模擬電子技術(shù)電子教案課件

《模擬電子技術(shù)》第一章

半導(dǎo)體二極管及其應(yīng)用電路

本章主要內(nèi)容：1.1半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)1.2半導(dǎo)體二極管1.3特殊二極管1.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.5本章小結(jié)1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1.1.2PN結(jié)

1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

一、半導(dǎo)體的特點(diǎn)

1.熱敏性2.光敏性3.摻雜性

溫度、光照、是否摻入雜質(zhì)元素這三方面對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性能強(qiáng)弱影響很大。當(dāng)半導(dǎo)體溫度升高、光照加強(qiáng)、摻入雜質(zhì)元素，其導(dǎo)電能力將大大增強(qiáng)。1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

二、本征半導(dǎo)體半導(dǎo)體按其是否摻入雜質(zhì)來(lái)劃分，又可分為：本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體。

完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體稱為本征半導(dǎo)體。

在絕對(duì)0K（-273oC），本征半導(dǎo)體基本不導(dǎo)電。1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性（1）本征半導(dǎo)體的原子結(jié)構(gòu)及共價(jià)鍵共價(jià)鍵內(nèi)的兩個(gè)電子由相鄰的原子各用一個(gè)價(jià)電子組成，稱為束縛電子。價(jià)電子＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4＋4共價(jià)鍵的兩個(gè)價(jià)電子1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性在外電場(chǎng)或其他能源的作用下，鄰近的價(jià)電子和空穴產(chǎn)生相對(duì)的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。這樣，電子和空穴就產(chǎn)生了相對(duì)移動(dòng)，它們的運(yùn)動(dòng)方向相反，而形成的電流方向是一致的。由此可見，本征半導(dǎo)體中存在兩種載流子：自由電子和空穴，而導(dǎo)體中只有一種載流子：自由電子，這是半導(dǎo)體與導(dǎo)體的一個(gè)本質(zhì)區(qū)別。

硼原子+4+4+4+4+3+4+4+4+41.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性三、雜質(zhì)半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中加入微量雜質(zhì)，可使其導(dǎo)電性能顯著改變。根據(jù)摻入雜質(zhì)的性質(zhì)不同，雜質(zhì)半導(dǎo)體分為兩類：電子型（N型）半導(dǎo)體和空穴型（P型）半導(dǎo)體。（1）P型半導(dǎo)體--摻入微量的三價(jià)元素（如硼）1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

因此,+3價(jià)元素原子獲得一個(gè)電子,成為一個(gè)不能移動(dòng)的負(fù)離子，而半導(dǎo)體仍然呈現(xiàn)電中性。P型半導(dǎo)體的特點(diǎn)：多數(shù)載流子為空穴；少數(shù)載流子為自由電子。1.1.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性注意：雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子的濃度與摻雜濃度有關(guān)；而少數(shù)載流子是因本征激發(fā)產(chǎn)生，因而其濃度與摻雜無(wú)關(guān)，只與溫度等激發(fā)因素有關(guān).P區(qū)N區(qū)1.1.2PN結(jié)一．PN結(jié)的形成

在一塊本征半導(dǎo)體的兩邊,分別形成P型和N型半導(dǎo)體,在兩種載流子交界處會(huì)出現(xiàn)載流子的相對(duì)運(yùn)動(dòng).

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)-多數(shù)載流子因濃度上的差異而形成的運(yùn)動(dòng).1.1.2PN結(jié)

擴(kuò)散的結(jié)果使P區(qū)和N區(qū)原來(lái)的電中性被破壞，在交界面靠近P區(qū)一側(cè)留下了不能移動(dòng)的負(fù)離子，靠近N區(qū)一側(cè)留下了等量的正離子。P區(qū)和N區(qū)交界面兩側(cè)形成的正、負(fù)離子薄層，稱為空間電荷區(qū),其中無(wú)載流子。由于空間電荷區(qū)的出現(xiàn)，建立了PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)。漂移運(yùn)動(dòng)-內(nèi)電場(chǎng)的作用使載流子發(fā)生的運(yùn)動(dòng).

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)(耗盡區(qū)\勢(shì)壘區(qū))內(nèi)電場(chǎng)1.1.2PN結(jié)二．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

（1）外加正向電壓—正偏

當(dāng)PN結(jié)加上正向電壓，即P區(qū)接電源正極(高電位)，N區(qū)接電源負(fù)極(低電位)。此時(shí)，稱PN結(jié)加正向偏置電壓，簡(jiǎn)稱“正偏”.變薄空穴(多數(shù))電子(多數(shù))R外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)IFNP1.1.2PN結(jié)

正偏時(shí)由于PN結(jié)變薄,空間電荷區(qū)消失(外加電場(chǎng)足夠大),能導(dǎo)電的區(qū)域增大,因此,PN結(jié)呈現(xiàn)出的正向電阻小,流過(guò)的正向電流大.

因此,

PN結(jié)正偏導(dǎo)通.

