最新模电课件第三章(4)课件PPT.ppt 93页

'模电课件第三章(4) 3.1半导体的基本知识3.1.1半导体材料3.1.2半导体的共价键结构3.1.3本征半导体、空穴及其导电作用3.1.4杂质半导体 3.1.1半导体材料根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。 3.1.4杂质半导体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。N型半导体——掺入五价杂质元素（如磷）的半导体。P型半导体——掺入三价杂质元素（如硼）的半导体。 1.N型半导体因五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子，由热激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，因此五价杂质原子也称为施主杂质。 2.P型半导体因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。三价杂质因而也称为受主杂质。 3.杂质对半导体导电性的影响掺入杂质对本征半导体的导电性有很大的影响，一些典型的数据如下:T=300K室温下,本征硅的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31本征硅的原子浓度:3以上三个浓度基本上依次相差约106/cm3。2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm34.96×1022/cm3 本征半导体、杂质半导体本节中的有关概念自由电子、空穴N型半导体、P型半导体多数载流子、少数载流子施主杂质、受主杂质 3.2PN结的形成及特性3.2.2PN结的形成3.2.3PN结的单向导电性3.2.4PN结的反向击穿3.2.5PN结的电容效应3.2.1载流子的漂移与扩散 3.2.1载流子的漂移与扩散漂移运动：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散运动：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。 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。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区3.2.2PN结的形成 对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称耗尽层。 3.2.3PN结的单向导电性当外加电压使PN结中P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；反之称为加反向电压，简称反偏。(1)PN结加正向电压时低电阻大的正向扩散电流 (2)PN结加反向电压时高电阻很小的反向漂移电流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。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。 (3)PN结V-I特性表达式其中PN结的伏安特性IS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K） 3.2.4PN结的反向击穿当PN结的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然快速增加，此现象称为PN结的反向击穿。热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆 3.2.5PN结的电容效应(1)扩散电容CD扩散电容示意图当PN结处于正向偏置时，扩散运动使多数载流子穿过PN结，在对方区域PN结附近有高于正常情况时的电荷累积。存储电荷量的大小，取决于PN结上所加正向电压值的大小。离结越远，由于空穴与电子的复合，浓度将随之减小。 (2)势垒电容CB若外加正向电压有一增量V，则相应的空穴（电子）扩散运动在结的附近产生一电荷增量Q，二者之比Q/V为扩散电容CD。 3.3二极管3.3.1二极管的结构3.3.2二极管的伏安特性3.3.3二极管的主要参数 3.3.1二极管的结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型两大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型二极管的结构示意图PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。 （a）面接触型（b）集成电路中的平面型（c）代表符号(2)面接触型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型 3.3.2二极管的V-I特性二极管的V-I特性曲线可用下式表示锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性 3.3.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(6)极间电容Cd（CB、CD）(7)反向恢复时间TRR(4)正向压降VF(5)动态电阻rd (1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压VBR———和最大反向工作电压VRM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。(3)反向电流IR在室温下，在规定的反向电压下，一般是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。 (4)正向压降VF(5)动态电阻rd在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.5～0.8V；锗二极管约0.1～0.3V。反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，即rd=VF/IF 半导体二极管图片 半导体二极管图片 3.4二极管的基本电路及其分析方法3.4.1简单二极管电路的图解分析方法3.4.2二极管电路的简化模型分析方法 3.4.1简单二极管电路的图解分析方法二极管是一种非线性器件，因而其电路一般要采用非线性电路的分析方法，相对来说比较复杂，而图解分析法则较简单，但前提条件是已知二极管的V-I特性曲线。 