半导体二极管和三极管-课件.ppt

1、1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.2 半导体二极管及其基本电路半导体二极管及其基本电路1.3 晶体管晶体管1.4 场效应管场效应管1.1.1 本征半导体本征半导体1.1.2 杂质半导体杂质半导体1.1.3 PN结的形成及特性结的形成及特性 Si Si Si Si价电子价电子共价健共价健 Si Si Si Si这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。自由电子的产生使共价键中留有一自由电子的产生使共价键中留有一个空位个空位 ,称为称为空穴空穴自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；一定温度下，自由电子与空穴对的浓

2、度一定；温度升高，自由电子与空穴对的浓度加大。温度升高，自由电子与空穴对的浓度加大。价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子空穴空穴自由电子自由电子运载电荷的粒子称为载流子。运载电荷的粒子称为载流子。本征半导体中的本征半导体中的 温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。电性增强。热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。掺入杂质越多掺入杂质越多,多子浓多子浓度越高度越高,导电性越强导电性越强,实实现导电性可控。现导电性可控。Si Si Si Sip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下在常温下即可变为即可变为自由电子自由电子失 去 一

3、 个失 去 一 个电 子 变 为电 子 变 为正离子正离子 掺入杂质越多掺入杂质越多,多子浓多子浓度越高度越高,导电性越强导电性越强,实实现导电性可控。现导电性可控。Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴P型半导体的形成过程动画演示型半导体的形成过程动画演示 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有扩散运动。体、液体、固体均有扩散运动。-+-空穴扩散空穴扩散电子扩散电子扩散PN浓度差浓度差多子扩散运动多子扩散运动空间电荷区空间电荷区内电场内电场少子漂移运动少子漂移运动动动态态平平衡衡+-+-+-空间电空间电荷区荷区内电场内电场PN

4、PN结：空间电荷区、耗尽层结：空间电荷区、耗尽层-+-空穴扩散空穴扩散电子扩散电子扩散PN+-+-+-空间电空间电荷区荷区内电场内电场扩散运动：由浓度差引起扩散运动：由浓度差引起扩散电流：扩散电流：P N漂移运动：由内电场引起漂移运动：由内电场引起内电场的作用：抑制扩散内电场的作用：抑制扩散 促进漂移促进漂移漂移电流漂移电流:N PPN结动态平衡时，扩散电结动态平衡时，扩散电流与漂移电流大小相等、流与漂移电流大小相等、方向相反，流过方向相反，流过PN的总电的总电流为流为0。PN 结变窄结变窄外电场外电场IF扩散运动加剧扩散运动加剧,由于由于外电源的作用，形成扩散电流，外电源的作用，形成扩散电流

5、，内电场内电场PN+正正 向向 电电 流流+RIR+R阻止扩散阻止扩散运动运动,有利于漂有利于漂移运动移运动,形成漂形成漂移电流。移电流。（3）PN结的结的iu特性特性 其中其中IS 反向饱和电流反向饱和电流UT 温度电压当量温度电压当量且在常温下（且在常温下（T=300K）V026.0 qkTUTmV 26)1e(TDSD nUIiuPN结单向导电性的结单向导电性的IU特性曲线特性曲线n发射系数，其值发射系数，其值1-2。反向击穿反向击穿:当当PNPN结的结的反向电压增加到一定数反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快值时，反向电流突然快速增加的现象。速增加的现象。热击穿热击穿不可逆不可逆电

6、击穿电击穿可逆可逆势垒电容示意图势垒电容示意图u 势垒电容：势垒电容：PN结外加反向电压变化时，空间电荷区的结外加反向电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，宽度将发生变化，PN结内存储的正负离子数量改变，其类结内存储的正负离子数量改变，其类似于电容两极上电荷的变化，其等效电容称为势垒电容似于电容两极上电荷的变化，其等效电容称为势垒电容Cb。PN结外加正向电结外加正向电压变化时压变化时,在扩散路程中载流子在扩散路程中载流子浓度及其梯度均有变化浓度及其梯度均有变化,也有电也有电荷的积累和释放的过程荷的积累和释放的过程,其等效其等效电容称为扩散电容电容称为扩散电容Cd。dbjCCC 结电容：结电容

