第1章常用半导体器件PrelectEdition讲述

1、第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1. .1 半导体基础知识半导体基础知识1. .2 半导体二极管半导体二极管及其基本电路及其基本电路1. .3 双极型晶体管双极型晶体管第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 半导体器件，如晶体二极管、晶体三极管、MOS管以及集成电路等，是现在构成电子电路的基本元器件。本章首先介绍半导体中的载流子和PN结，然后介绍半导体二极管、双极型三极管等半导体器件的原理、特性及主要参数，并分析讨论由这些器件组成的几种简单电路。讲这些的目的是为了分析讨论由这些器件组成的电路。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 第二

2、讲 半导体基础知识一、本征半导体一、本征半导体二、杂质半导体二、杂质半导体三、三、PNPN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性四、四、PNPN结的电容效应结的电容效应第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1 半导体基础知识物体的导电性能取决于该物体内是否存在可自由移动的带电粒子及其多寡（电流是由带电粒子按一定方向移动形成的）。在常态下许多金属（如银、铜、铝等）中存在较多的能够自由移动的、带负电的自由电子，是电的良导体；而稀有气体（氦、氖、氩、氪、氙、氡）和金刚石等的最外层电子，或受原子核的束缚力很强，或受共价键的束缚力很强，很难成为自由电子，是绝缘体。导电能力介于导体和绝缘体之间的

3、物质称为半导体。常用的半导体材料硅(Si)和锗(Ge)均为IV A族元素，其原子结构如图1.1.1所示。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 图1.1.1 Si和Ge的原子结构示意图(a) Si原子；(b) Ge原子；(c) 简化原子结构模型 4惯性核价电子Ge32Si14原子核电子轨道价电子(a)(b)(c)第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1.1 本征(Intrinsic)半导体将纯净的半导体制成单晶体，如将高纯硅（质量分数可达99.999 999 999%）拉制成单晶硅，即为本征半导体。晶体中的原子形成排列整齐的点阵，称为晶格晶格。晶格中原子之间的距离非常近，每一个原子的

4、最外层的四个电子，不仅受到自身所属原子核的吸引，围绕自身所属原子核运动，还受到相邻原子核的吸引出现在相邻原子最外层电子所属轨道上，为相邻的原子核共用，即与其相邻的四个原子的最外层电子组成共价键共价键，成为稳定结构，如 图1.1.2所示。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 4共价键价电子44444444图1.1.2 本征半导体共价键结构示意图 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 半导体材料还有化合物，如GaAs 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 本征半导体共价键结构示意图 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 晶体中的共价键具有很强的结合力。在热力学温度零度（即摄氏-27

5、3.16度），价电子没有能力脱离共价键的束缚，晶体中没有能自由移动的带电粒子，半导体不能导电。但是半导体的禁带宽度较窄，在常温下，有极少数的价电子因热激发获得足够的能量脱离共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位置，称为空穴空穴，如图1.1.3所示。每个电子带一个负电荷，晶格中的原子因失去一个电子带正电，即每个空穴带一个正电荷。半导体中有两种载载流子，流子，电子和空穴。电子空穴对电子电流空穴电流载流子载流子第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 图1.1.3本征半导体中的自由电子和空穴4由于热激发而产生的自由电子44444444自由电子移走后留下的空穴第第1章章 常用半导体器件常

6、用半导体器件 本征半导体在热激发下产生电子空穴对的现象称为本征激发。在电子空穴对产生的同时，自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，两者一起消失，这种现象称为复合复合。电子空穴对的产生和复合都在不停的发生，在一定的温度下，本征激发产生的电子空穴对与复合的电子空穴对数目相等，达到动态平衡动态平衡。即在一定温度下，本征半导体中的载流子浓度载流子浓度是一定的。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也相应增多；电子空穴对的增多也增加了电子空穴对复合的机会，最终在升高的载流子浓度下达到新的动态平衡动态平衡，导电能力提高。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 同理，当温

