chapter14半导体二极管和三极管2

1、1会计学chapter14半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管2 本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构束缚电子束缚电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在绝对温度在绝对温度T=0K时，时，所有的价电子都被共价键所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不紧紧束缚在共价键中，不会成为会成为自由电子自由电子，因此本因此本征半导体的导电能力很弱征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。，接近绝缘体。一. 本征半导体 本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体晶体。化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常，常

2、称为称为“九个九个9”。 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发，也称也称热激发热激发。 当温度升高或受到当温度升高或受到光的照射时，束缚光的照射时，束缚电子能量增高，有电子能量增高，有的电子可以挣脱原的电子可以挣脱原子核的束缚，而参子核的束缚，而参与导电，成为与导电，成为自由自由电子电子。自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴 自由电子产生的自由电子产生的同时，在其原来的共同时，在其原来的共价键中就出现了一个价键中就出现了一个空位，称为空位，称为空穴空穴。 可见本征激发同时产生可见本征激发同时产生电子空穴对。电子空穴对。 外加能量越高（外加能量越高（温度温度越高），产

3、生的电子空越高），产生的电子空穴对越多。穴对越多。与本征激发相反的与本征激发相反的现象现象复合复合在一定温度下，本征激发和复在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。电子空穴对的浓度一定。常温常温300K时：时：电子空穴对的浓度电子空穴对的浓度硅：硅：310cm104 . 1锗：锗：313cm105 . 2自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴电子空穴对电子空穴对自由电子自由电子 带负电荷带负电荷 电子流电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子E总电流总电流载流子载流子空穴空穴 带正电荷带正电荷

4、空穴流空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制导电机制二二. . 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为半导体称为杂质半导体杂质半导体。1.1. N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为如磷，砷等，称为N型半导体型半导体。 N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5多数载流子多数载流

5、子自由电子自由电子少数载流子少数载流子 空穴空穴+N型半导体施主离子施主离子自由电子自由电子电子空穴对电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴空穴硼原子硼原子硅原子硅原子+4+4+4+4+4+4+3+4+4多数载流子多数载流子 空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子P型半导体受主离子受主离子空穴空穴电子空穴对电子空穴对2.2. P型半导体型半导体杂质半导体的示意图杂质半导体的示意图+N型半导体多子多子电子电子少子少子空穴空穴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温度无

6、关与温度无关内电场E因多子浓度差因多子浓度差形成内电场形成内电场多子的扩散多子的扩散 空间电荷区空间电荷区 阻止多子扩散，促使少子漂移。阻止多子扩散，促使少子漂移。PNPN结合结合+P型半导体+N型半导体+空间电荷区空间电荷区多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层14.2 PN14.2 PN结结 1 . PN结的形成结的形成 动画演示少子飘移少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散多子扩散 又失去多子，耗尽层宽，又失去多子，耗尽层宽，EP型半导体+N型半导体+内电场E多子扩散电流多子扩散电流少子漂移电流少子漂移电流耗尽层耗尽层动态

7、平衡：动态平衡： 扩散电流扩散电流 漂移电流漂移电流总电流总电流0势垒势垒 UO硅硅 0.5V锗锗 0.1V2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) 加正向电压（正偏）加正向电压（正偏）电源正极接电源正极接P区，负极接区，负极接N区区 外电场的方向与内电场方向相反。外电场的方向与内电场方向相反。 外电场削弱内电场外电场削弱内电场 耗尽层变窄耗尽层变窄 扩散运动漂移运动扩散运动漂移运动多子多子扩散形成正向电流扩散形成正向电流I I F F+P型半导体+N型半导体+WER空间电荷区内电场E正向电流正向电流(2) 加反向电压加反向电压电源正极接电源正极接N区，负极接区，负极接P区区 外电场的方向

8、与内电场方向相同。外电场的方向与内电场方向相同。 外电场加强内电场外电场加强内电场 耗尽层变宽耗尽层变宽 漂移运动扩散运动漂移运动扩散运动少子漂移形成反向电流少子漂移形成反向电流I I R R+内电场+E+EW+空 间 电 荷 区+R+IRPN 在一定的温度下，由本在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是征激发产生的少子浓度是一定的，故一定的，故IR基本上与外基本上与外加反压的大小无关加反压的大小无关，所以所以称为称为反向饱和电流反向饱和电流。但。但IR与温度有关。与温度有关。 PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，电流，呈现低电阻， PN

