chapter-2 半导体器件

1、第二章第二章 半导体器件半导体器件 SemiconductorSemiconductor内内 容容 教教 学学 要要 求求 熟练熟练掌握掌握 正确正确理解理解 一般一般了解了解 半半导导体体基基础础知知识识 本征半导体，掺杂半导体本征半导体，掺杂半导体 PN PN 结的形成结的形成 PN PN 结的单向导电性结的单向导电性 PN PN 结的电容效应结的电容效应 半半导导体体二二极极管管 二极管的结构及类型二极管的结构及类型 二极管的伏安特性及主要参数二极管的伏安特性及主要参数 二极管的应用（整流、检波和限幅）二极管的应用（整流、检波和限幅） 硅稳压管的伏安特性、主要参数硅稳压管的伏安特性、主要

2、参数 硅稳压管稳压电路硅稳压管稳压电路 变容二极管变容二极管 晶体管的工作状态、伏安晶体管的工作状态、伏安特性及主要参数特性及主要参数 电流分配与放大作用电流分配与放大作用 晶体管的结构晶体管的结构晶晶体体管管一般一般了解了解 正确正确理解理解 熟练熟练掌握掌握 教教 学学 要要 求求 内内 容容 场效应管的伏安特性及主场效应管的伏安特性及主要参数要参数 场效应管的工作原理场效应管的工作原理 场效应管的结构与类型场效应管的结构与类型场场效效应应管管 学习目标学习目标l掌握以下基本概念：半导体材料的特点、载掌握以下基本概念：半导体材料的特点、载流子、扩散运动、漂移运动；流子、扩散运动、漂移运动；

3、l了解了解PNPN结的形成过程及半导体二极管的单向结的形成过程及半导体二极管的单向导电性、二极管的伏安特性及其电路的分析导电性、二极管的伏安特性及其电路的分析方法；正确理解半导体二极管的主要参数；方法；正确理解半导体二极管的主要参数；l 掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，掌握稳压管工作原理及使用中的注意事项，了解选管的一般原则。了解选管的一般原则。l掌握三极管的伏安特性、电流分配关系、放掌握三极管的伏安特性、电流分配关系、放大条件及放大工作原理；大条件及放大工作原理；l掌握场效应管的伏安特性、放大条件及放大掌握场效应管的伏安特性、放大条件及放大工作原理；工作原理；重点重点lPN结的单向导电

4、性、结的单向导电性、PN结的伏安特性；结的伏安特性；l二极管的伏安特性、单向导电性及等效电二极管的伏安特性、单向导电性及等效电路、二极管的应用；路、二极管的应用；l稳压管稳压原理及简单稳压电路；稳压管稳压原理及简单稳压电路； lBJT的输入、输出特性、的输入、输出特性、BJT三种工作状态三种工作状态的判断方法；的判断方法； lMOS管结构原理；管结构原理；1.MOS管的伏安特性及其在三个工作区的工管的伏安特性及其在三个工作区的工作条件；作条件；难点难点l半导体的导电机理、半导体的导电机理、PN结的形成；结的形成；l二极管在电路中导通与否的判断、二二极管在电路中导通与否的判断、二极管在电路中的具

5、体模型；极管在电路中的具体模型；l稳压管稳压原理；稳压管稳压原理； lBJT三种工作状态的判断方法；三种工作状态的判断方法；l各类场效应管的管型判断；各类场效应管的管型判断；MOS管各管各工作区的工作条件。工作区的工作条件。根据物体导电能力（电阻率）的不同，根据物体导电能力（电阻率）的不同，物质可分为物质可分为导体导体(10(10(109 9 cm) cm)和和半导体半导体(10(10- -1 110109 9cm)cm)三大类。三大类。典型的半导体有典型的半导体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等，其都是等，其都是4 4价元素（外层轨道上的电子价元素（外层轨道

6、上的电子通常称为通常称为价电子价电子），其原子结构模型和简化），其原子结构模型和简化模型如模型如图图2.1.12.1.1所示。所示。 2.12.1 半导体的特性半导体的特性 Semiconductor PhisicsSemiconductor Phisics+14284Si硅原子结构示意图硅原子结构示意图+3228 18Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4图图2.1.1 原子结构示意图原子结构示意图+4硅、锗原子硅、锗原子的简化模型的简化模型平面结构平面结构立体结构立体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4图图2.1.2 2.1.2 半导体共价键结构半导体共价键结构共价键共价键价电子价电子