7、：结电容不是常量！若结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！失去单向导电性！PN结结电容一般都很小（一般为几个结结电容一般都很小（一般为几个pF几十几十pF）扩散电容示意图扩散电容示意图 为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？为什么半导体器件有

8、最高工作频率？为什么半导体器件有最高工作频率？1.2.1 半导体二极管的几种常见结构半导体二极管的几种常见结构1.2.2 二极管的伏安特性及电流方程二极管的伏安特性及电流方程1.2.4 二极管的几种电路模型二极管的几种电路模型1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.2.6 特殊二极管特殊二极管1.2.5 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。阴极阴极阳极阳极 电路符号电路符号D小功率二极管小功率二极管稳压二极管稳压二极管大功率二极管大功率二极管发光二极管发光二极管材料材料开启电压开启电压U

9、on硅管硅管0.5V锗管锗管0.1V。e,TDSDTDUuIiUu 则则当当正正向向电电压压)1e(TDSD UuIi二极管电流与其端电压关系二极管电流与其端电压关系iD=f（uD）称为伏安特性。）称为伏安特性。+反向特性反向特性iDuD(2)近似呈现为指数曲线近似呈现为指数曲线(1)死区死区iD0(3)导通后（导通后（u大于死区电压后）大于死区电压后）u略有升高，略有升高，i急剧增大。急剧增大。R uD DuDi导通电压导通电压UF0.60.8V0.20.3V材料材料反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si1A以下锗锗Ge几十A反向击穿反向击穿电压电压UBRiDuDSD(BR)DTD)1(IiUuU

10、u 时时，且且若若反反向向电电压压(2)当当DBRuU 时，时，反向电流急剧增大，反向电流急剧增大，二极管发生反向击穿。二极管发生反向击穿。电击穿二极管仍能正常工作，电击穿二极管仍能正常工作，热击穿二极管永久性的损坏。热击穿二极管永久性的损坏。R uD DuDi)1e(TDSD UuIiT（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降uD 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR)T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移增大增大1倍倍/10iDuD2080 最大整流电流最大整流电流IF：是指管子长时间运行时，允许通过的：是指管子长时间运行时，允许通过的 最大正向平均电流。最大

11、正向平均电流。反向击穿电压反向击穿电压UBR：管子反向击穿时的电压值。：管子反向击穿时的电压值。最大反向工作电压最大反向工作电压UR：允许加在管子上的最大反向峰值电压。：允许加在管子上的最大反向峰值电压。反向电流反向电流 IR：即：即IS 极间电容极间电容Cj：Cj=Cb+Cd 最高工作频率最高工作频率fM：超过此频率二极管失去单向导性。：超过此频率二极管失去单向导性。反向恢复时间反向恢复时间TRR：反向恢复时间越短，：反向恢复时间越短，fM越高。越高。DioDu理想理想二极管二极管理想开关：导通时理想开关：导通时 UD0 截止时截止时IR01.理想模型理想模型代表符号代表符号uD0正向导通时

12、电路模型正向导通时电路模型uD0反向截止时电路模型反向截止时电路模型 理想模型属于大信号模型，理想模型属于大信号模型，i-u关系近似为两段直线，关系近似为两段直线，反向击穿状态不包含此模型中。反向击穿状态不包含此模型中。DioDuFU近似分析近似分析中最常用中最常用导通时导通时UDUF截止时截止时IR0FU2.恒压降模型恒压降模型电路模型电路模型 恒压降模型属于大信号模型，恒压降模型属于大信号模型，i-u关系近似为两段直关系近似为两段直线，反向击穿状态不包含此模型中。线，反向击穿状态不包含此模型中。uDUF正向导通正向导通uDUF反向截止反向截止DioDuONU导通时导通时i与与u成线成线性关

