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1、模拟电子技术基础Fundamentals of Analog Electronic,第3章 半导体二极管及其基本应用,第3章 半导体二极管及其基本应用,3.1 半导体基础知识,3.2 半导体二极管及其基本电路,3.3 稳压二极管,3.1 半导体基础知识,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、PN结的形成及其单向导电性,四、PN结的电容效应,一、本征半导体,导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。,本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,1、什么是半导体？什么是本征半导体？,导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。,绝缘体惰性气体、橡胶等，其原
2、子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。,半导体硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。,稳定的结构,2、本征半导体的结构,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,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。,共价键,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。,外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,为什
3、么要将半导体变成导电性很差的本征半导体？载流子浓度随温度升高而增大，半导体器件温度稳定性差。,3、本征半导体中的两种载流子,运载电荷的粒子称为载流子。,温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。,二、杂质半导体 1.N型半导体,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？,2.P型半导体,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？少子与多子变化的数目相同吗？少
4、子与多子浓度的变化相同吗？,三、PN结的形成及其单向导电性,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。,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。,PN 结的形成,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。,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。,PN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，
5、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。,PN 结的单向导电性,必要吗？,四、PN结的伏安特性 正向特性、反相特性、反相击穿特性,2.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,UT是温度的电压当量，T=300K时，UT约为26mV。,Uon是开启电压,四、PN 结的电容效应,1.势垒电容,PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的
6、过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。,2.扩散电容,PN结外加的正向电压变化时，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。,结电容：,结电容不是常量！若PN结外加电压频率高到一定程度，则失去单向导电性！,讨论一,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，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最高工作频率？（频率越高，结电容影响越大，PN结将不能很好的体现出单向导电性。）,3.2 半导体二极管及其基本电路,一、二极管的
7、组成,二、二极管的伏安特性及电流方程,三、二极管的等效电路,四、二极管的主要参数,一、二极管的组成,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,一、二极管的组成,将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,点接触型：结面积小，结电容小，故结允许的电流小，最高工作频率高。,面接触型：结面积大，结电容大，故结允许的电流大，最高工作频率低。,平面型：结面积可小、可大，小的工作频率高，大的结允许的电流大。,二、二极管的伏安特性及电流方程,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,温度的电压当量,二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。,从二极管的伏安特
8、性可以反映出：1.单向导电性,2.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/10,三、二极管的等效电路,理想二极管,近似分析中最常用,导通时i与u成线性关系,应根据不同情况选择不同的等效电路！,1.将伏安特性折线化,？,100V？5V？1V？,2.微变等效电路,Q越高，rd越小。,当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。,ui=0时直流电源作用,小信号作用,静态电流,四、二极管的主要参数,最大整流电流IF：二
9、极管长期运行时允许的最大平均电流最大反向工作电压UR：最大瞬时值反向电流 IR：即IS，二极管未击穿时的反相电流。最高工作频率fM：因PN结有电容效应，超过此值，二极管不能很好体现单向导电性。,3.3 稳压二极管,一、伏安特性,二、主要参数,三、基本电路的组成,一、稳压二极管的伏安特性,进入稳压区的最小电流,不至于损坏的最大电流,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,二、主要参数,稳定电压UZ,最大功耗PZM IZM UZ,动态电阻rzUZ/IZ,稳定电流IZ,三、基本电路的组成,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压
10、管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻必不可少！,讨论一：二极管和稳压管组成的限幅电路 在电压比较器中，为保护运放输入端，需限制其输入电压幅值；为适应负载对电压幅值的要求，输出端需加限幅电路。,UOH UZ1 UD2,UOH UOL UZ,输入端保护电路使净输入电压最大值为UD,UOL(UZ2 UD1),滞回比较器输出端加限幅电路,UOH UZ UOL UD,为使UOL更接近0，怎么办？,锗管,UOH UOL UZ,输出低电平接近零的限幅电路,讨论二：窗口比较器的工作原理,当uIURH时，uO1=uO2=UOM，D1导通，D2截止；uO=UZ。,当uIURL时，uO2=uO1=UOM，D2导通，D1截止；uO=UZ。,当URLuI URH时，uO1=uO2=UOM，D1、D2均截止；uO=0。,讨论三,判断二极管工作状态的方法？什么情况下应选用二极管的什么等效电路？,讨论四,什么情况下应选用二极管的什么等效电路？如何求解回路电流？,uD=V-iR,ID,UD,若V与uD可比，如V=2V，R=500，则需图解：,实测特性,