7、半导体的特点半导体的特点l 半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间半导体的导电能力介于导体与绝缘体之间l 半导体受外界光和热的刺激时，其导电能半导体受外界光和热的刺激时，其导电能力将会有显著变化。力将会有显著变化。l 在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导在纯净半导体中，加入微量的杂质，其导电能力会急剧增强。电能力会急剧增强。纯净的、不含其他杂质的半导体称为纯净的、不含其他杂质的半导体称为本征本征半导体半导体。在室温下，本征半导体共价键中的价电子获在室温下，本征半导体共价键中的价电子获得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，得足够的能量，挣脱共价键的束缚成为自由电子，在原位留下一个在原位留下一

8、个空穴空穴，这种产生，这种产生电子电子- -空穴空穴对的对的现象称为现象称为本征激发。本征激发。在热力学温度零度（即在热力学温度零度（即T=T=，相当于，相当于- -273273）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的）时，价电子的能量不足以挣脱共价键的束缚，因此，晶体中没有自由电子。所以在束缚，因此，晶体中没有自由电子。所以在T=T=时，半导体不能导电，如同绝缘体一样。时，半导体不能导电，如同绝缘体一样。2.1.12.1.1本征半导体本征半导体 Intrinsic SemiconductorIntrinsic Semiconductor由于随机热振动致使本征半导体共价键被由于随机热振动致使本征半

9、导体共价键被打破而产生打破而产生电子空穴对电子空穴对。本征半导体中存在两种载流子：带负电的本征半导体中存在两种载流子：带负电的自自由电子由电子(electrons)(electrons)和带正电的和带正电的空穴空穴(holes)(holes)。分。分别用别用n n和和p p表示自由电子和空穴的浓度，有表示自由电子和空穴的浓度，有n=pn=p。（动画演示）（动画演示）本征半导体的特点本征半导体的特点 电阻率大；电阻率大；a.导电性能随温度变化大。导电性能随温度变化大。本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用本本征征激激发发产产生生电电子子和和空空穴穴自由电子自由电

10、子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴电子空穴成对产生成对产生+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴电子空穴复合，成复合，成对消失对消失电子和空穴产生过程动画演示电子和空穴产生过程动画演示由于共价键出现了空穴，在外加电场或其由于共价键出现了空穴，在外加电场或其它的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，它的作用下，邻近价电子就可填补到这个空位上，而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以而在这个电子原来的位置上又留下新的空位，以后其他电子又可转移到这个新的空位。这样就使后其他电子又可转移到这个新的空位

11、。这样就使共价键中出现一定的电荷迁移。共价键中出现一定的电荷迁移。空穴的移动方向空穴的移动方向和电子移动方向是相反的和电子移动方向是相反的。运载电荷的粒子称为。运载电荷的粒子称为载流子载流子(Carriers)(Carriers)。 空穴、电子导电机理空穴、电子导电机理在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U电电子子运运动动形形成成电电子子电电流流+4+4+4+4+4+4+4+4+4U在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+4+4+4+4+4+4+4+4U+4+

12、4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填价电子填补空穴而补空穴而使空穴移使空穴移动，形成动，形成空穴电流空穴电流半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示 本征半导体中虽有两种载流子，但因本征本征半导体中虽有两种载流子，但因本征载子浓度很低，导电能力很差。如在本征半导载子浓度很低，导电能力很差。如在本征半导体中掺入某种特定杂质，成为体中掺入某种特定杂质，成为杂质半导体杂质半导体后，后，其导电性能将发生质的变化。其导电性能将发生质的变化。N N型半导体：型半导体： 掺入五价杂质元素（如磷、砷）的半导体。掺入五价杂质元素（如磷、砷）的半导体。 P P型半导体：型半导体： 掺入三价杂质元素（如硼、

13、镓）的半导体。掺入三价杂质元素（如硼、镓）的半导体。 2.1.22.1.2杂质半导体杂质半导体 Extrinsic SemiconductorExtrinsic Semiconductor+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷P PN N型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4P PN N型半导体型半导体多出多出一个一个电子电子出现出现了一了一个正个正离子离子+4+4+4+4+4+4+4+4P PN N型半导体型半导体+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

14、+ + + + + +半导体中产生了大量的自由电子和正离子半导体中产生了大量的自由电子和正离子N N型半导体型半导体N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示因五价杂质原子中只有四个价电子能与周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。成自由电子。 在型半导体中在型半导体中自由电子是多数载流子自由电子是多数载流子，它主要由杂质原子提供；它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, , 由由热激发（本征激发）形成

15、。热激发（本征激发）形成。 提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为成为正离子正离子, ,因五价杂质原子可以提供电子也称因五价杂质原子可以提供电子也称为为施主杂质施主杂质。 一、型半导体一、型半导体P型半导体型半导体 B B+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4B BP型半导体型半导体 出出现现了了一一个个空空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4P型半导体型半导体 +4+4+4+4+4+4B B+4+4负离子负离子空穴空穴P型半导体型半导体 - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

