半导体二极管及基本电路PPT课件
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• 基础知识 • 半导体二极管 • 二极管基本电路及分析方法 • 稳压二极管及电路分析方法
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1.1 半导体的基础知识
一.半导体
• 按物体的导电性能,可将物体分为导体、绝缘 体和半导体三类。
① 导体:电阻率很低、电流易通过、导电性强的 物体。
② 绝缘体:电阻率很高、电流不通过、无导电能 力的物体。
• 一般情况下,锗管反向电流I R>硅管I R反向电流。
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第27页/共71页
综述:
• 1)二极管的 V—A 特性为非线性;
• 2)当 导通;
时,且 U D >U T ,则 D
• 3)当 -U BR < U D < U T ,有I R ≈0,则 D 截 止;
• 4)当
时,且 绝对值U R > U
BR ,则反向击穿烧坏。
一、课程的性质及任务
• 1. 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课,是研究各种半导体器件、 电子线路及应用的一门学科。
• 2. 学生通过本课程的学习,掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识, 为今后进一步学习打下一定的基础。
1
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• 二 研究对象
• 1.电子器件的特性、参数; • 2.电子线路分析的基本方法:即模拟电路和数字电路的分析方法。 • 3.有关应用。
由此得知: • 1)稳压管的 V—A 特性为非线性,且反向特性
很陡,; • 2)稳压管有导通、截止、击穿三个状态,常工作
于反向击穿状态。
35
第35页/共71页
二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压,也就是它 的反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
• DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。
3). 动态电阻 rZ
•
DZ管端电 比值。即
压的
变
rz
化 △量U与Z 相 △ IZ
应(的动态电电阻流愈变小,化量
稳压性能愈好。)
的
36
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例 1电. 路如图所示,设稳压管DZ1 和DZ2 的稳定
电压分别为5V和10V, 试求出输出电压UO,判 断稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压 为0.7V。
• 第九章 逻辑代数与逻辑函数
• 第十章 组合逻辑电路
3
第3页/共71页
电子技术发展概况
1906年真空三极管的诞生,标志着第一代电子 器件——真空管开始形成。
20世纪40年代后期,出现了一种新型的电子器 件——半导体器件,它被称为第二代电子器件。
1959年第三代电子器件——集成电路诞生。 集成电路的发展经历了小规模、中规模、大规模
2)内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用,
所以空间电荷区--PN结又称为阻挡层或耗尽
层。
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第18页/共71页
2. P N 结的单向导电性
1)PN 结加正向电压
内电场 Ed
PN 结变窄 多子扩散运动 少子漂移运动
形成正向电流 I
PN 结导通 ( PN 结呈现 R )
19
第19页/共71页
2) PN 结加反向电压
31
第31页/共71页
• 例 2. 开关电路如图
所示,当输入端 UA = 3V , UB = 0 V, 试求 输出端 Y 的电位
U解Y。:
例 2图
∵ UA = 3V, UB = 0V
∴ DA优先导通, DB 截止;
则 UY = UA-UD =3- 0.7(0.3)= 2.3( 2.7) V
UA 31
⒊ 环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。 例如当温度增加或受到光照时,半导体导电能 力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都 是利用这一特性制造的。
16
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三. P N 结
• 多数载流子要从浓度 大的 区域扩散到浓度 小的区域,形成空间
电荷区--PN结,产生
电场,称为内电场
Ed ;
③ 半导体:它的导电能力介于导体和绝缘体之间 的物体。
• 半导体是如何导电的?怎样提高其导电能力?
