二极管及其基本电路

1、电气信息学院2010级暑期培训第一讲 二极管及其基本电路二极管及其基本电路 一般二极管肖特基二极管续流二极管发光二极管电气信息学院2010级暑期培训 二极管及其基本特性二极管及其基本特性 半导体的基本知识半导体的基本知识 PN PN结的形成及特性结的形成及特性 二极管二极管电气信息学院2010级暑期培训 半导体基本知识n半导体器件特点：半导体器件特点： 体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、体积小、重量轻、使用寿命长、输入功率小、功率转换效率高。功率转换效率高。 半导体材料半导体材料：（Semiconductor materials)(-cm )10+910-3导体导体如金属等如金属等绝缘体

2、绝缘体如橡皮、塑料等如橡皮、塑料等典型半导体：典型半导体：硅硅SiSi、锗、锗GeGe、砷化镓、砷化镓GaAsGaAs等等 半导体半导体电气信息学院2010级暑期培训电气信息学院2010级暑期培训 半导体的共价键结构半导体的共价键结构 简化模型 最外层上的电子，决定了物质的化学特性和导电性； Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子 1 1、SiSi、GeGe的原子结构的原子结构 价电子： 惯性核 电气信息学院2010级暑期培训半导体的共价键结构半导体的共价键结构 2 2、共价键、共价键硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构共价键共价键共用电子对共用电子对+4+4+4+4电气信息学院2010级暑期培训 Si

3、 Si Si Si价电子价电子电气信息学院2010级暑期培训 Si Si Si Si价电子价电子自由电子自由电子空穴空穴这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多生的自由电子便愈多自由电子自由电子电气信息学院2010级暑期培训电气信息学院2010级暑期培训电气信息学院2010级暑期培训杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，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。可使半导体的导电性发生显著变化。 N N型半导体型半导体掺入五价杂质元素（如磷）掺入五价杂质元素（如磷） P P型半

4、导体型半导体掺入三价杂质元素（如硼）掺入三价杂质元素（如硼） 掺入的杂质主要是三价或五价元素。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掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。 半导体基本知识半导体基本知识 电气信息学院2010级暑期培训 1. N1. N型半导体型半导体 多余的一个价电子因多余的一个价电子因无共价键束缚而很容易形无共价键束缚而很容易形成成自由电子自由电子。 在在N型半导体中型半导体中自由自由电子是多数载流子，电子是多数载流子，它主要由杂质原它主要由杂质原子提供子提供；空穴是少数载流子空穴是少数载流子, 由热激发形成。由热激发形成。 提供自由电子的五价杂质

5、原子因带正电荷而成为提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。多余电子多余电子硅原子硅原子SiPSiSi 五价杂质原子只有四个五价杂质原子只有四个价电子能与周围四个半导体价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键原子中的价电子形成共价键硅硅(锗锗) +磷磷 N型半导体型半导体杂质半导体杂质半导体电气信息学院2010级暑期培训 2.P2.P型半导体型半导体 在在P型半导体中型半导体中空穴是空穴是多数载流子，多数载流子，它主要由掺杂它主要由掺杂形成形成；自由自由电子是少数载流子，电子是少数载流子， 由热激发形成。由热

6、激发形成。 空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子负离子。三价杂。三价杂质质 因而也称为因而也称为受主杂质受主杂质。 因缺少一个价电子而在因缺少一个价电子而在共价键中留下一个共价键中留下一个空穴空穴。空穴空穴SiSiSiB 三价杂质原子在与三价杂质原子在与硅原子形成共价键硅原子形成共价键硅硅(锗锗) +硼硼 P型半导体型半导体杂质半导体杂质半导体电气信息学院2010级暑期培训杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法+杂质半导体杂质半导体P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体 半导体基本知识半导体基本知识 电气信息学院2010级暑期培训载流子的漂移与

7、扩散载流子的漂移与扩散 PN PN结的形成及特性结的形成及特性漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动漂移运动：由于电场作用而导致载流子的运动扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区扩散运动：载流子由高浓度区域向低浓度区 域移动的现象域移动的现象空穴的移动方向与电场方向相同电子的移动方向与电场方向相反电气信息学院2010级暑期培训P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动PNPN结的形成结的形成 电气信息学院2010级暑期培训漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E PN PN结的形成及其特性结的形成及其特性内电场越强，就使漂内电场越强，

8、就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。荷区越宽。电气信息学院2010级暑期培训漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。PNPN结的形成结的形成 PNPN结的形成及其特性结的形成及其特性电气信息学院2010级暑期培训 因浓度差因浓度差空间电荷

9、区形成内电场空间电荷区形成内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 最后最后,多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡。多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成空间电荷区杂质离子形成空间电荷区 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质, ,分别分别形成形成N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。PNPN结的形成结的形成 PN PN结结电气信息学院2010级暑期培训一、一、PN结外加正向偏置电压时的导电情况：结外加正向偏置电压时的导电情况：电源电源VF+ P- N空间电荷区厚度空