9、结导通；结导通； PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，电流，呈现高电阻， PN结截止。结截止。 由此可以得出结论：由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。结具有单向导电性。3. PN结结的伏安特性曲线及表达式的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导，根据理论推导，PNPN结的伏安特性曲线如图结的伏安特性曲线如图正偏正偏IF（多子扩散）（多子扩散）IR（少子漂移）（少子漂移）反偏反偏反向饱和电流反向饱和电流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿反向击穿热击穿热击穿烧坏烧坏PN结结电击穿电击穿可逆可逆14.3 14.3 半导体二极管半导体二极管 二极管二

10、极管 = PN结结 + 管壳管壳 + 引线引线NP结构结构符号符号阳极阳极+阴极阴极- 二极管按结构分三大类：二极管按结构分三大类：(1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。用于检波和变频等高频电路。N型 锗正 极 引 线负 极 引 线外 壳金 属 触 丝(3) 平面型二极管平面型二极管 用于集成电路制造工艺中。用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用结面积大，用于工频大电流整流电路。于工频大电流整流电

11、路。SiO2正 极 引 线负 极 引 线N型 硅P型 硅负 极 引 线正 极 引 线N型 硅P型 硅铝 合 金 小 球底 座半导体二极管的型号半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，代表器件的类型，P为普通管，为普通管，Z为整流管，为整流管，K为开关管。为开关管。代表器件的材料，代表器件的材料，A为为N型型Ge，B为为P型型Ge， C为为N型型Si， D为为P型型Si。2代表二极管，代表二极管，3代表三极管。代表三极管。 一一 、半导体二极管的、半导体二

12、极管的VA特性曲线特性曲线 硅：硅：0.5 V 锗：锗： 0.1 V(1) 正向特性正向特性导通压降导通压降反向饱和电流反向饱和电流(2) 反向特性反向特性死区死区电压电压iu0击穿电压击穿电压UBR实验曲线实验曲线uEiVmAuEiVuA锗锗 硅：硅：0.7 V 锗：锗：0.3V例：例：IR10VE1kTS(e1)DvVDiI D非线性器件非线性器件iu0iuRLC线性器件线性器件uRi 图解法图解法:UD=VE-IR二极管的模型二极管的模型iuDU+-uiDUDU串联电压源模型串联电压源模型DUu DUu U D 二极管的导通压降。硅管二极管的导通压降。硅管 0.7V；锗管；锗管 0.3V

13、。理想二极管模型理想二极管模型ui正偏正偏反偏反偏-+iu导通压降导通压降二极管的二极管的VA特性特性-+iuiu0二极管的近似分析计算二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：例：串联电压源模型串联电压源模型mA3 . 9K1V)7 . 010(I测量值测量值 9.32mA相对误差相对误差00002 . 010032. 99.332. 9理想二极管模型理想二极管模型RI10VE1kmA10K1V10I相对误差相对误差0000710032. 932. 9100.7V利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、保护、开

14、关等。保护、开关等。1.1.整流电路整流电路 整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。流电的电路。 限幅电路是限制输出信号幅度的电路。限幅电路是限制输出信号幅度的电路。钳位电路是使输钳位电路是使输出电位钳制在某一数出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。值上保持不变的电路。设二极管为理想元件，设二极管为理想元件，当输入当输入U UA AU UB B3V3V时，二极管时，二极管V V1 1，V V2 2正偏导通，输出被正偏导通，输出被钳制在钳制在U UA A和和U UB B上，即上，即U UF F3V3V；当当U UA A0V

15、0V，U UB B3V3V，则，则V V1 1导通，输出被钳制在导通，输出被钳制在U UF FU UA A0V0V，V V2 2反偏截止反偏截止。举例：举例：二极管构成的限幅电路如图所示，二极管构成的限幅电路如图所示，R1k，UREF=2V，输入信号为，输入信号为ui。 (1)若若 ui为为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压和输出电压uo+-+UIuREFRiuO解解：（1）采用理想模型分析。）采用理想模型分析。 采用理想二极管串联电压源模型分析。采用理想二极管串联电压源模型分

16、析。mA2k12VV4REFiRUuIV2REFoUumA31k1V702VV4DREFi.RUUuI2.7V0.7VV2DREFoUUu（2）如果）如果ui为幅度为幅度4V的交流三角波，波形如图（的交流三角波，波形如图（b）所）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。型分析电路并画出相应的输出电压波形。+-+UIuREFRiuO解：解：采用理想二极管采用理想二极管模型分析。波形如图所示。模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V 采用理想二

17、极管串联采用理想二极管串联电压源模型分析，波形电压源模型分析，波形如图所示。如图所示。+-+UIuREFRiuO本题中：本题中：12=12V12=12V，34=12+4=16V34=12+4=16V，所以，所以D2D2优先导通，此时，优先导通，此时，12=-4V12=-4V，所以所以D1D1管子截止。管子截止。A0 = -4VA0 = -4V。四四. 二极管的主要参数二极管的主要参数 (1) 最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工二极管长期连续工作时，允许通过二作时，允许通过二极管的最大整流极管的最大整流电流的平均值。电流的平均值。(2) 反向击穿电压反向击穿电压UBR 二极管反向电流二