1.1.2PN結(jié)（2）外加反向電壓—反偏

當(dāng)PN結(jié)加上反向電壓，即P區(qū)接電源負(fù)極(低電位)，N區(qū)接電源正極(高電位)。此時(shí)，稱PN結(jié)加反向偏置電壓，簡(jiǎn)稱“反偏”.

NP變厚IR≈0R外電場(chǎng)內(nèi)電場(chǎng)電子(少數(shù))空穴(少數(shù))1.1.2PN結(jié)三.PN結(jié)的反向擊穿特性

反向擊穿:當(dāng)PN結(jié)的反偏電壓增加到某一數(shù)值時(shí)，反向電流急劇增大的現(xiàn)象。PN結(jié)的擊穿現(xiàn)象有下列兩類：(1)熱擊穿:不可逆,應(yīng)避免(2)電擊穿:可逆,又分為雪崩擊穿和齊納

擊穿.1.1.2PN結(jié)(1)雪崩擊穿

當(dāng)反向電壓足夠高時(shí)（一般U>6V）PN結(jié)中內(nèi)電場(chǎng)較強(qiáng)，使參加漂移的載流子加速，與中性原子相碰，使之價(jià)電子受激發(fā)產(chǎn)生新的電子空穴對(duì)，又被加速，而形成連鎖反應(yīng)，使載流子劇增，反向電流驟增。這種形式的擊穿稱為雪崩擊穿.1.1.2PN結(jié)

(2)齊納擊穿

對(duì)摻雜濃度高的半導(dǎo)體，PN結(jié)的耗盡層很薄，只要加入不大的反向電壓（U<4V），耗盡層可獲得很大的場(chǎng)強(qiáng)，足以將價(jià)電子從共價(jià)鍵中拉出來(lái)，而獲得更多的電子空穴對(duì)，使反向電流驟增。1.2半導(dǎo)體二極管1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及其在電路中的代表符號(hào)1.2.2二極管的伏安特性曲線1.2.3二極管的主要參數(shù)1.2.4二極管的命名1.2.5二極管的判別1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

※二極管本質(zhì)上就是一個(gè)PN結(jié).

它在電路中的代表符號(hào)和PN結(jié)是相同的:P極

N極

P極又稱為陽(yáng)極、正極N極又稱為陰極、負(fù)極

1.2.1二極管的結(jié)構(gòu)及符號(hào)

根據(jù)制造結(jié)構(gòu)不同,常見的二極管有點(diǎn)接觸型,面接觸型和平面型.(a)點(diǎn)接觸型(b)面接觸型(c)平面型1.2.2二極管的V-I特性

伏安特性是指二極管兩端的電壓u與流過(guò)二極管電流i的關(guān)系。一．正向特性

指二極管正偏時(shí)的V-I特性,如圖中紅色曲線所示。iv/mA0.20.40.60.8-V（BR）硅鍺二極管伏安特性曲線1.2.2二極管的V-I特性正向特點(diǎn):①正向電壓較小時(shí),不足以使二極管導(dǎo)通,i=0,此時(shí)的V-I曲線對(duì)應(yīng)區(qū)域稱為死區(qū)

②正向電壓逐漸增大,二極管開始導(dǎo)通,此時(shí)的電壓成為門坎電壓Uth

硅管Uth=0.5V

鍺管Uth=0.1V

③當(dāng)正向電壓繼續(xù)增大,二極管完全導(dǎo)通.導(dǎo)通后兩端電壓基本為定值,稱為二極管的正向?qū)▔航礦D硅管VD=0.7V

鍺管VD=0.3V1.2.2二極管的V-I特性二．反向特性

指二極管反偏時(shí)的V-I特性,如圖中綠色曲線所示。二極管外加反向電壓時(shí)，反向電流很?。↖≈-IS），而且在相當(dāng)寬的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流幾乎不變，因此，稱此電流值為二極管的反向飽和電流。iv/mA0.20.40.60.8-V（BR）硅鍺二極管伏安特性曲線1.2.2二極管的V-I特性三．二極管的等效電路模型

（1）理想電路模型

反偏時(shí)，反向電流近似為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開（開路).

-

u

+正偏時(shí)，其管壓降為0.7V，忽略后相當(dāng)于開關(guān)閉合（短路）.

+u-1.2.2二極管的V-I特性（2）恒壓降模型

反偏時(shí)，反向電流近似為零，相當(dāng)于開關(guān)斷開（開路).

-

u

+正偏時(shí)，管壓降為VD不做忽略,正向電阻小近似為0,相當(dāng)于一個(gè)大小為VD,方向從P到N的電壓源.