10、间电荷区厚度 内电场内电场 I扩扩 I漂漂扩散扩散 漂移漂移 正向导通状态正向导通状态、小电阻、小电阻 ，正向导通电流正向导通电流 IF I扩扩 IF PN结单向导电性结单向导电性:电气信息学院2010级暑期培训二、二、PN结加反向偏置电压时的导电情况：结加反向偏置电压时的导电情况：空间电荷区厚度空间电荷区厚度 内电场内电场 漂移漂移 扩散扩散 I漂漂 I扩扩反向截止状态，反向截止状态，大电阻大电阻反向电流反向电流 IR= I漂漂IR电源电源VR+ N- P反向反向饱和电流饱和电流IS电气信息学院2010级暑期培训PN结正偏结正偏PN结反偏结反偏电气信息学院2010级暑期培训PN结具有结具有单

11、向导电性。单向导电性。 PN结加正向电压时，结加正向电压时，正向导通正向导通： 电阻值很小，具有较大的正向导通电流，电阻值很小，具有较大的正向导通电流， 开关闭合开关闭合 PN结加反向电压时，结加反向电压时，反向截止反向截止：呈现高电阻，具有较小反向饱和电流，呈现高电阻，具有较小反向饱和电流， 开关断开开关断开电气信息学院2010级暑期培训TS(1)eDvnVDiI流过流过PN结结电流电流A反向饱反向饱和电流和电流A加在加在PN结结两端电压两端电压VVT =KT/q=26mV T=300K VD 0正正向导通向导通四、四、PN结结V-I特性表示式：特性表示式：（二极管特性方程）（二极管特性方程

12、）发射系数发射系数(1 2)电气信息学院2010级暑期培训 PN的反向击穿的反向击穿（P65） iDOVBR D 当当PN结的反向电压结的反向电压增加到一定数值时，增加到一定数值时，反反向电流突然快速增加向电流突然快速增加，此现象称为此现象称为PN结的结的反向反向击穿。击穿。反向击穿段反向击穿段PN结电容效应结电容效应（P66自学了解）自学了解）电气信息学院2010级暑期培训一一 、符号：、符号： 阳极阳极+-阴极阴极二、二、 结构：结构： （1）点接触型二极管：点接触型二极管：阳极阳极+-阴极阴极（2）面接触型二极管：）面接触型二极管：（3）平面型二极管：平面型二极管：二极管结构二极管结构:

13、 二极管（Diode)具体型号及参数参见具体型号及参数参见P72 表表3.3.1电气信息学院2010级暑期培训（V-I特性）特性）(P70)反向击穿反向击穿电压电压VBR反向特性反向特性UIPN+PN+电气信息学院2010级暑期培训定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的，第二讲第二讲 三极管的结构三极管的结构一、三极管的基本结构n它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。其结构模型及电路符号图2-1 。n三极管可以用来放大微弱的信号和作为无触点

14、开关。图2-1 三极管的结构模型和符号 从图2-1中可以看出，一个三极管的基本结构包括：三个区（发射区、集电区、基区）、两个PN结（集电结、发射结）、三个电极（基极B、发射极E、集电极C）。 三极管制作时，通常它们的基区做得很薄，且掺杂浓度低；发射区的杂质浓度则很高；集电区的面积则比发射区做得大，这是三极管实现电流放大的内部条件。2.1.1 2.1.1 三极管的结构三极管的结构三、三极管的常见外形 图2-2 常见的三极管外形一、三极管的工作条件 三极管要实现放大作用必须满足的条件是：内部条件：发射区掺杂浓度最高，基区掺杂浓度低且很薄，集电结面积大。外部条件：外加电压使发射结处于正向偏置，集电结

15、处于反向偏置。2.1.2 2.1.2 三极管的工作条件和基本组态三极管的工作条件和基本组态（1）发射区的多数载流子向基区扩散形成发射极电流IE。（2）自由电子在基区与空穴复合形成基极电流IB 。（3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子形成集电极电流IC。 三极管的电流分配关系和电流放大作用三极管的电流分配关系和电流放大作用说明：在外加电压的作用下，发射区的多数载流子（自由电子）扩散到基区后，一部分与基区多数（空穴）复合形成的基极电流IB，大部分被送到集电结边缘被集电区吸收形成电流IC，被吸收和被复合的载流子数量之比是一确定的值（），该值大小主要取决于基区的厚度和基区的掺杂（空穴）浓度，三极管

16、制成后，这个比值（）是一确定值。与外加电压基本无关。三极管的电流分配关系和电流放大作用三极管的电流分配关系和电流放大作用一、输入特性曲线 常数CEUBEBuif 实验测得NPN型三极管的共发射极放大电路的射输入特性曲线如图2-8所示。 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线图2-8 三极管的输入特性曲线 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线三极管的输入特性曲线分两种情况讨论：（1）当UCE1V时 三极管的发射结、集电结均正偏，此时的三极管相当于两个PN结的并联，曲线与二极管相似，所以增大UCE时，输入曲线明显右移。（2）当UCE1V时 集电结反偏、发射结正偏，此时再继续增大UCE特性曲线右移不明显，不同的UCE输入曲线几乎重合。 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线二、输出特性曲线 常数BIfCECui 实验测得三极管的输出特性曲线如图2-9所示。三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线图2-9 三极管的输出特性曲线2.1.4 2.1.4 三极管的伏安特性曲线三极管的伏安特性曲线由图2-9可见，三极管的工作状态分为三个区：（1）放大区工作条件：发射结正偏，集电结反偏。工作特点：基极电流的控制作用，即： =Ic/Ib恒流性特性，即iB一定时，iC基本不随uCE变化（对uCE而言，iC具有恒流性）。三极管的伏安