7、度降低时，载流子的浓度降低，导电能力下降。因此，本征半导体的载流子浓度受温度的影响，是温度的函数。本征半导体载流子的浓度为 (1.1.1)式(1.1.1)表明，当T=0K时，自由电子与空穴的浓度均为0，本征半导体成为绝缘体；当温度升高时，本征半导体载流子的浓度超线性升高。这就是半导体材料的热敏性。它既是造成半导体器件温度稳定性差的原因，又可加以利用制作热敏器件。另外，半导体载流子浓度还受辐射影响，可作为光敏材料。 )2(23kTEeTKpnGO1ii第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.1.2 杂质半导体在本征半导体中掺入微量合适的杂质元素，便可得到杂质杂质半导体半导体。本征半导体中的

8、载流子是由于热激发产生的，数量很少，因此其导电能力很弱。掺入杂质元素，会使其导电性能发生显著变化。控制掺入杂质元素的浓度，就可控制杂质半导体的导电性能。电子浓度高于空穴浓度的称为N(Negative)型半导体，空穴浓度高于电子浓度的称为P(Positive)型半导体。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 一、一、N型半导体型半导体在本征硅(或锗)中掺入VA族元素（如磷P、砷As、锑Sb等），则晶格结构中某些位置由杂质原子占据。由于VA族元素原子的最外层有5个价电子，所以除了与四周硅原子形成共价键外，杂质原子还多出一个电子。这个电子不受共价键的束缚，杂质原子对这个价电子的束缚力也较弱，在常

9、温下，由于热激发，成为自由电子，而杂质原子则缺失了一个电子，又因其在晶格上，成为不能移动的正离子。但整个N型半导体是电中性的。如图1.1.4所示。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 图1.1.4N型半导体示意图 4自由电子44454444施主原子第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 由于掺入晶体的杂质原子可以提供电子，故称之为施主原施主原子子。掺入的杂质越多，自由电子的浓度就越高，导电性能就越强。N型半导体中自由电子的浓度大于空穴的浓度，因此称自由电子为多数载流子多数载流子，简称多子多子，空穴为少数载少数载流子流子，简称少子少子。 在N型半导体中，由于自由电子的浓度增加，于是增加了

10、电子与空穴复合的机会，因此在同一温度下本征激发产生的空穴的浓度降低。J.米尔曼证明了半导体中两种载流子的浓度的乘积在同一温度下是恒定值，与掺杂浓度无关，即 22iiiinpnpnp第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 因此，N型半导体中自由电子越多则空穴越少。例如，本征硅中硅原子的浓度为5.11022cm-3，掺入十亿分之一(10-9)的施主元素，则施主原子的浓度为5.11013cm-3，常温下(T=300K时)每个施主原子提供一个自由电子，于是由掺入的杂质提供的自由电子的浓度 cm-3。这个浓度远大于300K时本征硅激发产生的自由电子浓度1.431010 cm-3，所以自由电子的浓度n基

11、本上等于ND。于是空穴浓度为 cm-3。由此可见p远小于n，N型半导体中的电流基本上是自由电子的电流。此掺杂浓度的N型半导体的电阻率约为89.3cm，而本征硅300K时的电阻率约为2.14105cm。即微量的掺杂可大幅提高半导体的导电能力。13101 . 5DN61321022104)101 . 5/()1043. 1 (/DiiNnnnp第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 二、二、P型半导体型半导体 在本征硅(或锗)中掺入IIIA族元素（如硼B、铝Al、铟In等），则形成P型半导体型半导体。由于IIIA族元素原子的最外层有3个价电子，所以当它们与四周硅原子形成共价键时，就出现了一个“空

12、位”（空位为电中性）如图1.1.5所示。这些空位形成受主能级，在室温下受主能级非常接近价带顶部能级，使得价带中的价电子跃迁到受主能级，同时在价带形成空穴，而杂质原子成为不可移动的负离子。因杂质原子共价键中的空位吸收电子，故称之为受主原子受主原子。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 444434444空位受主原子图15 P型半导体示意图 硼（硼（B）3多数载流子多数载流子第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 半导体中的电流半导体中的电流在半导体中有两种电流。 一、漂移电流一、漂移电流 在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，称为漂移电流。它类似于金属导体中的传导电流。漂