16、 - - - - - - - - - - - - - - - - - -半导体中产生了大量的空穴和负离子半导体中产生了大量的空穴和负离子P型半导体型半导体 P型半导体的形成过程动画演示型半导体的形成过程动画演示因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，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。缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在型半导体中在型半导体中空穴是多数载流子空穴是多数载流子，它主要，它主要由掺杂形成；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， 由热激由热激发（本征激发）形成。发（本征激发）形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很

17、容易俘获电子，使杂质原子成为负离负离子子。三价杂质因而也称为。三价杂质因而也称为受主杂质受主杂质。 二、型半导体二、型半导体在杂质半导体中，在杂质半导体中，多数载流子多数载流子的浓度主要取的浓度主要取决于掺入的决于掺入的杂质浓度杂质浓度；而；而少数载流子少数载流子的浓度主要的浓度主要取决于取决于温度温度。（如下图）。（如下图）杂质半导体，无论是杂质半导体，无论是N N型还是型还是P P型，从总体上型，从总体上看，仍然保持着看，仍然保持着电中性电中性。在纯净的半导体中掺杂后，导电性能大大改在纯净的半导体中掺杂后，导电性能大大改善。但提高导电能力不是其最终目的。善。但提高导电能力不是其最终目的。杂

18、质半导杂质半导体的奇妙之处在于体的奇妙之处在于,N,N、P P型半导体可组合制造出型半导体可组合制造出各种各样的半导体器件各种各样的半导体器件. . 三、杂质半导体的特点三、杂质半导体的特点杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体少子少子空穴空穴P型半导体多子多子空穴空穴少子少子电子电子少子浓度少子浓度与温度有关与温度有关多子浓度多子浓度与杂质浓度有关与杂质浓度有关多子多子电子电子二极管由一个特定的二极管由一个特定的PNPN结结(PN-junction)(PN-junction)和二引脚构成。和二引脚构成。2.22.2半导体二极管半导体二极管 DiodeDiode2.2.12.2.1P

19、NPN结及其单向导电性结及其单向导电性通过掺杂工艺，把本征硅通过掺杂工艺，把本征硅( (或锗或锗) )片的一片的一边做成边做成P P型半导体，另一边做成型半导体，另一边做成N N型半导体，型半导体，这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特这样在它们的交界面处会形成一个很薄的特殊物理层，称为殊物理层，称为结结 。使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - -

20、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -通过半导体扩散工艺通过半导体扩散工艺在浓度差的作用下：在浓度差的作用下：N区的电子（多子）从区的电子（多子）从 N区向区向P区扩散区扩散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -载流子的运动载流子的运动N+ + + + + + + + + + + +

21、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -在浓度差的作用下：在浓度差的作用下： P P区的空穴（多子）从区的空穴（多子）从 P区向区向N区扩散。区扩散。这是在浓度差的作用下，两边多子互相扩散造成的。这是在浓度差的作用下，两边多子互相扩散造成的。结果在结果在P P区和区和N N区交界面上区交界面上留下了一层不能移动的正、负离子。留下了一层不能移动的正、负离子。N+ + + + + + + +

22、+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -即即PN结结空间电荷层空间电荷层（耗尽区）（耗尽区）N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

23、- - - -形成内电场形成内电场内电场方内电场方向向N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN结的内电场结的内电场一方面阻碍多子的扩散一方面阻碍多子的扩散另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移势垒势垒U0形成电位势垒形成电位势垒N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

24、 + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a. 流过流过PN结的净电流为零结的净电流为零b. PN结的厚度一定（约几个微米）结的厚度一定（约几个微米）c. 接触电位一定（约零点几伏）接触电位一定（约零点几伏）N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - -

25、- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -PN结形成过程动画演示结形成过程动画演示当当N区和区和P区的掺杂浓度不等时区的掺杂浓度不等时离子密离子密度大度大空间电荷空间电荷层较薄层较薄离子密离子密度小度小空间电荷空间电荷层较厚层较厚高掺杂浓度区高掺杂浓度区域，用域，用N+表示表示+_PN+低掺杂浓低掺杂浓度区域度区域（动画演示动画演示）一、一、PN结的形成及其内部载流子的运动结的形成及其内部载流子的运动 P型半导体和型半导体和N型半导体有机地结合在型半导体有机地结合在一起时一起时,因为因为P区一侧空穴多，区一侧空穴多，N区一侧电子区一侧

