周围第01章晶体二极管.ppt
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1、主讲教师:主讲教师:周围周围 教授教授/博士博士 办公室:通信学院电工电子教学部(办公室:通信学院电工电子教学部(2教教4楼)楼)实验室:数字图书馆实验室:数字图书馆4031 Tel:62461417(办)办)62487954(实)(实)62460530(宅)(宅)电子电路基础电子电路基础(Basis of Electronic Circuits)-通信学院电工电子教学部通信学院电工电子教学部-教教材:材:电子线路电子线路(线性部分线性部分)(第四版)(第四版)谢嘉奎谢嘉奎主编主编高等教育出版社高等教育出版社1999(东南大学)(东南大学)模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行模拟电子技术基
2、础简明教程(第三版)杨素行主编主编高等教育出版社高等教育出版社2006(清华大学)(清华大学)参考书:参考书:1、模拟电子技术基础(第模拟电子技术基础(第3版)版)童诗白,华成英主编童诗白,华成英主编,高教出版社,高教出版社,2001(清华)(清华)2、电子技术基础(模拟部分)、电子技术基础(模拟部分)康华光康华光编著编著高等教育出版社高等教育出版社1999(华中理工)(华中理工)3、电子线路基础教程、电子线路基础教程王成华王成华主编主编科学出版社科学出版社2000电子线路:电子线路:指包含电子器件、并能对电指包含电子器件、并能对电 信号实现某种处理的功能电路。信号实现某种处理的功能电路。概概
3、 述述电路组成:电路组成:电子器件电子器件 +外围电路外围电路电子器件:电子器件:二极管、三极管、场效应管、二极管、三极管、场效应管、集成电路集成电路。外围电路:外围电路:直流电源、电阻、电容、直流电源、电阻、电容、电流源电路等电流源电路等。1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识1.3 1.3 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法1.2 PN1.2 PN结结1.4 1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用1.0 1.0 概述概述第一章第一章 晶体二极管晶体二极管概概 述述晶体二极管结构及电路符号:晶体二极管结构及电路符号:PNPN结正偏(结正偏(结正偏(结正偏(P P接接
4、接接+、N N接接接接-),D D导通。导通。导通。导通。PN正极正极负极负极晶体二极管的主要特性:晶体二极管的主要特性:单方向导电特性单方向导电特性PNPN结反偏(结反偏(结反偏(结反偏(N N接接接接+、P P接接接接-),D D截止。截止。截止。截止。即即主要用途:主要用途:用于整流、开关、检波电路中。用于整流、开关、检波电路中。半导体:半导体:导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。1.1 1.1 半导体物理基础知识半导体物理基础知识硅硅(Si)、锗、锗(Ge)原子结构及简化模型:原子结构及简化模型:+14 2 8 4+32 2 8418+4价电子价电子
5、惯性核惯性核 硅和锗的单晶称为硅和锗的单晶称为本征半导体本征半导体。它们是制造。它们是制造半导体器件的基本材料。半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4 硅和锗共价键结构示意图:硅和锗共价键结构示意图:共价键共价键1.1.1 1.1.1 本征半导体本征半导体q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。q 共价键具有很强的结合力。共价键具有很强的结合力。当当T=0K(无外界影无外界影 响)时,共价键中无自由移动的电子。响)时,共价键中无自由移动的电子。这种现象称这种现象称注意:注意:空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。空穴的出现是半导体区别于
6、导体的重要特征。本征激发本征激发。本征激发本征激发 当当原原子子中中的的价价电电子子激激发发为为自自由由电电子子时时,原原子子中中留留下空位,同时原子因失去价电子而带正电。下空位,同时原子因失去价电子而带正电。当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成当邻近原子中的价电子不断填补这些空位时形成一种运动,该运动可等效地看作是一种运动,该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。注意:注意:空穴运动方向与价电子填补方向相反。空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空穴的运动空空 穴穴 带正电带正电温度一定时:温度
7、一定时:激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度:热平衡载流子浓度:本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。T导电能力导电能力ni或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性v N N型半导体:型半导体:1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体+4+4+5+4+4简化模型:简化模型:N型半导体型半导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由电子自由电子本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元
8、素构成。元素构成。v P P型半导体型半导体+4+4+3+4+4简化模型:简化模型:P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴空空 穴穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。杂质半导体中载流子浓度计算杂质半导体中载流子浓度计算N型半导体型半导体(热平衡条件)(热平衡条件)(电中性方程)(电中性方程)P型半导体型半导体杂质半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。多子浓度取决于掺杂浓度。1.1.3 1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散 载流子在电场作用下的运动运动称载流子在电场
9、作用下的运动运动称漂移运动,漂移运动,所形成的电流称所形成的电流称漂移电流。漂移电流。漂移电流密度漂移电流密度总漂移电流密度:总漂移电流密度:迁移率迁移率漂移与漂移电流漂移与漂移电流电导率:电导率:半导体的电导率半导体的电导率电阻:电阻:电压:电压:V=E l电流:电流:I=S Jt+-V长度长度l截面积截面积S电场电场EI 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动,扩散运动,所形成的电流称所形成的电流称扩散电流。扩散电流。扩散电流密度扩散电流密度:扩散与扩散电流扩散与扩散电流N N 型型 硅硅光照光照n(x)p(x)载流子浓度载流子浓度xnopo1.2 1.2 PN结
10、结多子:多子:多子:多子:空穴空穴少子:少子:自由电子自由电子少子:少子:在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质质,分别形成分别形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。此时将在此时将在N型半导体和型半导体和P型半导体的结合面上形成型半导体的结合面上形成如下物理过程如下物理过程:自由电子自由电子空穴空穴因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移,而少子漂移可削弱内电场而少子漂移可削弱内电场 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡
11、动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动 由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 PN结的形成结的形成多子多子:空穴:空穴多子多子:自自由电子由电子内电场方向内电场方向少子少子:自由电子自由电子少子少子:空穴:空穴内电场方向内电场方向 PN结的形成结的形成空间电荷区空间电荷区(耗尽层)(耗尽层)对于对于P型半导体和型半导体和N型半导体结合面,离型半导体结合面,离子薄层形成的子薄层形成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区,由于缺少多子,所以也在空间电荷区,由于缺少多子,所以也称称耗尽层耗尽层。注意:注意:掺杂浓度(掺杂浓度(Na、Nd)越大,内建电位差)越大,内建电位差
12、VB 越高,阻挡层宽度越高,阻挡层宽度 l0 0 越小。越小。内内建建电位差:电位差:阻挡层宽度:阻挡层宽度:室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V1.2.2 1.2.2 PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场E Elo+-+-VPN结结正偏正偏阻挡层变薄阻挡层变薄内建电场减弱内建电场减弱多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移多子扩散形成多子扩散形成较大较大的正向电流的正向电流IPNPN结导通结导通I电压电压V V 电流电流I I PN结结单向导电特性单向导电特性P+N内建电场内建电场E Elo-+-+VPN结结反偏
13、反偏阻挡层变宽阻挡层变宽内建电场增强内建电场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子少子漂移漂移形成形成微小微小的反向电流的反向电流IRPNPN结截止结截止IRI IR R与与V V 近似无关。近似无关。温度温度T T 电流电流I IR R结论:结论:PNPN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。PN结结伏安特性方程式伏安特性方程式PNPN结正、反向特性,可用理想的指数函数来描述:结正、反向特性,可用理想的指数函数来描述:热电压热电压 26mV(室温)(室温)其中:其中:IS为反向饱和电流,其值与外加电压近似为反向饱和电流,其值与外加电压近似无关,但受温度影响很大。无关,但受温度影响很大
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