半導(dǎo)體器件與二極管電路.ppt

《半導(dǎo)體器件與二極管電路.ppt》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《半導(dǎo)體器件與二極管電路.ppt（38頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)與二極管電路 第五章 第五章半導(dǎo)體器件基礎(chǔ)與二極管電路 5 1半導(dǎo)體二極管的工作原理與特性5 2二極管整流電路5 3二極管峰值采樣電路5 4二極管檢波電路 5 1半導(dǎo)體二極管的工作原理與特性 導(dǎo)體 自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體 金屬一般都是導(dǎo)體 絕緣體 有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電 稱為絕緣體 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半導(dǎo)體 另有一類物質(zhì)的導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間 稱為半導(dǎo)體 如鍺 硅 砷化鎵和一些硫化物 氧化物等 根據(jù)物體導(dǎo)電能力 電阻率 的不同 來(lái)劃分導(dǎo)體 絕緣體和半導(dǎo)體 5 1 1PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?一 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 典型的半導(dǎo)體有硅Si和鍺Ge以及砷化鎵GaAs等 半導(dǎo)體有溫敏 光敏和摻雜等導(dǎo)電特性 熱敏性 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí) 導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng) 可做成溫度敏感元件 如熱敏電阻 光敏性 當(dāng)受到光照時(shí) 導(dǎo)電能力明顯變化 可做成各種光電元件 如光電電阻 光電二極管 光電晶體管 摻雜性 往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì) 導(dǎo)電能力明顯改變 可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件 如二極管 晶體管和晶閘管等 完全純凈的 不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體 將硅或鍺材料提純便形成單晶體 它的原子結(jié)構(gòu)為共價(jià)鍵結(jié)構(gòu) 價(jià)電子 共價(jià)鍵 二 本征半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 當(dāng)溫度T 0K時(shí) 半導(dǎo)體不導(dǎo)電 如同絕緣體 自由電子 空穴 若T 將有少數(shù)價(jià)電子克服共價(jià)鍵的束縛成為自由電子 在原來(lái)的共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位 空穴 T 自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力 但很微弱 空穴可看成帶正電的載流子 三 本征半導(dǎo)體中的兩種載流子 雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種 N型半導(dǎo)體 P型半導(dǎo)體 1 N型半導(dǎo)體 Negative 在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)元素 如磷 銻 砷等 即構(gòu)成N型半導(dǎo)體 或稱電子型半導(dǎo)體 常用的5價(jià)雜質(zhì)元素有磷 銻 砷等 四 雜質(zhì)半導(dǎo)體 本征半導(dǎo)體摻入5價(jià)元素后 原來(lái)晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替 雜質(zhì)原子最外層有5個(gè)價(jià)電子 其中4個(gè)與硅構(gòu)成共價(jià)鍵 多余一個(gè)電子只受自身原子核吸引 在室溫下即可成為自由電子 見下頁(yè) 自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度 即n p 電子稱為多數(shù)載流子 簡(jiǎn)稱多子 空穴稱為少數(shù)載流子 簡(jiǎn)稱少子 5價(jià)雜質(zhì)原子稱為施主原子 2 P型半導(dǎo)體 在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價(jià)雜質(zhì)元素 