26、电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是的浓度差。于是P区中的空穴会向区中的空穴会向N区扩散，区扩散，并在并在N区被电子复合。而区被电子复合。而N区中的电子也会区中的电子也会向向P区扩散，并在区扩散，并在P区被空穴复合。这样在区被空穴复合。这样在P区和区和N区分别留下了不能移动的受主负离区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子，形成子和施主正离子，形成空间电荷区（耗尽空间电荷区（耗尽层）层）。lPNPN结中的载流子有结中的载流子有扩散、漂移扩散、漂移两种运动模式；两种运动模式；l多子参与扩散运动，由掺杂浓度决定；多子参与扩散运动，由掺杂浓度

27、决定；l少子参与扩散运动，由温度决定；少子参与扩散运动，由温度决定；l扩散运动形成的内电场，阻止多子的扩散，增强扩散运动形成的内电场，阻止多子的扩散，增强少子的漂移，最终使这两种运动达到平衡；形成少子的漂移，最终使这两种运动达到平衡；形成PNPN结。结。- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +EPNPN结正向偏置结正向偏置二、

28、二、PNPN结的单向导电性结的单向导电性1 1）PNPN结正向偏置：给结加上电压，使电压的正结正向偏置：给结加上电压，使电压的正极接极接P P区，负极接区，负极接N N区（称结正向偏置）。区（称结正向偏置）。内电场被削弱内电场被削弱PN结变窄结变窄PN结呈现低阻、导通状态结呈现低阻、导通状态多子进行扩散多子进行扩散- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内

29、内+ + + + + + +EPN结正偏动画演示结正偏动画演示可见，外电场将推动可见，外电场将推动P P区多子（空穴）向区多子（空穴）向右扩散，与原空间电荷区的负离子中和；右扩散，与原空间电荷区的负离子中和；N N区的多子（电子）向左扩散与原空间电区的多子（电子）向左扩散与原空间电荷区的正离子中和；荷区的正离子中和；结果使空间电荷区变薄，打破了原来的动结果使空间电荷区变薄，打破了原来的动态平衡。同时电源不断地向态平衡。同时电源不断地向P P区补充正电荷，区补充正电荷，向向N N区补充负电荷，其结果使电路中形成较大区补充负电荷，其结果使电路中形成较大的正向电流，由的正向电流，由P P区流向区流向

30、N N区。区。这时结对外呈现较小的阻值，处于正这时结对外呈现较小的阻值，处于正向导通状态。向导通状态。结正向偏置结正向偏置导通导通（动画演示动画演示）内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高结呈现高阻、截止状态阻、截止状态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E2）结反

31、向偏置：使电压的正极接区，负极接）结反向偏置：使电压的正极接区，负极接区（称结反向偏置）。区（称结反向偏置）。此电流称为此电流称为反向饱和电流，记为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几电流与反向电压几乎无关。乎无关。- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +EPN结

32、反偏动画演示结反偏动画演示可见，可见，外电场方向与内电场方向一致外电场方向与内电场方向一致，它，它将将N N区的多子（电子）从区的多子（电子）从PNPN结附近拉走，将结附近拉走，将P P区区的多子（空穴）从的多子（空穴）从PNPN结附近拉走，结附近拉走，使使PNPN结变厚，结变厚，呈现出很大的阻值呈现出很大的阻值，且打破了原来的动态平衡，且打破了原来的动态平衡，使漂移运动增强使漂移运动增强。由于漂移运动是少子运动，。由于漂移运动是少子运动，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，因而漂移电流很小；若忽略漂移电流，则可以则可以认为认为PNPN结截止结截止。结反向偏置结反向偏置截止截止（动画演示动画演示

33、）综上所述，综上所述，PNPN结结正向正向偏置时，正向电流很偏置时，正向电流很大，大，PNPN结处于结处于导通导通状态；状态；PNPN结结反向反向偏置时，反偏置时，反向电流很小，几乎为零，向电流很小，几乎为零，PNPN结处于结处于截止截止状态。状态。这就是这就是PNPN结的结的单向导电性单向导电性。 在在PNPN结的外面装上管壳结的外面装上管壳, ,再引出两个电极，再引出两个电极，就做成了一个二极管。其中阳极从区引出，就做成了一个二极管。其中阳极从区引出，阴极从区引出。下图为二极管的图形符号。阴极从区引出。下图为二极管的图形符号。2.2.22.2.2二极管的类型及伏安特性二极管的类型及伏安特性

34、正极正极负极负极二极管的符号二极管的符号半导体二极管实物图片：半导体二极管实物图片：1 1. .二极管的类型及结构二极管的类型及结构(1)(1)按使用的半导体材料不同分为按使用的半导体材料不同分为硅管硅管锗管锗管(2)(2)按结构形式不同分为按结构形式不同分为点接触型点接触型平面型平面型二极管的分类二极管的分类特点：特点：结面积小，所以结面积小，所以极间电容小，管子允许通过极间电容小，管子允许通过的电流小；可在高频下工作；的电流小；可在高频下工作；适用于作高频检波管和数字适用于作高频检波管和数字电路里的开关元件。电路里的开关元件。点接触型点接触型引线引线触丝触丝外壳外壳N N型锗片型锗片特点：