13、移电流的大小将由半导体中载流子浓度、迁移速度及外加电场的强度等因素决定。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 2、扩散电流、扩散电流 在半导体中，因某种原因使载流子的浓度分布不均匀时，载流子会从浓度大的地方向浓度小的地方作扩散运动，从而形成扩散电流。 半导体中某处的扩散电流主要取决于该处载流子的浓度差(即浓度梯度)。浓度差越大，扩散电流越大，而与该处的浓度值无关。反映在浓度分布曲线上，扩散电流正比于浓度分布线上某点处的斜率。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。扩散运动使靠

14、近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区区的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。的自由电子浓度降低，产生内电场，不利于扩散运动的进行。1.1.3 PN结结一、一、PN结的形成结的形成第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 PN结的形成 因电场作用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了达到动态平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形

15、成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，而阻止扩散运动的进行。另一方面，内电场使空穴从内电场，而阻止扩散运动的进行。另一方面，内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 PN结结 / 空间电荷区空间电荷区 /阻挡层阻挡层 / 耗尽层耗尽层PN结处于平衡状态时，流过PN结的电流为0，空间电荷区有一定的宽度，并有一定的电位差Uho。空间电荷区内正、负电荷的电量相等，因此，当P区与N区掺杂浓度相等时，负离子区的宽度与正离子区的宽度也相等，称为对称结对称结；当两边掺杂浓度不相等时，掺杂浓度高的一侧的离子区较掺杂浓度低的一

16、侧的离子区窄，称为不对称结不对称结，如图1.1.7所示，第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 NP耗尽区(a)PN耗尽区(b)图1.1.7 不对称PN结+号表示掺杂浓度高。这两种结在外部特性上没有差别。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 PNPN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PNPN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移

17、电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。二、PN结的单向导电性第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性使P区电位高于N区电位的接法，称PN结外加正向电压或正向偏置(简称正偏) 。外电场的方向与内电场的方向相反，使阻挡层的势垒降低，或者说，外电场将P区的多子空穴和N区的多子自由电子推向空间电荷区，使其变窄，削弱了内电场，打破了原来的平衡，使扩散运动增强，漂移运动减弱。由于电源的作用，多子的扩散运动不断地进行，形成正向电流，PN结处于导通导通状态。由于PN结导通时其上的压降不到1V，所以在其回路中必须串接电阻以限制电流

18、，防止PN结因电流过大而烧毁。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 耗尽区内电场UUBURE图1.1.8 PN结 加正向电压时导通第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 使P区电位低于N区电位的接法，称PN结外加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图1.1.9示。此时外电场方向与内电场方向相同，使空间电荷区变宽，进一步阻止扩散运动，但加剧了漂移运动，这也打破了原来的平衡，使得参与漂移运动的少子数目多于参与扩散运动的多子数目，形成反向电流，也称为漂移电流漂移电流。由于少子的浓度很低，即使所有少子都参与漂移运动，反向电流也非常小，在近似分析中常将其忽略不计，认为PN结处于截止截止状态。 第第

19、1章章 常用半导体器件常用半导体器件 耗尽区内电场UUBURE图1.1.9 PN结加反向电压时截止第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 三、三、PN结的伏安特性结的伏安特性根据费米能级的概念和载流子的波尔兹曼分布规律，以突变结为例，可得到PN结所加端电压与流过PN结的电流的关系为(1.1.3)式中， 为反向饱和电流，q为电子的电量，k为波耳兹曼常数，T为热力学温度。记 ，则(1.1.4)由于k和q为常量，故UT为热力学温度T（K）的函数，即UT是T的电压当量，称为温度电压当量。常温下，即T=300K时， UT 26mV。这是今后常用的一个参数。 SIqkTUT) 1(kTqueIiS) 1