18、极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。 (3) 反向电流反向电流I IR R 在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极级；锗二极管在微安管在微安( A)级。级。当稳压二极管工作在当稳压二极管工作在反向击穿状态下反向击穿状态下,工作工作电流电流IZ在在Izmax和和Izmin之间变化时之间变化时,其两端电其两端电压近似为常数压近似为常数稳定稳定电压电压14.4 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特

19、殊二极管稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管iuUZIUIzminIzmax正向同正向同二极管二极管反偏电压反偏电压UZ 反向击穿反向击穿UZ限流电阻限流电阻+-DZ 稳压二极管的主要稳压二极管的主要 参数参数 (1) 稳定电压稳定电压UZ (2) 动态电阻动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流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。下，所对应的反向工作电压。 rZ = U / I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。 (3) (3) 最小稳定工作最小稳定工作 电流电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流，若保证稳压管击穿所对应的电流，若

20、IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。 (4) (4) 最大稳定工作电流最大稳定工作电流IZmax 超过超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。稳压管会因功耗过大而烧坏。iuUZIUIzminIzmax稳压极管的近似分析计算稳压极管的近似分析计算IR10VE1k例：例：Uz=7V UD=0.7V(107)V3mA1KI7VIR10VE1k例例:ui为幅度为幅度1 14V的交流三角波，波形如图所示，串联稳的交流三角波，波形如图所示，串联稳压管，稳压电压压管，稳压电压7V，导通电压，导通电压0.7V，分析电路并画出相应，分析电路并画出相应的输出电压波形。的输出电压波形。-0.7V-14V 14Vu

21、it7V7Vuot+-+UIuREFRiuO-0.7VR1 1KR2 1KDz1 9VDz2 4VUoUi=12V+-NPN型PNP型符号符号:-bce-ebc 三极管的结构特点三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。）发射区的掺杂浓度集电区掺杂浓度。（2）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。-NNP发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极若在放大工作状态：若在放大工作状态：发射结正偏：发射结正偏：+UCE UBEUCB集电结反偏：集电结反偏：由由VBB保证保证由由VCC、 VBB保证

22、保证UCB=UCE - UBE 0NNPBBVCCVRbRCebc共发射极接法共发射极接法c区区b区区e区区1BJT内部的载流子传输过程内部的载流子传输过程NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBINNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOI 另外，集电结区的另外，集电结区的少子形成漂移电流少子形成漂移电流ICBO。NNPBBVCCVRbRCebcIENEPIIEBICNICICBOIBCEIIIBCEOBCIIII (1)EBII三三. BJT. BJT的特性曲线（的特性曲线（共发射极接法）共发射极接法）(1) (1) 输入特性曲线输入特性曲线 iB=f(

23、uBE) uCE=const+i-uBE+-uBTCE+Ci0.40.2i(V)(uA)BE80400.80.6Bu=0VuCE 1VCEu（3）uCE 1V再增加时，曲线右移很不明显。再增加时，曲线右移很不明显。（2）当）当uCE=1V时，时， 集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，合减少， 在同一在同一uBE 电压下，电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压死区电压硅硅 0.5V锗锗 0.1V导通压降导通压降硅硅 0.7V锗锗 0.3V（1）当）当uCE=0 V时，因集电极无收集作

24、用，时，因集电极无收集作用，iC=0。（2） uCE Ic 。 （3） 当当uCE 1V后，收集电子的后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成的电子都被集电极收集，形成iC。所以。所以uCE再增加，再增加，iC基本保持不基本保持不变。变。同理，可作出同理，可作出iB=其他值的曲线。其他值的曲线。 iCCE(V)(mA)=60uAIBu=0BBII=20uABI=40uAB=80uAI=100uAIB+i-uBE+-uBTCE+Ci饱和区饱和区iC受受uCE显著控制的区域，该区域内显著控制的区域，该区域内uCE0.7 V。 此时发射结正偏，集电结也正偏。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区截止区iC接近零的区域，相当接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。的曲线的下方。 此时，发射结反偏，集电结反偏。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区放大区 曲线基本平行等距。曲线基本平行等距。此时，发此时，发 射结正偏，集电射结正偏，集电 结反偏。结反偏。 该区中有：该区中有：BCII iCIBIB=0uCE(V)(mA)=20uABI=40uABI=60uABI=80uABI=100uA饱和