13、系性关系3.折线模型折线模型电路模型电路模型mA1onDDUur 折线模型属于大信号模型，折线模型属于大信号模型，i-u关系近似为两段直线，关系近似为两段直线，反向击穿状态不包含此模型中。反向击穿状态不包含此模型中。uDUon正向导通正向导通uDUon反向截止反向截止ui=0时直流电源作用时直流电源作用IDiDUD小信号作用小信号作用4.小信号模型小信号模型 当二极管上的电压或电流仅在一个较小范围内发当二极管上的电压或电流仅在一个较小范围内发生变化时，此时所建立的模型称为生变化时，此时所建立的模型称为小信号模型小信号模型。当正向工作的二极管在静态基础上有一动态信号当正向工作的二极管在静态基础上

14、有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个动态电阻，也就是作用时，则可将二极管等效为一个动态电阻，也就是微变等效电路。微变等效电路。ui=0时直流电源作用时直流电源作用常温下（常温下（T=300K）)mA()mV(261DDTddIIUgr IDiDuDUD小信号作用小信号作用4.小信号模型小信号模型（1）如何判断二极管的导通与截止？）如何判断二极管的导通与截止？（2）二极管导通时应选用哪种等效电路？）二极管导通时应选用哪种等效电路？u若直流信号、交流大信号单独作用或二者同时作用时若直流信号、交流大信号单独作用或二者同时作用时 信号幅值明显大于信号幅值明显大于(理想理想 模型或恒压降模型；模型

15、或恒压降模型；信号幅值和信号幅值和(折线模型。折线模型。u若交流小信号、直流信号共同作用时若交流小信号、直流信号共同作用时 采用叠加定理分析；采用叠加定理分析；直流信号单独作用时，同上。直流信号单独作用时，同上。交流小信号单独作用时采用小信号模型。交流小信号单独作用时采用小信号模型。电路如图所示，电路如图所示，ui=0.1sint V。（1）求输出电压）求输出电压uO的交流量和总量；的交流量和总量；（2）绘出）绘出uO的波形。的波形。直流通路（静态）直流通路（静态）交流通路（动态）交流通路（动态）解：解：交直流通路、静态、动态等概念交直流通路、静态、动态等概念在放大电路的分析中非常重要。在放大

16、电路的分析中非常重要。uO=UO+uo=4.3+0.0994sint（V)小信号工作情况分析小信号工作情况分析.3V4 t234uo/v0直流通路（静态）直流通路（静态）交流通路（动态）交流通路（动态）234 电路如图电路如图,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当型求解，当uI=6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压uO的波形。的波形。时时V 3)(CCDI UUu时时V 3)(CCDI UUu(1)限幅电路限幅电路(用于整形、波形变换、过压保护）用于整形、波形变换、过压保护）使用理想模型来分析使用理想模型来分析u

17、ouIV3 t0 电路如图电路如图,二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当型求解，当uI=6sin t V时，绘出相应的输出电压时，绘出相应的输出电压uO的波形。的波形。时时V 7.3)(CCFI UUu时时V 7.3)(CCFI UUu(1)限幅电路限幅电路使用恒压降模型来分析使用恒压降模型来分析234uouIV.73 t0D6V12V3k BAUAB+理想模型理想模型恒压降模型，恒压降模型，则则(2)钳位电路钳位电路BD16V12V3k AD2UAB+(3)钳位隔离电路钳位隔离电路理想模型理想模型恒压降模型，恒压降模型，则则 Y=A

18、B000101110100ABYY220V+-BA 特点特点:任任0 则则0,全全1则则1(4)开关电路开关电路0V0V0V0V0V3V+U 12VRDADCABYDBC3V3V3V0V00000010101011001000011001001111ABYC0V3V(4)开关电路开关电路 特点特点:任任0 则则0,全全1则则1Y=A B C&ABYCUZIZminIZmax UZ IZuiO斜率？斜率？不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流c.管子反向击穿后在一定的电管子反向击穿后在一定的电 流范围内端电压基本不变流范围内端电压基本不变,为稳定电压。为稳定电压。特特点点:a.正向特性与普通管类似正向特性与普通管类似b.反向击穿特性很陡反向击穿特性很陡进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流ZZ ZIUr 把一只把一只为正的为正的管子与另一只管子与另一只为负的管子串联为负的管子串联将两只将两只为正为正的稳压管串联的稳压管串联(1)DZ1DZ2(2)