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第6页/共71页
1. 本征半导体
半导体经高度提纯并制成晶体后,原子间组成 某种形式的晶体点阵,这种半导体称为本征半导 体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。
(a) 锗Ge 的原子结构
(b) 硅Si 的原子结构
• 内电场对多数载的扩
散运动起阻挡作用,
对少数载流子又起推
动作用,这种少数载
流子在内电场作用下
有规则的运动称为漂
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1. PN结的形成
扩散运动
随Ed
漂移运动
达到动态平衡
形成稳定的PN 结 注意:
Ed 不变化
1)空间电荷区的正负离子虽带电,但它们不能 移动,不参与导电。因区域内的载流子极少, 所以空间电荷区的电阻率很高。
和超大规模等不同阶段。第一块集成电路上只有 四只晶体管,而目前的集成电路已经可以在一片 硅片上集成几千万只,甚至上亿只晶体管。
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第一章 半导体二极管 及基本电路
• 基本要求 理解 P N 结的单向导电性,理解二极管、
稳压管的工作原理,掌握分析二极管、稳压 管电路的分析方法。 • 基本内容
阻很高。
21
第21页/共71页
3) PN 击穿
• 当加在PN结的反向电压超过某一数值(UBR)时, 反向电流会急剧增加,这种现象称为反向击穿。 只要PN结不因电流过大产生过热而烧毁,反向 电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。
4)PN结的电容效应
• 加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电 荷的变化,说明PN结具电容效应。PN结的结电 容的数值一般很小,故只有在工作频率很高的情 况下才考虑PN结的结电容作用。
分析:
• 1)正向特性:
• OA段:当 UF < UT (死区电压)时外电场
不 足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的
阻力,故正向电流 IF 很小(I F ≈0), D处于截
止状态。
• 硅(Si):U T ≈0.5V; 锗(Ge): U T ≈0.1V。
• AB段:当 U F >U T后, Ed↓↓→扩散运动↑ ↑ → I F ↑ ↑ → D 导通。
N 型半导体示意
图
13
第13页/共71页
② P 型半导体
硅
晶
体
掺
硼
出
现
硼原子的结构
空 穴
• 自由电子数 << 空穴数
少数载流子
多数载流子
• 以空穴导电作为主要导电方式的半导体,称为
空穴半导体或 P型半导体 (P —type
semiconductor ) 。
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第14页/共71页
N 型、P 型半导体示意图
个空位,称为
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第9页/共71页
2)载流子的形成 • 在外电场的作用下,价电子填补空穴,就好
像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子 运动的方向相反,空穴运动相当于正电荷的 运动。
• 当加上一定方向的电场后,就会不断有激发、 复合过程,出现两部分的电流,即
电子电流:自由电子作定向运动所形成的电;
空穴电流:被原子核束缚的价电子递补空穴 所形成的电流。
• 三 研究方法
• 电子技术的研究方法与电路不同,它具有更强的工程性质,在分析中常用工程 近似法突出主要问题,使分析过程得以简化。
2
第2页/共71页
讲授内容
• 第一章 • 第二章
半导体二极管及基本电路 晶体管及基本放大电路
• 第四章 • 第五章
用 • 第八章
反馈放大电路 集成电路运算放大器及应
数字电路基础
解:
当DZ1 和DZ2断开时, 同时加有25V反向电压。
由于UDZ1<UDZ2小, DZ1先被击穿,UO=5V, 因而DZ1处于击穿状态, DZ2处于截止状态。
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第37页/共71页
1.5 直流电源(第七章)
• 半导体直流电源的原理方框图。
基本要求:理解单相整流、滤波、稳压电路的工作
原理,掌握设计全波整流电路的计算方法。
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第20页/共71页
2) PN 结加反向电压
加反向电压
P区接负极 N区接正极
内电场 Ed
PN 结变宽
多子扩散运动 少子漂移运动
形成反向电流 I
PN 结截止 (PN 结呈现反向R )
• 结论:
• P N 结具有单向导电性。
• 加正向电压,PN结导通,正向电流较大,结电
阻很低。
• 加反向电压,PN 结截止,反向电流很小,结电
• D导通时的正向压降,硅管约为(0.6~0.7)V,
锗管约为(0.2~0.3)V。
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第26页/共71页
2) 反向特性
• OC段:当 U R < U BR (击穿电压)时,
扩散 Ed
漂移
I R 很小
D 截止。
• CD段:当 U R > U BR 后, PN结被击穿,
随△ U
IR
D 失去单向导电性。
38
一 变压
二 整流电路第38页/共7三1页滤波电路
四 稳压电路
图中各环节的功能如下:
• 1. 变压:将交流电源电压变换为符合整流需 要的电压。
• 2. 整流电路:将交流电压变换为单向脉动的 直流电压。