35、特点：结面积大，极间电容大，允许通过结面积大，极间电容大，允许通过的电流大；适合在较低频率下工作的电流大；适合在较低频率下工作, ,可用于整可用于整流电路。流电路。平面型平面型N N型硅型硅阳极引线阳极引线PNPN结结阴极引线阴极引线金锑合金金锑合金底座底座铝合金小球铝合金小球在二极管的两端加上电压在二极管的两端加上电压u uD D，然后测出流，然后测出流过二极管的电流过二极管的电流i iD D，电流与电压之间的关系曲，电流与电压之间的关系曲线线i iD Df f( (u uD D) )即是二极管的伏安特性。即是二极管的伏安特性。特性曲线分为两部特性曲线分为两部分：加正向电压时分：加正向电压时

36、的特性叫的特性叫正向特性正向特性（图中右半部分）；（图中右半部分）；加反向电压时的特加反向电压时的特性叫性叫反向特性反向特性（图（图中左半部分）中左半部分）。2.2.二极管的伏安特性二极管的伏安特性iD(mA)uD(V)UD(on)- -ISSiGe二极管的伏安特性二极管的伏安特性U(BR)(1) (1) 近似呈现为指数曲线，即近似呈现为指数曲线，即(2) (2) 有死区（有死区（i iD D00的区域的区域) )正向特性：正向特性：加正向电压时的特性叫加正向电压时的特性叫正向特性正向特性（图中右半部分）（图中右半部分）死区电压约为死区电压约为硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0.1V0.1VO

37、 Oi iD D正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区电压死区电压U U(BR)(BR)反向特性反向特性u uD D导通压降导通压降反向饱和反向饱和电流电流I Is s(3)(3)导通压降导通压降硅管硅管0.60.60.7V0.7V锗管锗管0.20.20.3V0.3V通常取近似值通常取近似值0.7V0.7V通常取近似值通常取近似值0.2V0.2VthUonU二极管完全导通后，正向压降基本维持不变二极管完全导通后，正向压降基本维持不变TDUuSDeIi 反向特性：反向特性： 加反向电压时的特性叫反向特性加反向电压时的特性叫反向特性( (图中左半部分图中左半部分) )。O Oi iD D正向特性正向

38、特性击穿电压击穿电压死区电压死区电压U U(BR)(BR)反向特性反向特性u uD D导通压降导通压降反向饱和反向饱和电流电流I Is s(1) (1) 当当时，时，(BR)(BR)D DU Uu u thUonU击穿的类型根据击穿可逆性分为击穿的类型根据击穿可逆性分为电击穿电击穿和和热击穿：热击穿：电击穿（可逆击穿）：电击穿（可逆击穿）：二极管发生反向击穿后，如果功耗二极管发生反向击穿后，如果功耗P PD D( = ( = | |U UD DI ID D| )| )不大，不大， PNPN结的温度小于允许的最高结温，降结的温度小于允许的最高结温，降低反向电压，二极管仍能正常工作。低反向电压，二

39、极管仍能正常工作。热击穿（不可逆击穿）：热击穿（不可逆击穿）：二极管发生反向击穿后，如果功耗二极管发生反向击穿后，如果功耗P PD D( = |( = |U UD DI ID D| )| )过大，过大， PNPN结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。电击穿电击穿可可分雪崩击穿分雪崩击穿(AvalancheMultiplication)(AvalancheMultiplication)和和齐纳击穿齐纳击穿(Zener Breakdown)(Zener Breakdown)。发生反向电击穿时，。发生反向电击穿时，反向电流的变化范围很大，反向电流的变化范围很大，PNPN

40、结两端电压几乎不变。结两端电压几乎不变。稳压二极管正是利用了其反向击穿这一特性。稳压二极管正是利用了其反向击穿这一特性。a. a. 齐纳击穿齐纳击穿 半导体的掺杂浓度高半导体的掺杂浓度高击穿电压低于击穿电压低于4V4V击穿电压具有负的温度系数击穿电压具有负的温度系数空间电荷层中有较强的电场空间电荷层中有较强的电场电场将电场将PNPN结中的价电子从共价键中激发出来结中的价电子从共价键中激发出来击穿的机理击穿的机理条件条件击穿的特点击穿的特点半导体的掺杂浓度低半导体的掺杂浓度低击穿电压高于击穿电压高于6V6V击穿电压具有正的温度系数击穿电压具有正的温度系数空间电荷区中就有较强的电场空间电荷区中就有

