模拟电子技术第一章ppt.

上页下页后退模拟电子1.1.1PN结的形成第1章半导体二极管及其应用1.1PN结半导体的特点：1.导电能力介于导体和绝缘体之间2.对温度或者光照敏感3.掺杂后导电性能变化明显常用的半导体材料：硅、锗、硒一些氧化物硫化物等上页下页后退模拟电子1.本征半导体硅原子结构示意图锗原子结构示意图+4原子结构简化图上页下页后退模拟电子晶体平面结构将锗和硅材料提纯并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列。晶体立体结构半导体一般都有这种晶体结构上页下页后退模拟电子本征半导体就是完全纯净的，具有晶体结构的半导体。在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻的四个原子结合，每一个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成一个共用电子对，把相邻的两个原子结合起来，形成共价键结构。上页下页后退模拟电子共价键对价电子的束缚力较弱，在获得一定能量（温度增高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚（电子受到激发）成为自由电子。同时，在原来的共价键中留下一个空位，称为空穴。上页下页后退模拟电子本征激发（主要是热激发）使空穴和自由电子成对产生；它们相遇复合时，成对消失。当温度一定时，激发和复合动态平衡，“空穴、电子对”浓度一定。上页下页后退模拟电子在外电场的作用下价电子受电场作用填补空穴，同时产生新的空穴，这种空穴转移可看作带正电的粒子在外电场的作用下沿着上述价电子相反的方向转移，形成空穴电流，即空穴也参与导电。U自由电子受电场作用转移，形成电子电流。上页下页后退模拟电子在半导体中有两种带电粒子--载流子：带负电的自由电子和带正电的空穴。同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式特点，也是半导体和金属导电原理的本质区别。2．掺杂半导体在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素，这类半导体称为掺杂半导体。能使半导体的导电能力成千上万倍的提高。根据掺杂的不同，杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。上页下页后退模拟电子（1）N型半导体在本征半导体中，掺入少量五价杂质元素，如磷、砷：上页下页后退模拟电子电子是多数载流子（空穴是少数载流子），简称多子。电子带负电，所以称这种半导体为N(negative)型或电子型半导体。所掺入的杂质能给出电子，称为施主杂质。加入杂质后，杂质P原子替代某些硅原子。杂质原子的五个价电子中，只能有四个价电子与相邻的四个硅原子的价电子组成共价键，多余的那个价电子很容易受激发脱离原核的束缚成为自由电子，但并不同时产生空穴，相应的五价元素的原子因失去一个电子而成为不能自由移动的正离子，掺入的杂质密度足够大时，有大量的自由电子产生。上页下页后退模拟电子(2)P型半导体当本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等:因三价元素缺少一个价电子，而从而产生一个空穴和一个负离子。使半导体中空穴成为多子，空穴带正电，所以称为P(positive)型或空穴型半导体。所掺入的杂质能接受电子，称为受主杂质。上页下页后退模拟电子N型半导体和P型半导体均属非本征半导体，其中多子的浓度取决于掺入的杂质元素原子的密度；少子的浓度主要取决于温度；所产生的离子，不能在外电场作用下作漂移运动，不参与导电，不属于载流子。当N型半导体中再掺入三价杂质元素，且其密度大于原掺入的五价杂质元素，可转型为P型半导体；反之，P型半导体也可通过掺入足够的五价元素而转型为N型半导体。上页下页后退模拟电子3.PN结的形成：当半导体的一边是N型半导体，另一边是P型半导体时，由于浓度差的作用使得多子互相扩散，通过交界面到达对方，并与对方的多子复合。在N区和P区之间的交界面附近将形成一个极薄的空间电荷层，称为PN结。