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第28页/共71页
三. 主要参数
1)最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时,允许流过
二极管的最大正向平均电流。
2)最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值
电压。 U R M=(击穿电压)/ 2 3)最大反向电流 I R M
当二极管加上反向工作峰值电压时所对 应的反向电流。 I R M越小,单向导电性好。
子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。
磷原子的结构
硅晶体中掺磷出现自由电子
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第12页/共71页
• 半导体中的自由电子数目大 量增加,于是有:
• 自由电子数 >> 空穴数 多 数载流子 少数载流子
• 以自由电子导电作为主要导 电方式的半导体,称为电子
半导体或 N 型半导体 (N —type semiconductor ) 。
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第22页/共71页
1.2 半导体二极管
一. 点接触式和面接触式二极管的结构
二极管符号
阳极
D 阴极
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第23页/共71页
二. 伏安特性(V—A特性) • 二极管的伏安特性
将二极管分为三种 状态——截止、导 通和击穿。
硅二极管的伏安特性
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第24页/共71页
硅二极管的伏安特性
锗二极管的伏安
特性 25 第25页/共71页
• 自由电子和空穴是运载电荷的粒子,称为载
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第10页/共71页
2.杂质半导体
• 杂质半导体——在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),而形成的半 导体。
N 型半导体 杂质半导体
P 型半导体
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第11页/共71页
① N 型半导体 • 在硅(或锗)的晶体中掺人少量的五价元素
(如磷元素),如图所示,多余的第五个价电
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第29页/共71页
1.3 二极管基本电路及分析方法
二极管的应用很广,其基本电路有整流电
路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非
线性器件,分析电路时常采用模型分析法。
理想模型
恒压模型
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第30页/共71页
例 1. 在图所示电 路中,设二极管正向 导通电压为0.7V,试 估算A点的电位。若3 kΩ和2 kΩ对调A点 的电位如何变化。 解 :先判定二极管的工作状态,再选用合适的 线性等效模型代替二极管进行分析计算。 •正向电压UD=-1V, D截止,Ua=-1V。 •正向电压UD=1V, D导通,Ua=0.7V。
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第7页/共71页
• 本征半导体导电方式
以硅(Si)元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构
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1)自由电子和空穴的形 • 成在外界的影响下
(如热、光、电
价空电穴子 自由电子
场、磁场等),
使得其共价键中
的价电子获得一
Hale Waihona Puke 定能量后,电子受到激发脱离共
价键,成为自由
电子(带负电),
共价键中留下一
N 型半导体
P 型半导体
杂质半导体中多数载流子浓度取决于掺杂浓度 少数载流子浓度取温决度于
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第15页/共71页
二.半导体的特点:
⒈ 半导体中存在着两种载流子---自由电子和空 穴。因此,半导体的导电原理明显区别于导体。
⒉ 在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的 导电能力和参加导电的主要载流子的类型。
D截止,
∴ uo = ui
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第33页/共71页
1. 4 稳压二极管(DZ)
• 稳压二极管的工作机理是
DZ
利用PN结的击穿特性。
一. V—A特性、符号、状 态
DZ
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第34页/共71页
分析:
1)稳压管的正向特性与二极管相同。 2)稳压管的反向特性
• O小A)段时:,当I Z很0<小U,<稳U压Z管(截反止向;击穿电压,数值较 • A大 电B,压段虽△:UZ当△ 变IUZ化≥变很化U小Z范;时围体,很现稳大了压,稳管但压反D特向Z性击稳。穿压,管I两Z 端很的
00
电路的逻辑关系为或逻辑 3 1
二极管具有钳位作用
00
UB
U
0 0 2.31
3 1 2.31
3 1 2.31
0 0 -0.70
32
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• 例 3.
