电子空穴对消失。 动态平衡:当温度T一定时,单位时间内产生的自 由电子空穴对数目与单位时间内因复合而消失掉的 自由电子空穴对数目相等,称为载流子的动态平衡 。 本征浓度ni:平衡状态下本征半导体单位体积内的 自由电子数(空穴数)。 (二)杂质半导体 杂质半导体:在本征半导体中人为掺入某 种“杂质”元素形成的半导体。分为N型半导 体和P 型半导体。 一 N型半导体: 在本征Si和

3、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)。图1-5 二 P型半导体: 在本征Si和Ge中掺入微量族元素后形 成的杂质半导体称为N型半导体。所掺入族 元素称为受主杂质,简称受主(能供给自由电 子)。图1-6 P型半导体中,空穴为多子,自由电子为少子。 三 杂质半导体的载流子浓度: 少量掺杂,平衡状态下:ni2 =n0p0 其中,ni 为本征浓度,n0 为自由电子浓度,p0 为空穴浓 度 图1-7 杂质半导体的电荷模型,图中少子未画出来。温 度T增加,本征激发加剧, 但本征激发产生的多子远小 杂 质电离产生的多子。 半导体

4、工作机理:杂质是电特性。 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,更高的温度时Si半导 体 才会失去杂质导电特性。 (三)漂移电流和扩散电流 1 漂移电流: 载流子受外电场力作用做宏观定向运动形成漂移电流 。 漂移电流与电场强度、载流子浓度成正比。 2 扩散电流: 因扩散运动形成的电流,称为扩散电流。 扩散运动:因载流子 浓度差而产生的载流子宏观定向运 动。 物理现象:半导体(N型P型)内的载流子浓度分布不规 则,无规则热 运,载流子从高浓度向低浓度方向净迁移 。 1-2 PN结工作原理 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

5、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。 一 PN结的形成: 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。 二 PN结的特点: 1 空间电荷区是非线性中性区,内建电场和 内建电位差 0 (内建电压)。 2 PN结又称耗尽层。 3 PN结又称阻挡层:内建电场E阻止两区多子 越结扩散。 PN结又称势垒区: 4 不对称PN结。 三

6、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:图1-10 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 2 反向偏置(简称反偏)PN结:图1-11 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 3 PN结的伏安特性 伏安特性方程: PN结的伏安特性曲线:图1-12 1-3 晶体二极管 二极管的结构和符号:图1-13(a)为结构,( b)为符号。 一 二极管的伏安特性: 1 单向导电特性: 2 导通电压VON

7、: 3 锗管的Is比硅管的Is大三个数量级; 4 Is随温度升高而增大: 图1-14 5 锗管与硅管伏安特性的差异:图1-15 二极管的RD和rd 1 直流电阻RD: 二极管的伏安特性为曲线二极管为非线 性电阻器件。 结论: Q点处的电流越大,二极管的直流电 阻RD越小; 二极管的正反向直流电阻相差很大。 2 交流电阻rd 二极管工作点Q处的微变电压增量dvD 和 微变电流增量diD 之比,称为该点处的交流电 阻rd 。图1-18。 3 二极管的参数: 最大平均整流电流: 最大反向工作电压VR 反向电流IR : 最高工作频率fm : 二极管的模型: 器件模型:由理想元件构成的能近似反映电 子器

8、件特性的等效电路。 1 二极管的伏安特性的分段线性近似模型 理想开 关模型 : 二极管 理想开关 正偏时正向电压 = 0,反偏时反向电流 = 0 图1-19 恒压源模型: 图1-20 原因:二极管导通时电流较大,rd很小 ,近似 认为二极管的端电压不随电流变化 恒压 特性。 折线近似模型: 图1-21 例1-1 :P1314 解法1:图解法或负载线法。 解法2:估算法。 二极管的交流小信号模型 工作点Q处的交流电阻rd 图1-24。 交流通路:图1-25(b)和图1-26 (d) 。 直流通路:图1-26 (b) 例1-3:电路图1-26(a), V(t)=2sin2104t(mV) C=20