41、较强的电场电场使电场使PNPN结中的少子结中的少子“碰撞电离碰撞电离”共价键中的价电子共价键中的价电子击穿的机理击穿的机理条件条件击穿的的特点击穿的的特点b. b. 雪崩击穿雪崩击穿PNPN结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述：结正、反向特性，可用理想的指数函数来描述： TS(1)DuUDiIe TkTUq 热电压热电压 26mV 26mV（室温（室温T=300KT=300K）其中：其中： I IS S为反向饱和电流，其值与外加电压近似为反向饱和电流，其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。无关，但受温度影响很大。TS(0)DuUDDiI eu S()(0)DBRDiIUu PNPN结结

42、伏安特性方程式伏安特性方程式k k为波耳兹曼常数（为波耳兹曼常数（1.381.381023J/K1023J/K） q q为电子电荷（为电子电荷（1.61.610101919C C） 温度对二极管伏安特性的影响温度对二极管伏安特性的影响温度升高时：温度升高时：PNPN结的结的反向电流增大反向电流增大，平均温度每升高平均温度每升高1010C C，反向饱和电流增大一倍，反向特性曲线，反向饱和电流增大一倍，反向特性曲线下移；下移；正向导通电压减小，正向导通电压减小，温度每升高温度每升高1 1C C，管，管压降降低（压降降低（2-2.52-2.5）mVmV正向特性曲线将左移。正向特性曲线将左移。iu80

43、0C200C0 最大整流电流最大整流电流I I 最高反向工作电压最高反向工作电压U UR R 反向电流反向电流I I 极间电容（结电容）极间电容（结电容） 最高工作频率最高工作频率f fM M器件的参数是对其特性的定量描述，也器件的参数是对其特性的定量描述，也是我们正确使用和合理选择器件的依据。半是我们正确使用和合理选择器件的依据。半导体二极管主要参数有：导体二极管主要参数有： 2.2.32.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数指二极管长期运行时允许通过的最大指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，它是由结的结面积和正向平均电流，它是由结的结面积和外界散热条件决定的。实际应用时，二极外

44、界散热条件决定的。实际应用时，二极管的平均电流不能超过此值，并要满足散管的平均电流不能超过此值，并要满足散热条件，否则会烧坏二极管热条件，否则会烧坏二极管。二极管使用时所允许加的最大反二极管使用时所允许加的最大反向电压向电压, ,超过此值二极管就有发生超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。通常反向击穿的危险。通常取反向击穿取反向击穿电压电压U UB BR R的一半作为的一半作为U UR R 。指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。另由于反向电流是由少数载流子形成，所以另由于反向

45、电流是由少数载流子形成，所以温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使用时要注意温度的影响。用时要注意温度的影响。主要由结的结电容大小决定。主要由结的结电容大小决定。结电容越大结电容越大, ,则其允许的最高工则其允许的最高工作频率越低。作频率越低。最大整流电流最大整流电流I I: :指二极管长期运行时允许通过的最大正向指二极管长期运行时允许通过的最大正向平均电流，它是由结的结面积和外界平均电流，它是由结的结面积和外界散热条件决定的。实际应用时，二极管的散热条件决定的。实际应用时，二极管的平均电流不能超过此值，并要满足散热条平均电流不能超过此值，并要满足散热条件

46、，否则会烧坏二极管。件，否则会烧坏二极管。最高反向工作电压最高反向工作电压U UR R: :指二极管使用时所允许加的最大反向电压指二极管使用时所允许加的最大反向电压, ,超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。超过此值二极管就有发生反向击穿的危险。通常通常取反向击穿电压取反向击穿电压U UB BR R的一半作为的一半作为U UR R 。反向电流反向电流I I: :指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。指在室温下，二极管未击穿时的反向电流值。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。该电流越小，管子的单向导电性能就越好。另由于反向电流是由少数载流子形成，所以另由于反向电流是由少数载流子形成，所以温度

47、升高，反向电流会急剧增加，因而在使温度升高，反向电流会急剧增加，因而在使用时要注意温度的影响。用时要注意温度的影响。最高工作频率最高工作频率f fM M：主要由结的结电容大小主要由结的结电容大小决定。结电容越大决定。结电容越大, ,则其允许的最高工作频率则其允许的最高工作频率越低。越低。极间电容（节点容）：极间电容（节点容）：二极管的二极管的极间电容极间电容它包括它包括势垒电容势垒电容和和扩散扩散电容电容两部分。两部分。n势垒电容势垒电容C CB B由由PNPN结的空间电荷区（耗尽层）形成。它结的空间电荷区（耗尽层）形成。它与与PNPN结面积结面积S S成正比，与耗尽层厚度成反比。成正比，与耗

