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正文內(nèi)容

二極管的溫度特性及應(yīng)用實例研究畢業(yè)論文(編輯修改稿)

2024-07-22 00:41 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 值的電壓稱為門檻電壓即死區(qū)電壓,記為Vth。,,當正向電壓高于門檻電壓后,電流隨電壓基本上按指數(shù)規(guī)律增長,成為二極管的導(dǎo)通區(qū),當正向電流達到一個較大數(shù)值后,二極管的正向電壓變化很小,處于導(dǎo)通狀態(tài),對應(yīng)的電壓成為導(dǎo)通電壓,記為Von。,圖(21)PN結(jié)正向偏置時耗盡層的變化為敘述方便,;,為敘述方便。 反向特性當PN結(jié)的P區(qū)引出端接電源的負極,N區(qū)引出端接電源的正極,即PN結(jié)加反向電壓(反向偏置)時,外加電壓產(chǎn)生的電場與PN結(jié)的內(nèi)電場方向相同,加強了內(nèi)電場打破了原有的平衡狀態(tài),使靠近PN結(jié)的P區(qū)空穴向左移,靠近PN結(jié)的N區(qū)電子向右移,從而使空間電荷區(qū)加寬,勢壘電壓也由原來的變?yōu)?,如圖(22)所示。 U—++UW’’WX1X2NP+ 圖(22) PN結(jié)反向偏置時耗盡層的變化由于勢壘的提高,使得多子的擴散運動很難進行,擴散電流為零,但由于內(nèi)建電場的增加,使P區(qū)和N區(qū)中的少子漂移運動成為主要的。在強電場作用下,P區(qū)的少子電子一旦到達空間電荷區(qū)的邊界,就全部被掃向N區(qū);同樣N區(qū)的少子空穴一旦到達空間電荷區(qū)的邊界也全部被掃向P區(qū)。所以,PN結(jié)空間電荷區(qū)的邊緣少子濃度趨于零。在反向電壓的作用下,越過界面的少子,通過回路形成反向電流,因為少子的濃度很低,所以反向電流很小,可以推得反向電流Ir與反向電壓的關(guān)系為: ()隨著反向電壓的增加,反向電流開始少有增加,1,式()可以寫成: ()方向電流Ir近似為常數(shù),不再隨反向電壓變化而變化,稱IS為方向飽和電流。反向飽和電流IS與半導(dǎo)體的材料、摻雜濃度及工作溫度有關(guān)。一般硅PN結(jié)的IS為10151010A。鍺PN結(jié)的IS為1010107A;砷化鎵PN結(jié)的IS為10171015A。由以上分析可知,PN結(jié)加正向電壓和方向電壓時的伏安特性均可用()式表示。正向電壓時U為正值,反向電壓時U為負值。正向電壓從零開始增大時,正向電流增加較緩慢;當正向電壓增大到一定值時,正向電流按指數(shù)規(guī)律增大,這時PN結(jié)具有良好的導(dǎo)電性,電壓Ur稱為導(dǎo)通電壓。反向電壓從零開始增大時,反向電流隨反向電壓增加而增加,反向電流約等于Is,不再隨電壓變化。在反向電壓作用下,向電流很小,PN結(jié)的導(dǎo)電性能極差,可近似認為PN結(jié)不導(dǎo)電,這表明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?。在此需要指出的是:上述PN結(jié)的伏安特性是在理想情況下推導(dǎo)出來的,因而具有一定的局限性。在正向電流較小,在反向電壓不大時,實際PN結(jié)的伏安特性與理想PN結(jié)的伏安特性相近,超出此范圍,就會出現(xiàn)較大的誤差。 二極管的擊穿問題當PN結(jié)的外加反向電壓超過某一數(shù)值UB時,反向電流會突然猛增,而PN結(jié)兩端的電壓幾乎不變,把這種現(xiàn)象稱為PN 結(jié)的反向擊穿,UB稱為反向擊穿電壓。PN結(jié)的反向擊穿現(xiàn)象可以分為以下兩種情況。 電擊穿按PN結(jié)反向擊穿的機理,電擊穿可分為雪崩擊穿和齊納擊穿。a 雪崩擊穿隨著反向電壓的提高,空間電荷區(qū)內(nèi)電場增強,通過勢壘區(qū)的載流子獲得的能量液隨之增加。