半导体二极管及其电路分析.pptx
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1、 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术绪论绪论 自然界中的自然界中的两大两大类信息,类信息,模拟模拟信息和信息和数字数字信息信息都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号。都可以通过物理或化学的转换方式变成电信号。数字信号:数字信号:在时间和幅值上都是离散的信号。在时间和幅值上都是离散的信号。对模拟信号在一定的时间间隔上采样,则模拟信对模拟信号在一定的时间间隔上采样,则模拟信号在时间上离散了;对各采样值进行量化,则采样信号在时间上离散了;对各采样值进行量化,则采样信号幅度也离散了。号幅度也离散了。处理数字信号的电子电路称为处理数字信号的电子电路称为数字电路或数字逻数字电路或数字逻辑电路辑电路。
2、模拟信号:模拟信号:在时间和幅值上都是连续的信号。在时间和幅值上都是连续的信号。处理模拟信号的电子电路称为处理模拟信号的电子电路称为模拟电路模拟电路。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术温度传感(输入)信号放大信号滤波控制执行(输出)功率放大数模转换数字逻辑电路模数转换恒温装置模拟小信号电路模拟小信号电路数字电路数字电路非电子物理非电子物理系统系统模拟大信模拟大信号电路号电路电电子子系系统统电子系统的组成框图电子系统的组成框图 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术模拟电路特点 模拟电子技术是一门介绍电子器件、电子电模拟电子技术是一门介绍电子器件、电子电路和电子技术应用的专业基础课程,主要研
3、路和电子技术应用的专业基础课程,主要研究微小模拟信号的放大和功率控制等内容。究微小模拟信号的放大和功率控制等内容。将电路理论扩展到包含有源器件(晶体管、将电路理论扩展到包含有源器件(晶体管、场效应管、集成运放等)的电子电路中。场效应管、集成运放等)的电子电路中。概念性、工程性及实践性强。概念性、工程性及实践性强。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术 目目 录录第第1章章半半导体二极管及其基本体二极管及其基本应用用第第2章章半半导体三极管及其基本体三极管及其基本应用用第第3章章放大放大电路基路基础第第4章章负反反馈放大放大电路路第第5章章集成运算放大器的集成运算放大器的应用用第第6章章信号信号
4、产生生电路路第第7章章直流直流稳压电源源 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术功放电路功放电路电源部分电源部分 黑白电视机黑白电视机电源部分电源部分 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术电源变压器电源变压器:将交流电网电压将交流电网电压u u1 1变为合适的交流电压变为合适的交流电压u u2 2。整流电路整流电路:将交流电压将交流电压u u2 2变为脉动的直流电压变为脉动的直流电压u u3 3。滤波电路滤波电路:将脉动直流电压将脉动直流电压u u3 3转转变为平滑的直流电压变为平滑的直流电压u u4 4。稳稳压电路压电路:清除电网波动及负载变化的影响清除电网波动及负载变化的影响,保持输出电
5、压保持输出电压 u uo o的稳定。的稳定。直流稳压电源的组成和功能直流稳压电源的组成和功能整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路整整 流流 电电 路路滤滤 波波 电电 路路稳稳 压压 电电 路路u1u2u3u4uo 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术一一.半波整流电路半波整流电路u1u2aTbDRLuo+利利利利用用用用具具具具有有有有单单单单向向向向导导导导电电电电性性性性能能能能的的的的整整整整流流流流元元元元件件件件如如如如二二二二极极极极管管管管等等等等,将将将将交交交交流流流流电电电电转转转转换换换换成成成成单单单单向向向向脉脉脉脉动动动动直直直直流
6、流流流电电电电的的的的电电电电路路路路称称称称为为为为整整整整流流流流电电电电路路路路。整整整整流流流流电电电电路路路路按按按按输输输输入入入入电电电电源源源源相相相相数数数数可可可可分分分分为为为为单单单单相相相相整整整整流流流流电电电电路路路路和和和和三三三三相相相相整整整整流流流流电电电电路路路路,按按按按输输输输出出出出波波波波形形形形又又又又可可可可分分分分为为为为半半半半波波波波整整整整流流流流电电电电路路路路和和和和全全全全波波波波整整整整流流流流电电电电路路路路。目目目目前前前前广广广广泛泛泛泛使使使使用用用用的的的的是是是是桥桥桥桥式式式式整流电路。整流电路。整流电路。整流电