48、尽层厚度成反比。反向偏置电压增加，反向偏置电压增加，C CB B减小，正向偏置电压减小，正向偏置电压增加，增加，C CB B增大，增大，C CB B是非线性电容，电路上是非线性电容，电路上C CB B与结电阻并联。势垒电容在反向偏置时显与结电阻并联。势垒电容在反向偏置时显得更为重要。因为，在得更为重要。因为，在PNPN结反偏时结电阻结反偏时结电阻很大，很大，C CB B的作用不能忽视，特别是在高频时，的作用不能忽视，特别是在高频时，它对电路有较大的影响。它对电路有较大的影响。 n扩散电容扩散电容C CD D积累在积累在P P区的电子或区的电子或积累在积累在N N区的空穴随区的空穴随外加电压的变

49、化而外加电压的变化而构成了构成了PNPN结的扩散结的扩散电容电容C CD D， C CD D是非线是非线性电容，性电容，PNPN结正偏结正偏时，时，C CD D较大，较大，反偏反偏时载流子数目很少，时载流子数目很少，因此反向时扩散电因此反向时扩散电容数值很小。一般容数值很小。一般可以忽略。可以忽略。由于由于PNPN结结电容（结结电容（C CB B和和C CD D）的存在，使其在）的存在，使其在高频运用高频运用时，时，必须考虑结电容的影响必须考虑结电容的影响。PNPN结高频等效电路如下图所示，结高频等效电路如下图所示，r r结电阻结电阻C C结电容结电容当当PNPN结处于正向偏置时：结处于正向偏

50、置时：r r数值很小数值很小C C较大（主要决定于扩散电容较大（主要决定于扩散电容C CD D）。）。当当PNPN结处于反向偏置时：结处于反向偏置时：r r数值较大数值较大C C较小（主要决定于势垒电容较小（主要决定于势垒电容C CB B）。）。 2.2.4.4二极管的基本电路及其分析方法二极管的基本电路及其分析方法一、二极管正向一、二极管正向V-V- 特性的建模特性的建模1.1.理想模型理想模型 在正向偏置时，其管在正向偏置时，其管压降为压降为 0V; 0V; 而在反而在反向偏置时，认为电阻向偏置时，认为电阻无穷大无穷大。二极管理想模型二极管理想模型恒压降模型恒压降模型二极管导通后二极管导通

51、后, ,其其管压降认为是恒定管压降认为是恒定的的, ,且不随电流而变且不随电流而变化化, ,典型值是典型值是0.7V0.7V。不过，这只有当二不过，这只有当二极管的电流极管的电流i iD D近似近似等于或大于等于或大于1mA1mA时才时才是正确的。是正确的。l折线模型折线模型 二极管的管压二极管的管压降不是恒定的，而降不是恒定的，而是随着通过二极管是随着通过二极管电流的增加而增加。电流的增加而增加。V Vonon约为约为0.7V0.7VDDDivr 其中，其中，r rD D的值不是固的值不是固定不变的。定不变的。二极管折线模型二极管折线模型;exp()1;exp()1126()()DDDDDS

52、TDSDTDdDDTTDdDDvrivivvddivigdvdvVVmVrgimA l小信号模型小信号模型2.2.5 2.2.5 模型分析法应用举例模型分析法应用举例1.1.二极管电路静态工作情况分析二极管电路静态工作情况分析例例2-12-1 设二极管电路如图设二极管电路如图(a)(a)所示，所示，R R =10k=10k，图，图(b)(b)是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电是它的习惯画法。对于下列两种情况，求电路的路的i iD D和和v vD D的值：（要求在每种情况下，分别应的值：（要求在每种情况下，分别应用理想模型、恒压降模型和折线模型用理想模型、恒压降模型和折线模型r rD D=2

53、00=200求求解）解）（1 1）V VDDDD=10V=10V；（2 2）V VDDDD=1V=1V。 使用理想模型图使用理想模型图(c)(c)得得 使用恒压降模型图使用恒压降模型图(d)(d)得得 使用折线模型图使用折线模型图(e)(e)得得100.70.92100.2DDonDDVVimARr 解：解：（1 1）V VDDDD=10V=10V010101DDDDviVRVkmA 0.7()9.3100.93DDDDDvViVvRVkmA 0.70.70.92 0.20.89DD DvVi rVV (2) (2) V VDDDD=1V=1V 使用理想模型得使用理想模型得 使用恒压降模型得使

