第01章_晶体二极管(已修改)优秀课件.ppt
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1、第01 章_ 晶体二极管(已修改)第1 页,本讲稿共57 页教材:电子线路(线性部分)(第五版)冯军谢嘉奎主编高等教育出版社2010(东南大学)参考书:1、模拟电子技术基础简明教程(第三版)杨素行主编高等教育出版社2006(清华大学)2、模拟电子技术基础(第3版)童诗白,华成英主编,高教出版社,2001(清华)3、电子技术基础(模拟部分)康华光编著高等教育出版社1999(华中理工)4、电子线路基础教程王成华主编科学出版社2000第2 页,本讲稿共57 页1.1 半导体物理基础知识1.3 晶体二极管电路分析方法1.2 PN结1.4 晶体二极管的应用1.0 概述第一章 晶体二极管第3 页,本讲稿共
2、57 页概 述晶体二极管结构及电路符号:PNPN结正偏(结正偏(PP接接+、N N接接-),D D导通。导通。P N正极 负极晶体二极管的主要特性:单方向导电特性PNPN结反偏(结反偏(NN接接+、PP接接-),DD截止。截止。即主要用途:用于整流、开关、检波电路中。第4 页,本讲稿共57 页1.1 半导体物理基础知识 物质按其导电能力可分为导体、绝缘体和半导体 3 种。通常人们把容易导电的物质称为导体,如金、银、铜等;把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体,如陶瓷、云母、塑料、橡胶等;把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体,大多数半导体器件所用的主要材料是硅(Si)和锗(Ge)。第5
3、 页,本讲稿共57 页(1)热敏性:一些半导体对温度的反应很灵敏,其电阻率随着温度的上升而明显地下降,利用这种特性很容易制成各种热敏元件,如热敏电阻、温度传感器等。严格地说,导体、半导体和绝缘体的划分是以物质的电阻率的大小来确定的。电阻率小于10-3cm的称为导体;电阻率大于108cm的称为绝缘体;其电阻率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。1.1 半导体物理基础知识:半导体的3大特性:第6 页,本讲稿共57 页(2)光敏性:有些半导体的电阻率随着光照的增强而明显地下降,利用这种特性可以做成各种光敏元件,如光敏电阻和光电管等。(3)掺杂性:半导体的电阻率受掺入的“杂质”影响极大,在半导体
4、中即使掺入的杂质十分微量,也能使其电阻率大大地下降,利用这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。半导体为什么会具有上述特性呢?要回答这个问题,必须研究半导体的内部结构。1.1 半导体物理基础知识:第7 页,本讲稿共57 页半导体:导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。1.1 半导体物理基础知识硅(Si)、锗(Ge)原子结构及简化模型:+14 2 8 4+32 2 8 4 18+4价电子惯性核第8 页,本讲稿共57 页 硅和锗的单晶称为本征半导体。它们是制造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:共价键1.1.1 本征半导体第9 页,本讲稿共57 页q当
5、T升高或光线照射时产生自由电子空穴对。q 共价键具有很强的结合力。当T=0K(无外界影 响)时,共价键中无自由移动的电子。这种现象称注意:空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。本征激发。本征激发当原子中的价电子在光照或温度升高时获得能量挣脱共价键的束缚而成为自由电子,原子中留下空位(即空穴),(即产生自由电子空穴对)同时原子因失去价电子而带正电。第10 页,本讲稿共57 页 当原子中的价电子激发为自由电子时,原子中留下空位,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一种运动,该运动可等效地看作是空穴的运动。注意:空穴运动方向与价电子填补方向相反。自由电子 带负电
6、半导体中有两种导电的载流子 空穴的运动空 穴 带正电第1 1 页,本讲稿共57 页温度一定时:激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。v 热平衡载流子浓度热平衡载流子浓度:本征半导体中本征激发产生自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量复合。T导电能力ni或光照热敏特性光敏特性第12 页,本讲稿共57 页vN型半导体:本征半导体中掺入少量五价元素构成。+4+4+5+4+4简化模型:N型半导体多子自由电子少子空穴自由电子 常温情况下,杂质元素全部电离为自由电子和正离子,正离子在晶格中不能移动,不参与导电。(杂质电离(多数)和本征激发产生)(本征激发产生)1.1.2 杂质半导体:第13 页,本讲稿共