7、路。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术二二.桥式整流电路桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo组成:由四个二极管组成桥路组成:由四个二极管组成桥路RLD1D3D2D4u2uou2uo简化电路简化电路二二.桥式整流电路桥式整流电路u1u2TD3D2D1D4RLuo 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术半导体二极管图片 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术1.2半导体二极管及其特性1.2.1 二极管的结构与类型二极管的结构与类型 半导体二极管是由结加上引线和管壳构成的。二极管类型二极管类型按制造材料分按制造材料分硅二极管锗二极管按管子按管子结构分结构分点接触型点接触型面接触型面接触
8、型PN结面积很小,结电容很小,适合于高频、小电流的场合,如用于高频检波及脉冲数字电路中的开关元件。PN结面积大,结电容也大,适合于低频、大电流的场合,多用在低频整流电路中。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术阳极阳极阴极阴极半导体半导体PN结结外壳外壳外壳外壳底座底座底座底座阴极阴极阳极阳极半导体半导体PN结结点接触型点接触型面接触型面接触型二极管结构二极管结构二极管符号二极管符号箭头表示正电流的流通方向箭头表示正电流的流通方向 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术半导体有半导体有温敏、光敏温敏、光敏和和掺杂掺杂等导电特性。等导电特性。根据物体导电能力,物质可划分根据物体导电能力,物质可划
9、分导体导体和和绝缘体绝缘体。导体导体 绝缘体绝缘体导电能力用电阻率导电能力用电阻率(或电导率)来描述:或电导率)来描述:导体导体 1010-4-4/cm/cm绝缘体绝缘体10109 9/cm/cm导体、绝缘体和半导体的划分半导体半导体1.1 半导体的基础知识 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术典型的半典型的半导体材料体材料 元素元素硅(硅(Si)、锗(锗(Ge)化合物化合物砷化镓(砷化镓(GaAs)掺杂元素或化合物掺杂元素或化合物硼(硼(B)、磷(磷(P)半导体材料半导体材料硅硅 14 14 1s1s2 2,2s2s2 2,2p2p6 6,3s3s2 2,3p3p2 2锗锗 32 32 1
10、s1s2 2,2s2s2 2,2p2p6 6,3s3s2 2,3p3p6 6,3d3d1010,4s4s2 2,4p4p2 2+14原子核原子核电子电子价电子价电子硅的原子结构硅的原子结构 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术晶体结构晶体结构 半半导体材料的原子形成有序的排列,体材料的原子形成有序的排列,邻近原子之近原子之间由共价由共价键连接,所以半接,所以半导体是体是共共价晶体价晶体。半。半导体器件也常称体器件也常称为晶体管晶体管。单晶与多晶单晶与多晶整块晶体的晶格取向是否一致整块晶体的晶格取向是否一致晶体与非晶体晶体与非晶体原子结构排列是否有序原子结构排列是否有序 电子电路CAD模拟电子
11、技术模拟电子技术1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的晶体结构的半导体称为纯净的晶体结构的半导体称为本征半导体本征半导体。须在单晶炉中提炼得到,纯净可达到须在单晶炉中提炼得到,纯净可达到99.99999。每个原子周围有四个相邻的原子,原子之间通过共共共共价键价键价键价键紧密结合在一起。两个相邻原子共用一对电子。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术本征半导体导电机理本征半导体导电机理 在在外界光照或加热外界光照或加热等情况下,等情况下,共价键中的价电子由于获得一定的能量,其中少数能够摆脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子自由电子自由电子,同时必然在共价键中留下空位(空穴空穴空穴空穴),这种现
12、象称为本征(热)激发本征(热)激发本征(热)激发本征(热)激发。1 1本征激发本征激发 由于自由电子带负电,而本征半导体对外体现电中性,所以空空穴带正电穴带正电。自由电子和空穴是自由电子和空穴是同时产生,成对出同时产生,成对出现的现的。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术2复合复合在一定的外界条件下,自由电子在运动过程中与空穴相遇,使电子、空穴成对消失,这种现象称为复合复合复合复合。新的空穴又会被邻近的价电子填补。带负电荷的自由电子依带负电荷的自由电子依次填补空穴的运动,从效果上次填补空穴的运动,从效果上看,相当于带正电荷的空穴作看,相当于带正电荷的空穴作相反方向的运动。相反方向的运动。有了
13、空穴,邻近共价键中的价电子很容易过来填补这个空穴,这样空穴便转移到邻近共价键中。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术 电荷的定向移动形成电流,因此本征半导体中有两种两种载流子:自由电子和空穴自由电子和空穴 在常温下,本征半导体中载流子的浓度很低,因此其导电能力很弱。3载流子及导电能力载流子及导电能力 本征半导体中载流子的浓度,除了与半导体材料本身的性质有关以外,还与温度有关,而且随着温度的升高,基本上按指数规律增加。因此,半导体半导体(载流子浓度)对温度十分敏感对温度十分敏感。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中人为掺入微量元素作为杂质,称为