54、用恒压降模型得 使用折线模型得使用折线模型得mARVivDDDD1 . 010/1/0 mARvViVvDDDDD03. 010/ )7 . 01(/ )(7 . 0 VriVvmArRVViDDonDDonDDD706. 02 . 0029. 07 . 0029. 02 . 0107 . 01 l限幅电路限幅电路 在电子技术中，常用限幅在电子技术中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输一部分。围内，有选择地传输一部分。例例2-2 2-2 限幅电路限幅电路 V V2 2 v vi i 7V 7V， a

55、 aU U为正值；为正值；U UZ Z 4V U4V UZ Z 7V 7V， a aU U值较小，稳压性能稳定。值较小，稳压性能稳定。5. 5. 额定功率额定功率Z Z指稳压管工作电压指稳压管工作电压U UZ Z与最大工作电流与最大工作电流I IZmaxZmax的乘积的乘积. .Z Z= U= UZ Z I IZmaxZmax 额定功率决定于稳压管允许的温升。额定功率决定于稳压管允许的温升。稳压管电路分析：稳压管电路分析：1. 1. 限流电阻的计算限流电阻的计算(1) (1) 当当输入电压最小输入电压最小，负载电流最大负载电流最大时，流过稳时，流过稳压二极管的电流最小。此时压二极管的电流最小。

56、此时I IZ Z不应小于不应小于I IZminZmin，由此，由此可计算出可计算出限流电阻的最大值限流电阻的最大值。即。即LmaxZminZIminmax=IIUUR +UDziLRz-oU-+RUIZILI稳压管工作在稳压管工作在反向击穿区反向击穿区必须限制稳压管电必须限制稳压管电流流, ,以免烧坏管子以免烧坏管子负载与稳负载与稳压管并联压管并联(2) (2) 当当输入电压最大输入电压最大，负载电流最小负载电流最小时，流过稳时，流过稳压二极管的电流最大。此时压二极管的电流最大。此时I IZ Z不应超过不应超过I IZmaxZmax，由此，由此可计算出可计算出限流电阻的最小值限流电阻的最小值。

57、即。即LminZmaxZImaxmin=IIUUR +UDziLRz-oU-+RUIZILI所以：所以：minminR RR Rmaxmax2. 2. 负载电阻的计算负载电阻的计算当当输入电压一定输入电压一定时，时，保证保证I IZ Z不小于不小于I IZminZmin，需，需 R RL LRRLminLmin保证保证I IZ Z不大于不大于I IZmaxZmax，需需 R RL LR集电区掺杂浓度。集电区掺杂浓度。(3)(3)基区要制造得很薄且浓度很低。基区要制造得很薄且浓度很低。箭头的方向代表电流的方向箭头的方向代表电流的方向2.3.12.3.1三极管的结构三极管的结构三极管内部存在两三极

58、管内部存在两个个PNPN结，表面看来，似结，表面看来，似乎相当于两个二极管背乎相当于两个二极管背靠背地串联在一起，如靠背地串联在一起，如右图右图( (以以NPNNPN型为例型为例) )。但是将两个单独的二极但是将两个单独的二极管这样连接起来后它们管这样连接起来后它们并不具有放大作用。并不具有放大作用。三极管的放大作用三极管的放大作用, ,必须由其必须由其内部结构内部结构和和外外部电压条件部电压条件来保证。来保证。2.3.22.3.2三极管的放大作用和载流子的运动三极管的放大作用和载流子的运动a) a) 发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度最高最高，因而其中的多数载流，因而其中的多数载流子浓度很高。子浓

59、度很高。b) b) 基区做得很基区做得很薄薄，而且掺杂浓度，而且掺杂浓度最低最低，即基区，即基区中多子浓度很低。中多子浓度很低。c) c) 集电结结面积集电结结面积比较大比较大，且集电区多子浓度远，且集电区多子浓度远比发射区多子浓度低。比发射区多子浓度低。作用：发射载流子作用：发射载流子作用：传送和控制载流子作用：传送和控制载流子作用：收集载流子作用：收集载流子1. 1. 内部结构内部结构b) b) 集电结反偏：集电结反偏：NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c c区区b b区区e e区区+ +U UCECE U UBEBEU UCBCB 0 0由由V VBBBB保证。保证

60、。由由V VCCCC、 V VBBBB保证。保证。三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。( (放大状态放大状态) )：a) a) 发射结正偏：发射结正偏：BBEBBEUUUUBECECBUUU 0 02. 2. 外部条件外部条件(1) (1) 因为发射结正因为发射结正偏偏, ,所以发射区向基所以发射区向基区注入电子，形成了区注入电子，形成了扩散电流扩散电流I IENEN 。同时。同时从基区向发射区也有从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形空穴的扩散运动，形成的电流为成的电流为I IEPEP。但其。但其数量小，可忽略。所数量小，可忽略。所以以发射极电流发射