限幅(削
波)作用电路如图所
示ui, 2U sin t
求 uo 及画出波形。
解:1)当 ui >E 时, D导通;
∴ uo = UD + E≈ E 2) 当 ui <E 时,
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1.1 半导体的基础知识
一.半导体
• 按物体的导电性能,可将物体分为导体、绝缘 体和半导体三类。
① 导体:电阻率很低、电流易通过、导电性强的 物体。
② 绝缘体:电阻率很高、电流不通过、无导电能 力的物体。
• 一般情况下,锗管反向电流I R>硅管I R反向电流。
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第27页/共71页
综述:
• 1)二极管的 V—A 特性为非线性;
• 2)当 导通;
时,且 U D >U T ,则 D
• 3)当 -U BR < U D < U T ,有I R ≈0,则 D 截 止;
• 4)当
时,且 绝对值U R > U
BR ,则反向击穿烧坏。
一、课程的性质及任务
• 1. 本课程是一门电子技术方面的入门技术基础课,是研究各种半导体器件、 电子线路及应用的一门学科。
• 2. 学生通过本课程的学习,掌握一些有关电子技术的基本理论、基本知识, 为今后进一步学习打下一定的基础。
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第1页/共71页
• 二 研究对象
• 1.电子器件的特性、参数; • 2.电子线路分析的基本方法:即模拟电路和数字电路的分析方法。 • 3.有关应用。
由此得知: • 1)稳压管的 V—A 特性为非线性,且反向特性
很陡,; • 2)稳压管有导通、截止、击穿三个状态,常工作
于反向击穿状态。
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第35页/共71页
二. 主要参数
1). 稳定电压 UZ
• DZ在正常工作下管子两端的电压,也就是它 的反向击穿电压。
2). 稳定电流 IZ
• DZ在稳定电压工作管子中的工作电流。
3). 动态电阻 rZ
•
DZ管端电 比值。即
压的
变
rz
化 △量U与Z 相 △ IZ
应(的动态电电阻流愈变小,化量
稳压性能愈好。)
的
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例 1电. 路如图所示,设稳压管DZ1 和DZ2 的稳定
电压分别为5V和10V, 试求出输出电压UO,判 断稳压管所处的工作状态。已知稳压管正向电压 为0.7V。
• 第九章 逻辑代数与逻辑函数
• 第十章 组合逻辑电路
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电子技术发展概况
1906年真空三极管的诞生,标志着第一代电子 器件——真空管开始形成。
20世纪40年代后期,出现了一种新型的电子器 件——半导体器件,它被称为第二代电子器件。
1959年第三代电子器件——集成电路诞生。 集成电路的发展经历了小规模、中规模、大规模
2)内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用,
所以空间电荷区--PN结又称为阻挡层或耗尽
层。
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2. P N 结的单向导电性
1)PN 结加正向电压
内电场 Ed
PN 结变窄 多子扩散运动 少子漂移运动
形成正向电流 I
PN 结导通 ( PN 结呈现 R )
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第19页/共71页
2) PN 结加反向电压
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• 例 2. 开关电路如图
所示,当输入端 UA = 3V , UB = 0 V, 试求 输出端 Y 的电位
U解Y。:
例 2图
∵ UA = 3V, UB = 0V
∴ DA优先导通, DB 截止;
则 UY = UA-UD =3- 0.7(0.3)= 2.3( 2.7) V
UA 31
⒊ 环境的改变对半导体导电性能有很大的影响。 例如当温度增加或受到光照时,半导体导电能 力都有所增加。半导体热敏器件和光敏器件都 是利用这一特性制造的。
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三. P N 结
• 多数载流子要从浓度 大的 区域扩散到浓度 小的区域,形成空间
电荷区--PN结,产生
电场,称为内电场
Ed ;
③ 半导体:它的导电能力介于导体和绝缘体之间 的物体。
• 半导体是如何导电的?怎样提高其导电能力?