14、在本征半导体中人为掺入微量元素作为杂质,称为杂质杂质半导体半导体。掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空掺杂是为了显著改变半导体中的自由电子浓度或空穴浓度,以明显穴浓度,以明显提高半导体的导电性能提高半导体的导电性能。N N型半导体型半导体型半导体型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入磷、砷等5价价元素,由于这类元素的原子最外层有5个价电子,故在构成的共价键结构中,由于存在多余的价电子而产生大量自由电子,这种半导体主要靠自由电子导电,称为N N型半导体型半导体型半导体型半导体(电子半导体),其中自自由电子为多数载流子由电子为多数载流子,本征(热)激发形成的空穴为少空穴为少数载流子数载流子。电
15、子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术自由电子自由电子自由电子自由电子 多数载流子(简称多子多子多子多子)空空空空 穴穴穴穴少数载流子(简称少子少子少子少子)多余价电子容易成为自由电子,可以参与导电。多余价电子容易成为自由电子,可以参与导电。提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成提供自由电子后的五价杂质原子因带正电荷而成为为正离子正离子,因此五价杂质原子称为,因此五价杂质原子称为施主杂质施主杂质。正离子束缚于晶格中,不参与导电。正离子束缚于晶格中,不参与导电。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术P P型半导体型半导体型半导体型半导体 在纯净半导体硅或锗中掺入硼、铝等3价价元素,由于这类元素
16、的原子最外层只有3个价电子,故在构成的共价键结构中,由于缺少价电子而形成大量空穴,这类掺杂后的半导体其导电作用主要靠空穴运动,称为P P型半导体型半导体型半导体型半导体(空穴半导体)。在 P 型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子,它主要由掺杂形成;自由电子是少数载流子自由电子是少数载流子,它仍由热激发形成。自由电子自由电子自由电子自由电子 多数载流子(简称多子多子多子多子)空空空空 穴穴穴穴少数载流子(简称少子少子少子少子)电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术 空位很容易俘获邻近四价原子的价电子,即在邻近产生一空位很容易俘获邻近四价原子的价电子,即在邻近产生一个空穴,空穴可以参与导电。
17、个空穴,空穴可以参与导电。空位俘获电子后,使杂质原子成为空位俘获电子后,使杂质原子成为负离子。负离子。三价杂质因而三价杂质因而也称为也称为受主杂质受主杂质。负离子束缚于晶格中,不参与导电。负离子束缚于晶格中,不参与导电。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术【注注】1、无论是P型半导体还是N型半导体都是中性的,对外不显电性。2、掺入的杂质元素的浓度越高,多数载流子的数量越多,导电性能越好。3、少数载流子是热激发而产生的,其数量的多少决定于温度。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术u半导体中载流子有扩散运动和漂移运动两种运动方式。在半导体中,如果载流子浓度分布不均匀,因为浓度差,载流子将会从浓
18、度高的区域向浓度低的区域运动,这种运动称为扩散扩散运动运动。载流子在电场作用下的定向运动称为漂漂移运动移运动。u将一块半导体的一侧掺杂成P型半导体,另一侧掺杂成N型半导体,在两种半导体的交界面处将形成一个特殊的薄层 PN结结。1 1 1 1PNPNPNPN结的形成结的形成结的形成结的形成1.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术(1 1)两边的浓度差引起载流子的扩散运动)两边的浓度差引起载流子的扩散运动(2 2)复合形成内电场:阻挡扩散,促使漂移)复合形成内电场:阻挡扩散,促使漂移(3 3)扩散和漂移动态平衡:)扩散和漂移动态平衡:PNPN结结 (
19、空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层)(空间电荷区、耗尽层、势垒区、阻挡层)PNPN结的形成过程结的形成过程结的形成过程结的形成过程 硅材料硅材料PN结内结内电位差为电位差为0.50.7V;锗材料锗材料0.20.3V。温度升高时,温度升高时,PN结结内电位差将减小。内电位差将减小。电子电路CAD模拟电子技术模拟电子技术因浓度差因浓度差空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。平衡。平衡 PN 结中扩散电流和漂移电流大小相等而方向相反,结中扩散电流和漂移
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