當反向電壓接近擊穿電壓UB時,這些有較高能量的載流子與空間電荷區(qū)內(nèi)的中性原子相遇發(fā)生碰撞電離,產(chǎn)生新的電子空穴對。這些新產(chǎn)生的電子和空穴又會在電場的作用下,重新獲得能量,碰撞其他的中性原子使之電離,再產(chǎn)生更多的電子空穴對。這種連鎖反應(yīng)繼續(xù)下去,使空間電荷區(qū)內(nèi)的載流子數(shù)量劇增,就像雪崩一樣,使反向電流急劇增大,產(chǎn)生擊穿,所以把這種擊穿稱為雪崩擊穿。雪崩擊穿一般發(fā)生在摻雜濃度較低,外加反向電壓又較高的PN結(jié)中。這是因為摻雜濃度較低的PN結(jié),空間電荷區(qū)寬度較寬,發(fā)生碰撞電離的機會較多。b 齊納擊穿齊納擊穿的物理過程與雪崩擊穿不同。當反向電壓增大到一定值時,勢壘區(qū)內(nèi)就能建立起很強的電場,它能夠直接將束縛在共價鍵中的價電子拉出來,使勢壘區(qū)產(chǎn)生大量的電子空穴對,形成較大的反向電流,產(chǎn)生擊穿。把這種在強電場作用下,使勢壘區(qū)中原子直接激發(fā)的擊穿現(xiàn)象稱為齊納擊穿。齊納擊穿一般發(fā)生在在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。這是因為摻雜濃度較高的PN結(jié),空間電荷區(qū)的電荷密度很大,寬度較窄,不需要加很大的反向電壓,就能建立起很強的電場,發(fā)生齊納擊穿。一般來說,擊穿電壓小于6V時所發(fā)生的擊穿為齊納擊穿,擊穿電壓高于6V時所發(fā)生的擊穿為雪崩擊穿。 熱擊穿上述的電擊穿過程是可逆的,也就是說當PN結(jié)擊穿時,只要PN結(jié)的反向電流限制在一定的范圍內(nèi),使消耗在PN結(jié)上的功率未超出最大允許值,PN結(jié)未被燒毀,那么反向電壓減小后,PN結(jié)仍可恢復(fù)成原來的正常狀態(tài)。但是,如果反向電壓和反向電流過大,使消耗在PN結(jié)上的功率超出了最大允許值,就將因PN結(jié)結(jié)溫過高,導(dǎo)致PN結(jié)被燒毀,我們稱它為熱擊穿。熱擊穿將導(dǎo)致PN結(jié)的永久性損壞,所以在工程上一定要避免出現(xiàn)。常用的方法是限制PN結(jié)上的功耗或通過加散熱片,強制風等手段,及時地把PN結(jié)上的熱量散發(fā)出去。3溫度的影響當工作溫度變化時將會使二極管的特性產(chǎn)生一系列的變化,溫度對二極管的影響如圖(31)所示。下面分別討論一下溫度對二極管正反向特性的影響。圖(31)溫度對二極管伏安特性的影響在晶體管電路中,晶體管的偏置電流一旦確定,那么該電路中晶體管的工作點也就隨之確定,PN結(jié)厚度和它的結(jié)電容大小也就隨之確定,不管是線性區(qū)還是飽和區(qū),它都是固定的,工作點是不會發(fā)生改變的。在一個固定的電路中,影響晶體管工作點的主要因素是晶體管的PN結(jié)厚度和結(jié)電容的大小的變化,但是隨著溫度的變化,晶體管PN結(jié)厚度和它的結(jié)電容大小會隨溫度的變化而變化,因此,總的來說,影響其工作點發(fā)生變化的主要因素是溫度。當溫度升高時,熱激發(fā)產(chǎn)生的載流子增加,使反向飽和電流IS增加。理論上IS隨溫度的變化對硅管而言是8%/0C,鍺管是10%/0C,工程上通常無論是硅管還是鍺管,都近似認為是溫度每增加100C,反向飽和電流IS增加一倍。即: ()當外加電壓一定時,雖然 隨著溫度的增加而略有減小,但遠沒有IS隨溫度增加的程度大,所以二極管正向電流要增大。若維持電流不變,則隨著溫度的增加,其正向電壓必然要減小。通常溫度每升高一攝氏度。即: (2~)mV/0C ()通過以上討論可知,溫度的變化影響二極管特性,甚至會影響電路工作的穩(wěn)定性。因此,電路設(shè)計時因考慮溫度對二極管特性的影響。4應(yīng)用眾所周知,半導(dǎo)體材料和器件的許多性能參數(shù),如電阻率、PN結(jié)的反向漏電流和正向電壓等,都與溫度有密切的關(guān)系。