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第6页/共71页
1. 本征半导体
半导体经高度提纯并制成晶体后,原子间组成 某种形式的晶体点阵,这种半导体称为本征半导 体。也就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。
(a) 锗Ge 的原子结构
(b) 硅Si 的原子结构
• 内电场对多数载的扩
散运动起阻挡作用,
对少数载流子又起推
动作用,这种少数载
流子在内电场作用下
有规则的运动称为漂
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1. PN结的形成
扩散运动
随Ed
漂移运动
达到动态平衡
形成稳定的PN 结 注意:
Ed 不变化
1)空间电荷区的正负离子虽带电,但它们不能 移动,不参与导电。因区域内的载流子极少, 所以空间电荷区的电阻率很高。
和超大规模等不同阶段。第一块集成电路上只有 四只晶体管,而目前的集成电路已经可以在一片 硅片上集成几千万只,甚至上亿只晶体管。
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第一章 半导体二极管 及基本电路
• 基本要求 理解 P N 结的单向导电性,理解二极管、
稳压管的工作原理,掌握分析二极管、稳压 管电路的分析方法。 • 基本内容
阻很高。
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3) PN 击穿
• 当加在PN结的反向电压超过某一数值(UBR)时, 反向电流会急剧增加,这种现象称为反向击穿。 只要PN结不因电流过大产生过热而烧毁,反向 电击穿与反向截止两种状态都是可逆的。
4)PN结的电容效应
• 加在PN结上的电压的变化可影响空间电荷区电 荷的变化,说明PN结具电容效应。PN结的结电 容的数值一般很小,故只有在工作频率很高的情 况下才考虑PN结的结电容作用。
分析:
• 1)正向特性:
• OA段:当 UF < UT (死区电压)时外电场
不 足以克服结内电场对多数载流子扩散运动的
阻力,故正向电流 IF 很小(I F ≈0), D处于截
止状态。
• 硅(Si):U T ≈0.5V; 锗(Ge): U T ≈0.1V。
• AB段:当 U F >U T后, Ed↓↓→扩散运动↑ ↑ → I F ↑ ↑ → D 导通。
N 型半导体示意
图
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② P 型半导体
硅
晶
体
掺
硼
出
现
硼原子的结构
空 穴
• 自由电子数 << 空穴数
少数载流子
多数载流子
• 以空穴导电作为主要导电方式的半导体,称为
空穴半导体或 P型半导体 (P —type
semiconductor ) 。
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N 型、P 型半导体示意图
个空位,称为
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2)载流子的形成 • 在外电场的作用下,价电子填补空穴,就好
像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子 运动的方向相反,空穴运动相当于正电荷的 运动。
• 当加上一定方向的电场后,就会不断有激发、 复合过程,出现两部分的电流,即
电子电流:自由电子作定向运动所形成的电;
空穴电流:被原子核束缚的价电子递补空穴 所形成的电流。
• 三 研究方法
• 电子技术的研究方法与电路不同,它具有更强的工程性质,在分析中常用工程 近似法突出主要问题,使分析过程得以简化。
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讲授内容
• 第一章 • 第二章
半导体二极管及基本电路 晶体管及基本放大电路
• 第四章 • 第五章
用 • 第八章
反馈放大电路 集成电路运算放大器及应
数字电路基础
解:
当DZ1 和DZ2断开时, 同时加有25V反向电压。
由于UDZ1<UDZ2小, DZ1先被击穿,UO=5V, 因而DZ1处于击穿状态, DZ2处于截止状态。
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1.5 直流电源(第七章)
• 半导体直流电源的原理方框图。
基本要求:理解单相整流、滤波、稳压电路的工作
原理,掌握设计全波整流电路的计算方法。
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2) PN 结加反向电压
加反向电压
P区接负极 N区接正极
内电场 Ed
PN 结变宽
多子扩散运动 少子漂移运动
形成反向电流 I
PN 结截止 (PN 结呈现反向R )
• 结论:
• P N 结具有单向导电性。
• 加正向电压,PN结导通,正向电流较大,结电
阻很低。
• 加反向电压,PN 结截止,反向电流很小,结电
• D导通时的正向压降,硅管约为(0.6~0.7)V,
锗管约为(0.2~0.3)V。
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2) 反向特性
• OC段:当 U R < U BR (击穿电压)时,
扩散 Ed
漂移
I R 很小
D 截止。
• CD段:当 U R > U BR 后, PN结被击穿,
随△ U
IR
D 失去单向导电性。
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一 变压
二 整流电路第38页/共7三1页滤波电路