9、0F ,估算 二极管电流中的交流成分id(t) 。 解1)v(t)=0V 时,画出直流通路1-26(b) 图。 2)当v(t) 加入后, 画交流通路时将C短路。 图1-26(d)。 交流通路及电容C: (1) C称为隔直电容: (2)C称为耦合电容: 四 二极管应用电路 (1)低频及脉冲电路中,做整流、限幅、钳位、稳 压、波形变换 (2)集成运放加二极管构成指数、对数、乘法、除 法等运算电路 (3)高频电路中做检波、调幅、混频等 1 整流电路: 图1-27整流: 利用二极管的单向导电特性,将交流 变成单向(即直流)脉动电压的过程,称为 整流。 图1-28为典型的单相半波整流电路。分析如 下:

10、(1)当vi(t) 0 二极管正偏 (2)当vi(t) 0 二极管反偏 2 限幅电路: (1)双向限幅电路:图1-30,设vi(t)=3sint (2)单向限幅电路(取Er =0即为教材上的例 题): (3)幅度可调的双向限幅电路: 3 钳位电路: 能改变信号的直流电压成分,又叫直流恢复 电路。图1-31。 设vi(t) 是2.5V 的方波信号1-31(b), 1-3 PN结的反向击穿及其应用 一 反向击穿 PN结反向击穿: PN结反向电压增大到一定量 值时,反向 电流激增,这一现象称为PN 结反向击穿。 反向击穿电压:反向击穿时的电压值。 1 雪崩击穿-价电子被碰撞电离: 发生雪崩击穿条件是

11、:反偏电压6V。 温度增加,击穿电压增大。 2 齐纳击穿-价电子被场致激发 大反偏电压下结会有很强的电场大电场力 将共价键上 的价电子拉出共价键自由电子空穴对结内 载流子激增 反向电流激增齐纳击穿。 反偏电压4V 齐纳击穿。 温度增加,击穿电压减小。 二 稳压 管 专门工作与反向击穿状态的二极管稳压 管。电路符 号图1-33(b),特性曲线图1-33(a)。 1 稳压 管的参数: 稳定电压Vz 最小稳定电流IzMIN : 最大稳定电流IzMAX : 动态电阻rz : 动态电阻的温度系数: 图1-34 2 稳压管应用电路:图1-35 RL :负载电阻; R:限流电阻;要求输入电 压VIVZ 用负

12、载线法分析: 画出等效电路图1-36(a) 求出稳压管的负载线图1-36(b): 1-5 PN结电容效应及应用 现象:半波整流电路中交流电压从50Hz改为 500KHz,在输入电压的负半周时,二极管 上也有导通电流。 原因:二极管PN结存在电容效应。 结论:高频时二极管失去电向导电特性。 一 势垒电容CT : 图1-40图(a):线性电容的充电过程。 图(b):势垒 电容的充电过程。 结论:正偏V加大空间电荷区变窄极板距离 减小 CT 反偏V加大空间电荷区变宽极板距离 增大CT 二 扩散电容CD 图1-41,两区在PN结正偏时,多子存在净的 越结扩散,进 入对方区域中成为非平衡少子,在空间电荷区两 侧积累,形 成非平衡少子浓度分布P(x) 和pn(x)。存在非平 衡少子浓度 分布的两个区域扩散区。 CD PN结正向直流电流。 PN结反偏时扩散区内少子浓度分布线如图1- 42。 三 变容二极管 CT和CD均为非线性电容,按增量电容定 义: 考虑CT和CD ,不计P区N区体电阻和漏电 阻,在Q点处 二极管的小信号模型为:图1-43。CT和CD对 外电路并连 等效 ,总的电容Cj : Cj =CT+CD Cj称为PN结的结电容。 变容二极管: 利用反偏时势垒电容工作于电路的二极管变容二极 管, 简称变容管。图1-44为变容管电路符号。 图1-45为变容管压控特性曲线。

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