上页下页后退模拟电子PN结一方面阻碍多子的扩散；另一方面，加速少子的漂移。当N区及P区中的少子靠近PN结时，受内电场的作用而被加速，向另一侧漂移。形成漂移电流。在PN结两端开路的条件下，少数能量大的多子可以克服内电场（即自建场）产生的电场力扩散到另一侧，形成扩散电流。经过交界面的由多子扩散形成的扩散电流与少子漂移形成的漂移电流大小相等、方向相反、动态平衡。上页下页后退模拟电子++++++++________空间电荷层P体导半型N电场方向体导半型++++++++++++____________内性区中性区中形成的PN结上页下页后退模拟电子PN结一侧带正电，另一侧带负电，在两种半导体之间存在电位壁垒，对多子向另一侧扩散起阻碍作用，称为势垒或位垒，记作U0。势垒U0++++++++________空间电荷层P体导半型N电场方向体导半型++++++++++++____________内性区中性区中上页下页后退模拟电子当N区和P区的掺杂浓度不等时，掺杂浓度高的一侧（常用P+或N+表示）离子电荷密度大，空间电荷区的宽度较窄；掺杂浓度低的一侧，离子电荷密度低，空间电荷区的宽度较宽，PN结不对称。++++++______PN+不对称的PN结上页下页后退模拟电子1.1.2PN结的单向导电性1．PN结正向偏置V电场方向内UUU0电场方向外0F_+_UFU=()IFI=()限流电阻++++____PNR此时，一部分多子在扩散过程中与空间电荷区的离子中和，使PN结变窄。PN结中的外电场削弱了内电场，势垒下降,有利于多子扩散，大量的多子通过PN结，形成大的正向电流。PN结呈现低阻、导通状态。上页下页后退模拟电子2．PN结反向偏置V+_IRI=(-)++++____PN________++++++++限流电阻RU=-UR外电场方向内电场方向U0-URU0PN结中产生的外电场加强了内电场，势垒增加，PN结变宽。势垒提高，有利于少子漂移，不利于多子扩散。由于少子是由热激发产生的，浓度很低。当反向电压使几乎所有的少子均参与了导电，反向电流不再增加，此电流称为反向饱和电流，记作IS。PN结呈现高阻、截止状态。上页下页后退模拟电子1.1.3PN结的电压与电流关系)1(TUuseIiIS—反向饱和电流qkTUT时，K)300(TmV26TU，为温度电压当量，T为绝对温度，K玻耳兹曼常数，q为电子电量。在室温上页下页后退模拟电子（1）当u=0时，i=0时，TUu（2）当u0，且TSUueIi时，TUu（3）当u0，且SIi)1(TUuseIi讨论：上页下页后退模拟电子1.2半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和类型平面型点接触型引线触丝外壳N型锗片N型硅阳极引线PN结阴极引线金锑合金底座铝合金小球二极管就是一个封装的PN结上页下页后退模拟电子半导体二极管的外型和符号负极正极外型正极负极符号上页下页后退模拟电子半导体二极管的类型N型锗金属P型区触丝锡正极负极支座（1）普通二极管按使用的半导体材料不同分为硅管和锗管；N型硅P型区正极负极保护层二氧化硅（2）按结构形式不同，分点接触型、平面型。上页下页后退模拟电子1.2.2半导体二极管的伏安特性硅管00.8__400_0.260120击穿特性反向特性正向特性0.4_iD/mAu/VD800iD/mAu/VD00.8__4_0.24080正向特性反向特性8锗管uDiD上页下页后退模拟电子虽然半导体二极管的核心是PN结，但在半导体二极管中，还有电极的引线电阻、管外电极间的漏电阻、PN结两侧中性区的体电阻。都会对伏安特性有所影响。引线电阻及体电阻与PN结串联，主要影响半导体二极管的正向偏置时的伏安特性——正向特性；漏电阻较大，与管子并联，主要影响半导体二极管的反向偏置时的伏安特性——反向特性。N型硅P型区正极负极保护层二氧化硅上页下页后退模拟电子1．正向特性(1)整个正向特性曲线近似地呈现为指数曲线。（由于二极管的引线电阻，体电阻很小，电极间的漏电阻又很大，对其伏安特性的影响均不大）TDuueIiSD(2)当正向偏置电压较小时，iD近似为零，这一电压区域称为死区。