四 稳压电路
图中各环节的功能如下:
• 1. 变压:将交流电源电压变换为符合整流需 要的电压。
• 2. 整流电路:将交流电压变换为单向脉动的 直流电压。
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三. 主要参数
1)最大整流电流 I F M 二极管长时间可靠工作时,允许流过
二极管的最大正向平均电流。
2)最高反向工作电压 U R M 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值
电压。 U R M=(击穿电压)/ 2 3)最大反向电流 I R M
当二极管加上反向工作峰值电压时所对 应的反向电流。 I R M越小,单向导电性好。
子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。
磷原子的结构
硅晶体中掺磷出现自由电子
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• 半导体中的自由电子数目大 量增加,于是有:
• 自由电子数 >> 空穴数 多 数载流子 少数载流子
• 以自由电子导电作为主要导 电方式的半导体,称为电子
半导体或 N 型半导体 (N —type semiconductor ) 。
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1.2 半导体二极管
一. 点接触式和面接触式二极管的结构
二极管符号
阳极
D 阴极
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二. 伏安特性(V—A特性) • 二极管的伏安特性
将二极管分为三种 状态——截止、导 通和击穿。
硅二极管的伏安特性
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硅二极管的伏安特性
锗二极管的伏安
特性 25 第25页/共71页
• 自由电子和空穴是运载电荷的粒子,称为载
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2.杂质半导体
• 杂质半导体——在本征半导体中掺入微量的杂质(某种元素),而形成的半 导体。
N 型半导体 杂质半导体
P 型半导体
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① N 型半导体 • 在硅(或锗)的晶体中掺人少量的五价元素
(如磷元素),如图所示,多余的第五个价电
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1.3 二极管基本电路及分析方法
二极管的应用很广,其基本电路有整流电
路、开关电路、限幅电路等。由于二极管是非
线性器件,分析电路时常采用模型分析法。
理想模型
恒压模型
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例 1. 在图所示电 路中,设二极管正向 导通电压为0.7V,试 估算A点的电位。若3 kΩ和2 kΩ对调A点 的电位如何变化。 解 :先判定二极管的工作状态,再选用合适的 线性等效模型代替二极管进行分析计算。 •正向电压UD=-1V, D截止,Ua=-1V。 •正向电压UD=1V, D导通,Ua=0.7V。
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• 本征半导体导电方式
以硅(Si)元素为例讨论、分析 硅单晶中的共价键结构
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1)自由电子和空穴的形 • 成在外界的影响下
(如热、光、电
价空电穴子 自由电子
场、磁场等),
使得其共价键中
的价电子获得一
Hale Waihona Puke 定能量后,电子受到激发脱离共
价键,成为自由
电子(带负电),
共价键中留下一
N 型半导体
P 型半导体
杂质半导体中多数载流子浓度取决于掺杂浓度 少数载流子浓度取温决度于
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二.半导体的特点:
⒈ 半导体中存在着两种载流子---自由电子和空 穴。因此,半导体的导电原理明显区别于导体。
⒉ 在本征半导体中掺微量杂质可以控制半导体的 导电能力和参加导电的主要载流子的类型。
D截止,
∴ uo = ui
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1. 4 稳压二极管(DZ)
• 稳压二极管的工作机理是
DZ
利用PN结的击穿特性。
一. V—A特性、符号、状 态
DZ
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分析:
1)稳压管的正向特性与二极管相同。 2)稳压管的反向特性
• O小A)段时:,当I Z很0<小U,<稳U压Z管(截反止向;击穿电压,数值较 • A大 电B,压段虽△:UZ当△ 变IUZ化≥变很化U小Z范;时围体,很现稳大了压,稳管但压反D特向Z性击稳。穿压,管I两Z 端很的
00
电路的逻辑关系为或逻辑 3 1
二极管具有钳位作用
00
UB
U
0 0 2.31
3 1 2.31
3 1 2.31
0 0 -0.70
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• 例 3.
限幅(削
波)作用电路如图所
示ui, 2U sin t
求 uo 及画出波形。
解:1)当 ui >E 时, D导通;
∴ uo = UD + E≈ E 2) 当 ui <E 时,