如硼 鎵 銦等 即構(gòu)成P型半導(dǎo)體 空穴濃度多于電子濃度 即p n 空穴為多數(shù)載流子 電子為少數(shù)載流子 3價(jià)雜質(zhì)原子稱為受主原子 受主原子 空穴 在一塊半導(dǎo)體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導(dǎo)體 另一側(cè)摻雜成為N型半導(dǎo)體 兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層 稱為PN結(jié) 五 PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?1 PN結(jié)中載流子的運(yùn)動(dòng) 耗盡層 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成空間電荷區(qū) 電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) PN結(jié) 耗盡層 空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng) 空間電荷區(qū)正負(fù)離子之間電位差Uho 電位壁壘 內(nèi)電場(chǎng) 內(nèi)電場(chǎng)阻止多子的擴(kuò)散 阻擋層 漂移運(yùn)動(dòng) 內(nèi)電場(chǎng)有利于少子運(yùn)動(dòng) 漂移 少子的運(yùn)動(dòng)與多子運(yùn)動(dòng)方向相反 擴(kuò)散與漂移的動(dòng)態(tài)平衡 擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使空間電荷區(qū)增大 擴(kuò)散電流逐漸減小 隨著內(nèi)電場(chǎng)的增強(qiáng) 漂移運(yùn)動(dòng)逐漸增加 當(dāng)擴(kuò)散電流與漂移電流相等時(shí) PN結(jié)總的電流等于零 空間電荷區(qū)的寬度達(dá)到穩(wěn)定 對(duì)稱結(jié) 即擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡 不對(duì)稱結(jié) 2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1 PN結(jié)外加正向電壓時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài) 又稱正向偏置 簡(jiǎn)稱正偏 在PN結(jié)加上一個(gè)很小的正向電壓 即可得到較大的正向電流 為防止電流過(guò)大 可接入電阻R 2 PN結(jié)外加反向電壓時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài) 反偏 反向接法時(shí) 外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)的方向一致 增強(qiáng)了內(nèi)電場(chǎng)的作用 如下圖 外電場(chǎng)使空間電荷區(qū)變寬 不利于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng) 有利于漂移運(yùn)動(dòng) 漂移電流大于擴(kuò)散電流 電路中產(chǎn)生反向電流I 由于少數(shù)載流子濃度很低 反向電流數(shù)值非常小 反向電流又稱反向飽和電流 對(duì)溫度十分敏感 隨著溫度升高 IS將急劇增大 綜上所述 當(dāng)PN結(jié)正向偏置時(shí) 回路中將產(chǎn)生一個(gè)較大的正向電流 PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài) 當(dāng)PN結(jié)反向偏置時(shí) 回路中反向電流非常小 幾乎等于零 PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài) 可見 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?在PN結(jié)上加上引線和封裝 就成為一個(gè)二極管 二極管按結(jié)構(gòu)分有點(diǎn)接觸型 面接觸型和平面型 5 1 2半導(dǎo)體二極管的基本結(jié)構(gòu) 1點(diǎn)接觸型二極管 PN結(jié)面積小 結(jié)電容小 用于檢波和變頻等高頻電路 3平面型二極管 往往用于集成電路制造工藝中 PN結(jié)面積可大可小 用于高頻整流和開關(guān)電路中 2面接觸型二極管 PN結(jié)面積大 用于工頻大電流整流電路 b 面接觸型 4二極管的代表符號(hào) D 5 1 3半導(dǎo)體二極管的伏安特性及主要參數(shù) 二極管的伏安特性曲線可用下式表示 正向特性 反向特性 反向擊穿特性 開啟電壓 0 5V導(dǎo)通電壓 0 7 一 