死区的电压范围称为死区电压，硅管的死区电压约为0.5伏；锗管的死区电压约为0.1伏。-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/μA上页下页后退模拟电子(3)uD大于死区电压后(4)当uDUT后，曲线上升斜率TDTUuSDDUiUeIdudiTD11TDUueTDuuSDeIi-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/μATDUu导通后的管压降uD约为0.7V(硅管)、0.3V(锗管)。上页下页后退模拟电子2．反向特性(1)二极管反向偏置时，反向电流由少数载流子漂移形成，在常温下很小。小功率硅二极管的反向饱和电流IS一般小于0.1微安，锗管的IS约为几十到几百微安。在二极管击穿之前，反向电流几乎不随反向电压的变化而改变。因此，反向时管子的直流等效电阻RD(=UD/ID)随反向电压的增大而增大；上页下页后退模拟电子(2)当反向电压超过一定范围以后，反向电压的增加使反向电流急剧增大。二极管发生反向击穿。二极管发生反向击穿后，当反向电流还不太大时，二极管的功耗PD(=|UDID|)不大，PN结的温度还不会超过允许的最高结温（硅管约为150∽200oC，锗管约为75∽100oC），二极管仍不会损坏，一旦降低反向电压，二极管仍能正常工作，这种击穿是可逆的，称为电击穿。反之，若仍继续增加反向电压，反向电流也随之增大，管子会因功耗过大使PN结的温度超过最高允许温度而烧坏，造成二极管的永久性损坏，这种击穿是不可逆的，称为热击穿。上页下页后退模拟电子(a)齐纳击穿(3)产生击穿的机理：对于掺杂浓度高的PN结，空间电荷层的宽度很薄，所以在较低的反向电压下，空间电荷区中就有较强的电场，足以把空间电荷层里的半导体原子的价电子从共价键中激发出来，使反向电流突然增大，出现击穿，称这种击穿为齐纳击穿。击穿电压低于4伏时，主要是由齐纳击穿。当温度上升时，价电子的能量增加，使价电子激发需要的电压变小。齐纳击穿电压具有负的温度系数。上页下页后退模拟电子对于掺杂浓度低的PN结，空间电荷层的宽度很宽，需要更高的电压才能在空间电荷层中有较强的电场，使作漂移运动的少子加速，能量加大。当它们与共价键中的价电子发生“碰撞”时，会产生新的载流子，这一现象称为“碰撞电离”。碰撞电离产生新的载流子又被加速，又会与共价键中的价电子发生“碰撞”，产生越来越多新的载流子，出现雪崩似的连锁反应，反向电流剧增，二极管被击穿。称为雪崩击穿。(b)雪崩击穿雪崩击穿击穿电压一般大于6伏。当温度上升时，晶体中的原子热运动加剧，被加速的少子在产生碰撞电离前与原子发生“摩擦”的机会增加，损耗部分能量，所以要有更高的反向电压才能使二极管击穿，即雪崩击穿具有正的温度系数。上页下页后退模拟电子1.2.4半导体二极管的主要电参数-40-20OI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/μA1.额定电流IF3.最高允许反向工作电压UR2.反向击穿电压U(BR)4.反向电流IR5.正向电压降UF6.最高工作频率fM上页下页后退模拟电子1.2.3温度对半导体二极管特性的影响1.当温度上升时，死区电压缩小，正向电压降降低。在同样电流下，温度每升高1oC，二极管的正向电压降将降低2∽2.5mV。2.温度升高，反向饱和电流增大。温度每升高10oC左右时，反向饱和电流将增大一倍。10)CBO()CBO(002TTTTII上页下页后退模拟电子1.3半导体二极管的应用1.3.1在整流电路中的应用利用半导体二极管的单向导电特性，可以将交流电变成直流电，完成整流作用。整流：将交流电变成直流电。整流电路：完成整流功能的电路。以电路形式区分，整流电路有半波整流电路、全波整流电路及桥式整流电路等，其中桥式整流电路在小型电子设备中使用较为广泛。上页下页后退模拟电子2ut0t0iD1Out0iD2t0iOt0工作波形+_uORLTR+_u2+_u1D1D2D3D4iOiD1iD2ab工作原理当u20时,D1、D3导通，D2、D4截止。电流流向：a→D1→RL→D3→b当u20时,D2、D4导通，D1、D3截止。电流流向：b→D2→RL→D