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1 半导体及二极管.ppt

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1 半导体及二极管.ppt

半导体二极管及基本电路,半导体的基本知识,PN结的形成及特性,半导体二极管,特殊二极管,★二极管基本电路分析,半导体的基本知识,,本征半导体、空穴及其导电作用,杂质半导体,,根据物体导电能力电阻率的不同,划分为导体、绝缘体和半导体。 半导体的电阻率为10-3~109 cm。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 半导体的特点1)导电能力不同于导体、绝缘体; 2)受外界光和热刺激时电导率发生很大变化光敏元件、热敏元件; 3)掺进微量杂质,导电能力显著增加半导体。,,半导体的基本知识,半导体的共价键结构,,硅和锗是四价元素,在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子。它们分别与周围的四个原子的价电子形成共价键。 原子按一定规律整齐排列,形成晶体点阵后,结构图为,返回,本征半导体、空穴及其导电作用,,本征半导体完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,载流子可以自由移动的带电粒子。 电导率与材料单位体积中所含载流子数有关,载流子浓度越高,电导率越高。,返回,电子空穴对,,当T0K和无外界激发时,导体中没有载流子,不导电。当温度升高或受到光的照射时,价电子能量增高,有的价电子可以挣脱原子核的束缚,而参与导电,成为自由电子本证激发。,自由电子产生的同时,在其原来的共价键中就出现了一个空位,这个空位为空穴。,自由电子,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的,称为电子空穴对。,本征激发,动画1-1,空穴,返回,杂质半导体,N型半导体(电子型半导体),在本征半导体中掺入五价的元素磷、砷、锑 ,多余电子, 成为自由电子,自由电子,,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质,可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,返回,P型半导体(空穴型半导体),在本征半导体中掺入三价的元素(硼),空穴,空穴,返回,N型半导体的多数载流子为电子,少数载流子是空穴; P型半导体的多数载流子为空穴,少数载流子是电子。,例纯净硅晶体中硅原子数为1022/cm3数量级, 在室温下,载流子浓度为nipi1010数量级, 掺入百万分之一的杂质(1/10-6),即杂质浓度为1022*(1/106)1016数量级, 则掺杂后载流子浓度为10161010,约为1016数量级, 比掺杂前载流子增加106,即一百万倍。,返回,PN结的形成及特性,PN结的形成及特性,PN结的单向导电性,,,PN结的形成,PN结的形成,,在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,因浓度差,,多子的扩散运动,,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,,,,动画, 五价的元素,-- 三价的元素,产生多余电子,产生多余空穴,PN结的单向导电性,,1 PN结加正向电压,外加的正向电压,方向与PN结内电场方向相反,削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱,扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流,可忽略漂移电流的影响,PN结呈现低阻性。P区的电位高于N区的电位,称为加正向电压,简称正偏。,动画,外加反向电压,方向与PN结内电场方向相同,加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强,扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流,可忽略扩散电流,PN结呈现高阻性。 P区的电位低于N区的电位,称为加反向电压,简称反偏。,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。,动画,(2)PN结加反向电压,总之PN结正向电阻小,反向电阻大单向导电性。,返回,半导体二极管,半导体二极管,二极管 一个PN结就是一个二极管。 单向导电二极管正极接电源正极,负极接电源负极时电流可以通过。反之电流不能通过。 符号,二极管按结构分有点接触型、面接触型二大类。,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。,2 面接触型二极管,PN结面积大,用 于大电流整流电路。