+u-+VD-1.2.3二極管的主要參數(shù)

器件的參數(shù)是對(duì)其特性的定量描述,是正確使用和合理選擇器件的依據(jù).一、二極管的直流參數(shù)（1）最大整流電流IFM（2）最高反向工作電壓URM

（3）反向電流IR

（4）直流電阻RD1.2.3二極管的主要參數(shù)二、二極管的交流參數(shù)（1）交流電阻rd

交流電阻rd是工作點(diǎn)Q附近電壓與電流的變化量之比，即：1.2.3二極管的主要參數(shù)（2）結(jié)電容CjPN結(jié)的結(jié)電容Cj由兩部分組成：勢(shì)壘電容CB和擴(kuò)散電容CD。①勢(shì)壘電容CB

勢(shì)壘電容的影響主要表現(xiàn)在反向偏置狀態(tài)時(shí)。②擴(kuò)散電容CD該等效電容是由載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)隨外電壓的變化引起的.1.2.3二極管的主要參數(shù)（3）最高工作頻率fM

二極管的最高工作頻率fM主要由結(jié)電容的大小來(lái)決定。若工作頻率超過(guò)了最高工作頻率fM，則二極管的單向?qū)щ娦宰儔摹?.2.4二極管的命名我國(guó)國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體器件的命名方法采用國(guó)家GB249-74標(biāo)準(zhǔn)。1.2.4二極管的命名1.2.5二極管的檢測(cè)與判別

一、判別方法：

識(shí)別法：通過(guò)二極管管殼上的符號(hào)、標(biāo)志來(lái)識(shí)別.例如有標(biāo)記的一端一般為N極.檢測(cè)法：用萬(wàn)用表的歐姆檔，量程為R×100Ω或R×1kΩ檔測(cè)量其正反向電阻（一般不用R×1Ω檔，因?yàn)殡娏魈?；而R×10kΩ檔的電壓太高，管子有被擊穿的危險(xiǎn)）.1.2.5二極管的檢測(cè)與判別1.2.5二極管的檢測(cè)與判別二、檢測(cè)法判別步驟（1）二極管好壞的判別

若測(cè)得的反向電阻很大（幾百千歐以上），正向電阻很?。◣浊W以下），表明二極管性能良好。若測(cè)得的反向電阻和正向電阻都很小，表明二極管短路，已損壞。若測(cè)得的反向電阻和正向電阻都很大，表明二極管斷路，已損壞。1.2.5二極管的檢測(cè)與判別（2）二極管正、負(fù)極性的判斷

將萬(wàn)用表紅、黑表筆分別接二極管的兩個(gè)電極，若測(cè)得的電阻值很?。◣浊W以下），則黑表筆所接電極為二極管正極，紅表筆所接電極為二極管的負(fù)極；若測(cè)得的阻值很大（幾百千歐以上），則黑表筆所接電極為二極管負(fù)極，紅表筆所接電極為二極管的正極。1.3特殊二極管1.3.1硅穩(wěn)壓二極管1.3.2光電二極管和光電池1.3.3發(fā)光二極管1.3.1硅穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管是一種特殊工藝制造的結(jié)面型硅二極管,通常工作在反向擊穿狀態(tài).一、V-I特性和符號(hào)1.3.1硅穩(wěn)壓二極管二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ（2）最小穩(wěn)定電流IZmin（3）最大穩(wěn)定電流IZmax（4）額定功耗PZ（5）動(dòng)態(tài)電阻rZ（6）溫度系數(shù)αz1.3.1硅穩(wěn)壓二極管三、穩(wěn)壓管的應(yīng)用

常用的并聯(lián)型穩(wěn)壓電路:如:ui↑→uo↑→IZ↑→I↑（=IZ+IL）→uR↑→uo（=ui－uR）基本不變同理，當(dāng)ui一定，RL發(fā)生變化時(shí)，穩(wěn)壓管兩端的電壓仍然基本保持不變,從而起到穩(wěn)壓作用.1.3.2光電二極管和光電池

一、光電二極管

光電二極管又稱光敏二極管，可將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào).它工作在反偏狀態(tài),反向電流與照度成正比.1.3.2光電二極管和光電池

光電二極管的簡(jiǎn)單使用

1.3.2光電二極管和光電池

二、光電池

硅光電池是一種將光能直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件，又叫太陽(yáng)能電池。

光電池控制電路當(dāng)光電池PC1、PC2受到光照射而產(chǎn)生電勢(shì)時(shí)，單向晶閘管SK導(dǎo)通，若開關(guān)K1合，則此時(shí)便有9V直流電壓加于負(fù)載上。1.3.3發(fā)光二極管一、發(fā)光二極管

發(fā)光二極管LED是一種將電能轉(zhuǎn)換成光能的特殊二極管,常用作顯示器件。發(fā)光二極管的代表符號(hào)

1.3.3發(fā)光二極管

發(fā)光二極管應(yīng)用電路（一）1.3.3發(fā)光二極管

發(fā)光二極管應(yīng)用電路（二

）1.4半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用1.4.1整流電路1.4.2檢波電路1.4.3限幅電路1.4.4鉗位電路1.4.1整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成單向脈動(dòng)直流電的過(guò)程稱為整流。二極管半波整流電路1.4.2檢波電路在接收機(jī)中，將低頻信號(hào)從高頻調(diào)制信號(hào)中檢取出來(lái)的過(guò)程，稱為檢波.基本工作原理就是利用二極管的單向?qū)щ娦院碗娙輧啥说碾妷翰荒芡蛔兊奶匦浴?.4.3限幅電路將輸出電壓的電平限制在預(yù)置的電平范圍內(nèi)，用于限制輸入信號(hào)的峰值，有選擇地傳輸