半導(dǎo)體二極管的伏安特性 開啟電壓 0 1V導(dǎo)通電壓 0 2V 1 正向特性 外加正向電壓時(shí) 正向特性的起始部分 正向電流幾乎為零 這一段稱為 死區(qū) 對(duì)應(yīng)于二極管開始導(dǎo)通時(shí)的外加電壓稱為 死區(qū)電壓 鍺管約為0 2V 硅管約0 5V 2 反向特性 外加反向電壓不超過(guò)一定范圍時(shí)通過(guò)二極管的電流是少數(shù)載流子漂移運(yùn)動(dòng)所形成的很小的反向電流 稱為反向飽和電流或漏電流 該電流受溫度影響很大 3 擊穿特性 外加反向電壓超過(guò)某一數(shù)值時(shí) 反向電流會(huì)突然增大 這種現(xiàn)象稱為擊穿 擊穿時(shí) 二極管失去單向?qū)щ娦?對(duì)應(yīng)的電壓稱為擊穿電壓 二 半導(dǎo)體二極管的電路模型 1 最大整流電流IOM 2 反向工作峰值電壓UDMR 3 反向電流IR 4 最高工作頻率fM 三 半導(dǎo)體二極管的主要參數(shù) 二極管長(zhǎng)時(shí)間安全工作所允許流過(guò)的最大正向平均電流 由PN結(jié)結(jié)面積和散熱條件決定 超過(guò)此值工作可能導(dǎo)致過(guò)熱而損壞 為保證二極管不被反向擊穿而規(guī)定的最大反向工作電壓 一般為反向擊穿電壓的一半 二極管未被擊穿時(shí) 流過(guò)二極管的反向電流 此值越小 單向?qū)щ娦栽胶?硅管優(yōu)于鍺管 二極管維持單向?qū)щ娦缘淖罡吖ぷ黝l率 由于二極管中存在結(jié)電容 當(dāng)頻率很高時(shí) 電流可直接通過(guò)結(jié)電容 破壞二極管的單向?qū)щ娦?四 溫度對(duì)二極管伏安特性的影響 在環(huán)境溫度升高時(shí) 二極管的正向特性將左移 反向特性將下移 二極管的特性對(duì)溫度很敏感 在實(shí)際應(yīng)用中 應(yīng)根據(jù)管子所用的場(chǎng)合 按其所承受的最高反向電壓 最大正向平均電流 工作頻率 環(huán)境溫度等條件 選擇滿足要求的二極管 5 1 4穩(wěn)壓二極管 一 穩(wěn)壓管的伏安特性 a 符號(hào) b 2CW17伏安特性 DZ 1 穩(wěn)定電壓UZ 2 動(dòng)態(tài)電阻rZ 在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下 所對(duì)應(yīng)的反向工作電壓 rZ VZ IZ 3 最大耗散功率PZM 4 最大穩(wěn)定工作電流IZmax和最小穩(wěn)定工作電流IZmin 5 溫度系數(shù) VZ 二 穩(wěn)壓管的主要參數(shù) 一 發(fā)光二極管LED LightEmittingDiode 1 符號(hào)和特性 工作條件 正向偏置 一般工作電流幾十mA 導(dǎo)通電壓 1 2 V 符號(hào) 特性 5 1 5其它類型的二極管 發(fā)光類型 可見光 紅 黃 綠 顯示類型 普通LED 不可見光 紅外光 點(diǎn)陣LED 七段LED 二 光電二極管 符號(hào)和特性 符號(hào) 特性 工作原理 三 變?nèi)荻O管四 隧道二極管五 肖特基二極管 無(wú)光照時(shí) 與普通二極管一樣 有光照時(shí) 分布在第三 四象限 對(duì)整流電路要研究清楚以下問(wèn)題 1 電路的工作原理 二極管工作狀態(tài) 波形分析2 輸出電壓和輸出電流的平均值 輸出為脈動(dòng)的直流電壓3 整流二極管的選擇 二極管承受的最大整流平均電流和最高反向工作電壓 為分析問(wèn)題簡(jiǎn)單起見 設(shè)二極管為理想二極管 變壓器內(nèi)阻為0 整流二極管的伏安特性 實(shí)際特性 理想化特性 正向?qū)妷簽? 正向電阻為0 5 2二極管整流電路 一 工作原理 u2的正半周 D導(dǎo)通 A D RL B uO u2 u2的負(fù)半周 D截止 承受反向電壓 為u2 uO 0 5 2 1單相半波整流電路的分析方法及其基本參數(shù) 優(yōu)點(diǎn) 使用元件少 缺點(diǎn) 輸出波形脈動(dòng)大 直流成分小 變壓器利用率低 二 輸出電壓平均值UO AV 和負(fù)載電流的平均值IL AV 的估算已知變壓器副邊電壓有效值為U2 考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為 10 二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足 三 二極管的選擇 5 2 2單相橋式整流電路 一 單向橋式整流電路的組成 在實(shí)用電路中 多采用全波整流電路 最常用的是單向橋式整流電路 二 工作原理 1 u2 0時(shí) 電流由 流出 經(jīng)D1 RL D2流入 2 u2 0時(shí) 電流由 流出 經(jīng)D3 RL D4流入 三 輸出電壓平均值UO AV 和輸出電流的平均值IO AV 四 二極管的選擇 考慮到電網(wǎng)電壓波動(dòng)范圍為 10 二極管的極限參數(shù)應(yīng)滿足