,半导体二极管的结构,半导体二极管的伏安特性曲线,,式中IS 为反向饱和电流,VD 为二极管两端的电压降,VT kT/q 称为温度的电压当量,k为玻耳兹曼常数,q 为电子电荷量,T 为热力学温度。对于室温(相当T300 K),则有VT26 mV。,第一象限的是正向伏安特性曲线,第三象限的是反向伏安特性曲线。,1 正向特性,硅二极管的死区电压Vth0.50.8V左右, 锗二极管的死区电压Vth0.20.3 V左右。,当0<V<Vth时,正向电流为零,Vth称死区电压或开启电压。,正向区分为两段,当V >Vth时,开始出现正向电流,并按指数规律增长。,反向区也分两个区域,当VBR<V<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V≥VBR时,反向电流急剧增加,VBR称为反向击穿电压 。,2 反向特性,硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡,反向饱和电流也很小;锗二极管的反向击穿特性比较软,过渡比较圆滑,反向饱和电流较大。,若|VBR|≥7V时, 主要是雪崩击穿;若|VBR|≤4V时, 则主要是齐纳击穿。,3 反向击穿特性,半导体二极管的参数,1 最大整流电流IF,2 反向击穿电压VBR,3 反向电流IR,4 正向压降VF,在室温,规定的反向电压下,最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安nA级;锗二极管在微安A级。,在规定的正向电流下,二极管的正向电压降。硅二极管约0.6~0.8V;锗二极管约0.2~0.3V。,二极管连续工作时,允许流过的最大整流电流的平均值。,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VBR。为安全计,在实际工作时,最大反向工作电压VRM一般只按反向击穿电压VBR的一半计算。,,二极管基本电路分析,二极管基本电路分析,二极管模型,正向偏置时 管压降为0,电阻也为0。,反向偏置时 电流为0,电阻为∞。,当iD≥1mA时, vD0.7V。,1. 理想模型,2. 恒压降模型,3. 折线模型(实际模型),4. 小信号模型,二极管电路分析,,1.静态分析,例1求VDD10V时,二极管的 电流ID、电压VD 值。,解,1. 理想模型,正向偏置时 管压降为0,电阻也为0。 反向偏置时 电流为0,电阻为∞。,2. 恒压降模型,3. 实际模型,当iD≥1mA时, vD0.7V。,2.限幅电路,Vi VR时,二极管导通,vovi。,Vi VR时,二极管截止, voVR。,例2理想二极管电路中 vi Vm sinωt V,求输出波形v0。,解,,3.开关电路,利用二极管的单向导电性可作为电子开关,0V 0V,导通 导通,导通 截止,截止 导通,截止 截止,0V 5V,5V 0V,5V 5V,0V,0V,0V,5V,例3求vI1和vI2不同值组合时的v0值(二极管为理想模型)。,解,例4,正半周 D1、D3 导通 D2、D4 截止,负半周 D2、D4导通 D1、D3截止,求整流电路的输出波形。,解,例5,实际模型,求1.vI0V,vI4V, vI6V 时,输出v0的值。 2. Vi6sinωt V 时, 输出v0的波形。,解1 .,vI4V时,D导通。,vI0V时,D截止。v0 vI,vI6V时,D导通。,2. Vi6sinωt V (理想模型),折线模型,例6 理想二极管电路中 viV m sinωt V,求输出波形v0。,ViV1时,D1导通、D2截止,VoV1。,ViV2时,D2导通、D1截止,VoV2。,V2ViV1时,D1、D2均截止,VoVi。,,,特殊二极管,特殊二极管,稳压二极管,稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管 的伏安特性曲线完全一样。,稳压二极管在工作时应反接,并串入一只电阻。 电阻起限流作用,保护稳压管;其次是当输入电压或负载电流变化时,通过该电阻上电压降的变化,取出误差信号以调节稳压管的工作电流,从而起到稳压作用。,,2 动态电阻rZ,在规定的稳压管反向工作电流IZ下,所对应的反向工作电压。,rZ VZ /IZ, rZ愈小,反映稳压管的击穿特性愈陡。,3 最大耗散功率 PZM,最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为 PZ VZ IZ,由 PZM和VZ可以决定IZmax。,4 最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流IZmin,最大稳定工作电流取决于最大耗散功率,即PZmax VZIZmax 。而Izmin对应VZmin。 若IZ<IZmin则不能稳压。,1 稳定电压VZ,例7,稳压管的稳压过程。,,RL,,,,,,,,,,Io,,,,IR,Vo,IZ,IR,Vo,,

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