7、57 页 常温情况下,杂质元素全部电离为空穴和负离子,负离子在晶格中不能移动,不参与导电。+4+4+3+4+4v P型半导体:简化模型:P型半导体少子自由电子多子空穴本征半导体中掺入少量三价元素构成。空穴(杂质电离(多数)和本征激发产生)(本征激发产生)第14 页,本讲稿共57 页 杂质半导体中载流子浓度计算N型半导体(热平衡条件)(电中性方程)P型半导体杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。多子浓度取决于掺杂浓度。第15 页,本讲稿共57 页1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散 载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动,所形成的电流称漂移电流。漂移电流密度总漂移电流密度:迁移率漂移与
8、漂移电流第16 页,本讲稿共57 页电导率:半导体的电导率电阻:电压:V=E l电流:I=S Jt+-V长度l截面积S电场EI第17 页,本讲稿共57 页 载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动,所形成的电流称扩散电流。(扩散电流是半导体区别于导体的特有电流)扩散电流密度:扩散与扩散电流N 型 硅光照n(x)p(x)载流子浓度xnopo第18 页,本讲稿共57 页1.2 PN结多子:多子:空穴少子:自由电子少子:1.2.2PN结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:自由电子空穴第19 页,本讲稿
9、共57 页因浓度差空间电荷区形成内电场 内电场阻止多子扩散 内电场促使少子漂移,而少子漂移可削弱内电场 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区 PN结的形成多子:空穴多子:自由电子内电场方向少子:自由电子少子:空穴第20 页,本讲稿共57 页内电场方向 PN结的形成空间电荷区(耗尽层)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。第21 页,本讲稿共57 页 注意:掺杂浓度(Na、Nd)越大,内建电位差 VB 越高,阻挡层宽度 l0 越小。思考:思考:若将PN结用导线连接起来,导线上会
10、有电流产生吗?内建电位差:阻挡层宽度:室温时锗管 VB 0.2 0.3V硅管 VB 0.5 0.7V第22 页,本讲稿共57 页 PN PN结 结的基本特性 基本特性为单向导电性(即正向导通,反向截止);除了单向导电性外还有反向击穿特性、温度特性、电容特性。正偏:是正向偏置的简称,正向偏置是指给PN结的P端接电源的“+”极,N端接电源的“-”极的一种接法。而PN结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时所表现出的特性。反偏:是反向偏置的简称,反向偏置是指给PN结的P端接电源的“-”极,N端接电源的“+”极的一种接法。而PN结的反偏特性就是给PN结加反偏电压时所表现出的特性。1.2.2 PN结的特性:
11、PNPN结的单向导电性(即正向导通,反向截止)结的单向导电性(即正向导通,反向截止)第23 页,本讲稿共57 页1.2.2 PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结单向导电特性P+N内建电场Elo+-VPN结正偏阻挡层变薄内建电场减弱多子扩散少子漂移多子扩散形成较大的正向电流IPN结导通I电压V 电流I 第24 页,本讲稿共57 页 PN结单向导电特性P+N内建电场Elo-+VPN结反偏阻挡层变宽内建电场增强少子漂移多子扩散少子漂移形成微小的反向电流IR PN结截止IRIR与V 近似无关。温度T 电流IR结论:PN结具有单方向导电特性。第25 页,本讲稿共57 页 PN结伏安特性方程式PN结正、反
12、向特性,可用理想的指数函数来描述:热电压 26mV(室温)其中:IS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。正偏时:反偏时:第26 页,本讲稿共57 页 PN结伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSi GeVD(on)=0.7VIS=(10-910-16)A硅PN结VD(on)=0.25V锗PN结IS=(10-610-8)AV VD(on)时 随着V 正向R很小 I PN结导通;V VD(on)时 IR很小(IR-IS)反向R很大 PN结截止。温度每升高10,IS约增加一倍。温度每升高1,VD(on)约减小2.5mV。第27 页,本讲稿共57 页|V反|=V(B
13、R)时,IR急剧,PN结反向击穿。1.2.3 1.2.3 PN结的击穿特性结的击穿特性雪崩击穿 齐纳击穿 PN结掺杂浓度较低(lo较宽)发生条件外加反向电压较大(6V)形成原因:碰撞电离。V(BR)ID(mA)V(V)形成原因:场致激发。发生条件PN结掺杂浓度较高(lo较窄)外加反向电压较小(6V)第28 页,本讲稿共57 页因为T 载流子运动的平均自由路程 V(BR)。击穿电压的温度特性 雪崩击穿电压具有正温度系数。齐纳击穿电压具有负温度系数。因为T 价电子获得的能量 V(BR)。稳压二极管稳压二极管VZID(mA)V(V)IZminIZmax+-VZ 利用PN结的反向击穿特性,可制成稳压二
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