在一般應(yīng)用電路中,半導(dǎo)體材料和器件性能的這種對溫度的依賴是一種缺陷,因為它會導(dǎo)致電路工作不穩(wěn)定,所以總是盡量設(shè)法克服和避免。然而與此相反,半導(dǎo)體溫敏器件正是利用半導(dǎo)體材料和器件的某些性能參數(shù)的溫度依賴性,實現(xiàn)了對溫度的檢測、控制或補償?shù)裙δ堋8鶕?jù)工作機理,半導(dǎo)體溫敏器件可分為電阻型和PN結(jié)型兩大類,它們分別以半導(dǎo)體材料的電阻率和PN結(jié)特性對溫度的依賴關(guān)系作為其工作基礎(chǔ)。本文重點討論并搭建了PN結(jié)型半導(dǎo)體測溫傳感器。 溫敏二極管及其應(yīng)用隨著半導(dǎo)體技術(shù)和測溫技術(shù)的發(fā)展,人們發(fā)現(xiàn)在一定的電流模式下,PN結(jié)的正向電壓與溫度之間的關(guān)系表現(xiàn)出良好的線性。根據(jù)這一關(guān)系,可以利用二極管進行溫度檢測。專用的砷化鎵和硅溫敏二極管,現(xiàn)已廣泛用于1400K范圍的溫度測量。由于砷化鎵溫敏二極管的磁靈敏度低,因此常常用于強磁場下的低溫測量。硅溫敏二極管的磁靈敏度雖比砷化鎵溫敏二極管高,但由于它的工藝成熟,成本低,且在低溫下有較高的靈敏度,因此,是目前產(chǎn)量和用量最大的一種溫敏二極管?,F(xiàn)在討論利用PN結(jié)正向電壓溫度特性工作的溫敏二極管的基本工作原理、特性和應(yīng)用。 工作情況簡介由PN結(jié)理論可知,對于理想二極管,只要UF大于幾個Tk0/q,其正向電流IF與正向電壓UF和溫度T之間的關(guān)系就可表示為 ()式中:指飽和電流;B’=AB指與溫度無關(guān)并包含結(jié)面積A的常數(shù);r指與遷移率有關(guān)的常數(shù)(,而可通過求得,DN是電子擴散系數(shù) 是非平衡電子壽命);T是指絕對溫度,其單位為K。Eg0是指溫度為0K時材料的禁帶寬度,其單位為eV。K0是指波爾茲曼常數(shù);q是指電子的電荷量,q= 對式(),兩端取對數(shù)可得作為溫度和電流函數(shù)的正向電壓,即: ()式中:Ug0=Eg0/q式()給出了二極管的正向電壓UF與溫度T之間的關(guān)系。在一定的電流下,隨著溫度的升高,正向電壓下降,表現(xiàn)出負的溫度系數(shù)。溫度傳感器總是從某一溫度起開始工作。如果在某已知的溫度(如室溫)T1下,工作電流為IF1那么,相應(yīng)的正向電壓UF1應(yīng)滿足式(),即 ()由式()減去式(),整理得 ()式()是理想二極管的正向電壓與溫度之間關(guān)系的另一種表達方式。由半導(dǎo)體理論可知,對于實際的二極管來說,只要它們工作在PN結(jié)空間電荷區(qū)中的復(fù)合電流和表面漏電流可以忽略,而又未發(fā)生大注入效應(yīng)的電壓和溫度的范圍內(nèi),它們的特性就與理想模型相符。因此式(),)和式()就可用來描述它們的電流電壓及溫度特性。研究表明,對于鍺和硅二極管,在相當寬的一個溫度范圍內(nèi),其正向電壓與溫度之間的關(guān)系符合式()和式()。所以,根據(jù)它們就可以制造溫敏二極管,通過對其正向電壓的測量可實現(xiàn)對溫度的檢測。 幾個關(guān)鍵性指標(1)UFT關(guān)系對于不同的工作電流,溫敏二極管的 UFT關(guān)系也將不同。圖(41)給出了國產(chǎn)2DWM1型(遼寧寬甸晶體管廠生產(chǎn))硅溫敏二極管恒流下的UFT特性。由圖(41)可以看出,在50—+500C 范圍內(nèi),其 UFT之間具有良好的線性關(guān)系。圖(41)2DWM1型溫敏二極管的UFT特型(2)靈敏度特性靈敏二極管的靈敏度定義為正向電壓對溫度的變化率。將式()對T求偏導(dǎo),可得靈敏度表達式: ()由式()可知,溫敏二極管的靈敏度為負值,且與常數(shù)r,溫度T及電流IF有關(guān)。當IF=IF1時,靈敏度表達式為 ()
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