电路与模电第5章

电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]1第5章半导体二极管及直流稳压电源(5课时）电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]2第5章半导体二极管及直流稳压电源–5.1半导体的基础知识–5.2半导体二极管–5.3晶体二极管电路的分析方法–5.4晶体二极管的应用及直流稳压电源–5.5半导体器件型号命名及方法电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]35.1半导体的基础知识•根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分，可分为：导体、绝缘体和半导体。–1.导体：容易导电的物体。如：铁、铜等–2.绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等–3.半导体：•半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。•典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。–半导体特点：•1)在外界能源的作用下，导电性能显著变化。光敏元件、热敏元件属于此类。•2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显著增加。二极管、三极管属于此类。电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]4•1.本征半导体——纯净的晶体结构的半导体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。电子技术中用的最多的是硅和锗。•硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个称为价电子。其简化原子结构模型如下图：无杂质稳定的结构5.1.1本征半导体电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]5本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形成排列有序的晶体。如图所示：2.本征半导体的共价键结构两个电子的共价键正离子芯+4+4+4+4+4+4+4+4+4电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]6由于随机热振动致使共价键被打破而产生空穴－电子对这一现象称为本征激发，也称热激发。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；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡+4+4+4+4+4+4+4+4+4由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴3.本征半导体中的两种载流子电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]7空穴的移动•由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移—电流。•电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由于共价键中出现了空穴。电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]8空穴的移动+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。空穴的运动电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]9磷（P）杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子,由热激发形成。施主杂质1.N型半导体5.1.2杂质半导体+4+4+4+5+4+4+4+4+4电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]10所以，N型半导体中的导电粒子有两种：自由电子—多数载流子（由两部分组成）空穴——少数载流子N型半导体的结构示意图如图所示：自由电子施主正离子5.1.2杂质半导体电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]113硼（B）多数载流子P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。受主杂质2.P型半导体电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]12P型半导体的结构示意图如图所示：P型半导体中：空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；电子是少数载流子，由热激发形成。空穴受主负离子2.P型半导体电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]13•本征半导体、杂质半导体•自由电子、空穴•N型半导体、P型半导体•多数载流子、少数载流子•施主杂质、受主杂质本节中的有关概念电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]14物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。1.PN结的形成5.1.3PN结的形成及特性电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]15因电场作用所产生的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。漂移运动由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。因浓度差多子扩散形成空间电荷区促使少子漂移阻止多子扩散1.PN结的形成电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]16PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。必要吗？2.PN结的单向导电性电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]17当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时低电阻大的正向扩散电流2.PN结的单向导电性PN结的伏安特性(2)PN结加反向电压时高电阻很小的反向漂移电流在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。0.51.00iD/mAuD/V0.51.0－0.5iD=－Is(μA)电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]18(1)扩散电容CD扩散电容示意图是由多数载流子在扩散过程中积累而引起的。正向电压时，载流子积累电荷量发生变化，相当于电容器充电和放电的过程——扩散电容效应。当加反向电压时，扩散运动被削弱，扩散电容的作用可忽略。3.PN结的电容效应电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]19(2)势垒电容CT是由PN结的空间电荷区变化形成的。空间电荷区的正负离子数目发生变化，如同电容的放电和充电过程。势垒电容的大小可用下式表示：由于PN结宽度l随外加电压U而变化，因此势垒电容CT不是一个常数。：半导体材料的介电比系数；S：结面积；l：耗尽层宽度。TSCljTDCCC结电容3.PN结的电容效应电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]20将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管5.2半导体二极管电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]21二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。1.半导体二极管的结构(a)点接触型二极管的结构示意图金属触丝阴极引线阳极引线N型锗片外壳电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]22（a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型1.半导体二极管的结构电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]23其中二极管的伏安特性IS——反向饱和电流UT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）TSe1uUiIT0.026V=26mVkTUq2.二极管的伏安特性0.51.00iD/mAuD/V0.51.0－0.5iD=－Is(μA)电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]24)1e(TSUuIi伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线增大1倍/10℃TeSUuIi若正向电压uUT,则若反向电压|u|UT，则i≈−IS2.二极管的伏安特性电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]25锗二极管2AP15的伏安特性2.二极管的伏安特性电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]26硅二极管的死区电压Uth=0.5V左右，锗二极管的死区电压Uth=0.1V左右。当0＜uD＜Uth时，正向电流为零，Uth称为死区电压或开启电压。当uD＞0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：当uD＞Uth时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。开启电压2.二极管的伏安特性电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]27当uD＜0时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：当UBR＜uD＜0时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱和电流IS。当uD≥UBR时，反向电流急剧增加，UBR称为反向击穿电压。锗二极管2AP15的伏安特性击穿电压2.二极管的伏安特性材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]28当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热击穿。这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。二极管的反向击穿电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]29(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压UBR和最大反向工作电压UR二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。5.2.3二极管的主要参数电路与模拟电子安师大皖江学院秦忠基[e-mail]30(3)反向电流IR在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值