例3.4.1电路如图所示，已知二极管的V-I特性曲线、电源VDD和电阻R，求二极管两端电压vD和流过二极管的电流iD。解：由电路的KVL方程，可得即是一条斜率为-1/R的直线，称为负载线Q的坐标值（VD，ID）即为所求。Q点称为电路的工作点 3.4.2二极管电路的简化模型分析方法1.二极管V-I特性的建模将指数模型分段线性化，得到二极管特性的等效模型。（1）理想模型（a）V-I特性（b）代表符号（c）正向偏置时的电路模型（d）反向偏置时的电路模型 （2）恒压降模型（a）V-I特性（b）电路模型（3）折线模型（a）V-I特性（b）电路模型=0.5vvD=Vth+rDiD （4）小信号模型vs=0时,Q点称为静态工作点，反映直流时的工作状态。vs=Vmsint时（Vm<>VT。 2．模型分析法应用举例（1）整流电路（a）电路图（b）vs和vO的波形 （2）静态工作情况分析理想模型（R=10k）当VDD=10V时，恒压模型（硅二极管典型值）折线模型（硅二极管典型值）设当VDD=1V时,分析方法同上（a）简单二极管电路（b）习惯画法 （3）限幅电路电路如图，R=1kΩ，VREF=3V，二极管为硅二极管。分别用理想模型和恒压降模型求解，当vI=6sintV时，绘出相应的输出电压vO的波形。 双向限幅电路 在开关电路中，判断二极管是导通的还是截止的方法如下：对于单只二极管而言，首先将二极管断开，进行计算VP、VN的电压值，若VP＞VN，则二极管是导通的；若VP＜VN，则二极管是截止的。对于并联二极管而言，首先将二极管断开，分别进行计算VPi、VNi的电压值，max(VPi、VNi)并且大于0，则正向电压值大的二极管先导通，余下的被钳位。导通管的压降看做常值（硅0.7V，锗0.2V）或0V（理想二极管）；截止管所在支路看做断开，电路中所有二极管判明后，进一步计算所要求的各物理量。（4）开关电路 电路如图所示，求AO的电压值解：先断开D，以O为基准电位，即O点为0V。则接D阳极的电位为-6V，接阴极的电位为-12V。阳极电位高于阴极电位，D接入时正向导通。导通后，D的压降等于零，即A点的电位就是D阳极的电位。所以，AO的电压值为-6V。例: 例：理想二极管，求VAO解：(c)VPN1=12V,VPN2=－3V,则D1导通，D2截止。VAO=0V。(d)VPN1=12V,VPN2=18V,则D2先导通，D2导通以后，VAO=－6V，此时D1处于截止状态。 例：判断D导通还是截止？解： 例：理想模型输入电压为0V或5V求输入值的不同组合下，输出电压值。 (5）小信号工作情况分析图示电路中，VDD=5V，R=5k，恒压降模型的VD=0.7V，vs=0.1sinwtV。（1）求输出电压vO的交流量和总量；（2）绘出vO的波形。直流通路、交流通路、静态、动态等概念，在放大电路的分析中非常重要。 例：VI正常值为10V，R=10KΩ，求VI变化±1V时，相应的输出电压的变动。解： 3.5特殊二极管3.5.1齐纳二极管(稳压二极管)3.5.2变容二极管3.5.3肖特基二极管3.5.1光电子器件 3.5.1齐纳二极管1.符号及稳压特性利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳压时工作在反向电击穿状态。(a)符号(b)伏安特性(c)应用电路(b)(a)(c) (1)稳定电压VZ(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(3)最大耗散功率PZM(4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin(5)稳定电压温度系数——VZ2.稳压二极管主要参数 3.稳压电路正常稳压时VO=VZ 例：设硅稳压管DZ1和DZ2的稳定电压分别为5V和10V，试求下列各图中的输出电压VO。已知硅稳压管的正向压降为0.7V。解：（a）在图中，DZ1和DZ2工作在反向击穿区，因此VO的电压值为：VO=VZ1+VZ2=5+10=15V；（b）在图中，DZ1和DZ2工作在正向导通区，因此VO的电压值为：VO=0.7+0.7=1.4V；（c）在图中，考虑到VZ1＜VZ2，DZ1反向击穿后VZ1=5V，此时DZ2处于截止状态，因此VO的电压值为：VO=VZ1=5V；（d）在图中，DZ2工作在正向导通区，DZ1处于截止状态，考虑因此VO的电压值为：VO=0.7V。 3.5.2变容二极管（a）符号（b）结电容与电压的关系（纵坐标为对数刻度） 3.5.3肖特基二极管（a）符号（b）正向V-I特性二极管开关时间少。反向饱和电流较普通二极管大得多。主要用于集成电路 3.5.4光电子器件1.光电二极管（a）符号（b）电路模型（c）特性曲线 2.发光二极管符号光电传输系统 3.激光二极管（a）物理结构（b）符号 作业3.4.23.4.33.4.43.4.73.4.93.5.13.5.3 长方体和正方体的认识义务教育课程标准实验教科书第十册丰收学校:刁玉玲 教学目标初步让学生认识长方体和正方体,知道长方体和正方体由几部分组成,正确区分他们的异同. —————平面图形——————立体图形 讨论：1、长方体有几个面？每个面是什么形状的?哪些面完全相同?2、长方体有多少条棱？哪些棱的长度相等?3、长方体有多少个顶点？ 长宽高长宽高长宽高长宽高长宽高 1、长方体有几个面？2、长方体有多少条棱？3、长方体有多少个顶点？6个，长方形（也可能有两个相对的面是正方形），相对的面完全相同。12条，相对的四条棱长度相等。8个。 长宽高 练习：1、根据图中数据口答填空：（1）（2）8厘米3厘米4厘米4厘米4厘米4厘米图一：长方体的长是（）厘米，宽（）厘米，高是（）厘米。12条棱长的和是（）厘米。图二：这幅图中的几何体是（）体，12条棱长的和是（）分米。83460正方48 （3）图三：一个长方体，它的长、宽、高分别是9厘米，3厘米，2.5厘米。它上面的长是（）厘米，宽是（）厘米，左边的面长是（）厘米，宽是（）厘米，相交于一个顶点的三条棱长和是（）厘米。9332.514.5 2、判断。正确的在括号里画“√”，错误的在括号里画“×”。（1）长方体的六个面一定是长方形；（）（2）正方体的六个面面积一定相等；（）（3）一个长方体（非正方体）最多有四个面面积相等；（）（4）相交于一个顶点的三条棱相等的长方体一定是正方体。（）×√√√ 3、拓展延伸（1）、长方体最多有（　）个面相等？（2）、长方体锯掉一角后，还剩（　　）个顶点？你有（　　）种锯法？'