20、(TSUueIi第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 式(1.1.4)同样适用于扩散结。由式(1.1.4)，当PN结外加正向电压，且uUT时， ，即i随u按指数规律变化；当PN结外加反向电压，且|u|UT时(|u|U(BR)， ， ，为反向饱和电流。 图1.1.10 PN结的伏安特性 1TUueTUuSeIi 1TUueSIiui0TT UBR第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 四、四、 PN结的击穿结的击穿外加反向电压时，反向电流不仅很小，而且当反向电压超过零点几伏后，几乎全部少子皆参与导电，即反向饱和电流，因此在一定的外加电压范围内反向电流的幅值几乎不随电压的增大而增加，反向特性

21、曲线为一水平线。由于少子浓度受温度影响，所以反向饱和电流的大小主要受温度影响。但是反向电压超过U(BR)后，反向电流急剧增加，这种现象称为反向击穿反向击穿，U(BR)称为击穿电压。PN结的击穿按机理分为齐钠击穿齐钠击穿和雪崩击穿雪崩击穿两种情况。对于硅材料的PN结，反向击穿电压在7V以上的一般为雪崩击穿；4V以下的一般为齐钠击穿；47V之间的则两种情况都有。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 五、五、 PN结的电容效应结的电容效应 PN结的电容效应分为势垒电容和扩散电容。1.势垒电容图1.1.11 PN结的势垒电容(a)耗尽层的电荷随外加电压变化(b)势垒电容和外加电压的关系空间电荷区

22、空间电荷区宽窄的变化宽窄的变化电荷的积累电荷的积累与释放与释放第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 空间电荷区宽窄变化所等效的电容称为势垒电容势垒电容，用Cb表示，它与结面积、半导体材料的介电常数成正比，与空间电荷区宽度成反比。Cb具有非线性，因为空间电荷区宽度与外加电压有关。可以利用这一特性制成各种变容二极管。Cb与外加电压u的关系如图1.1.11(b) 所示，解析表达式为 式中：Cb0为外加电压u=0时的Cb值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定，Uho为空间电荷区内电场电位差，n为变容指数，与PN结的制作工艺有关。 nUuCdudQC)1 (h0b0b第第1章章 常用半导体器件常用半导

23、体器件 2. .扩散电容扩散电容正向偏置的PN结，多子在扩散过程中越过PN结到达另一区则成为另一区的少子。这种少子的积累也有电容效应。PN结处于平衡状态时的少子称为平衡少子平衡少子，PN结处于正向偏置时从P区扩散到N区的空穴和从N 扩散到P区的电子称为非平衡少子非平衡少子。当外加正向电压时，靠近耗尽层交界面处非平衡少子的浓度高，离交界面远的地方浓度低，非平衡少子的浓度自高到低逐渐衰减，直到零，形成一定的浓度梯度，如图1.1.12所示，从而形成扩散电流。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 N区耗尽区P 区x0 x0Lnnp0Qnnp(0)np 图1.1.12 P区少子浓度分布曲线 扩散路

24、程中扩散路程中电荷的积累电荷的积累与释放与释放第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用Cd表示。Cd也具有非线性，它与流过PN结的正向电流i、温度的电压当量UT以及非平衡少子的寿命 有关。i越大、 越大、UT越小，Cd就越大。Cb和Cd皆等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj = Cb + Cd (1.1.15)第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 六、六、 PN结的温度特性结的温度特性因为IS

25、是PN结加反向电压时少子的漂移运动形成的，所以，当温度升高时，热运动加剧，使更多的价电子有足够的能量挣脱共价键的束缚，从而使少子浓度明显增大。因此，参与漂移运动的少子数目增多，即IS增大。反之，当温度降低时IS减少。因此，PN结伏安特性对温度变化很敏感，温度升高，正向特性左移，反向特性下移，反向击穿电压减小，如图1.1.10中虚线所示。在室温附近，若保持正向电流不变，则温度每升高1，结电压减小约22.5mV；温度每升高10，反向饱和电流约增大一倍。 ui0TTUBR第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 第三讲第三讲 半导体二极管半导体二极管一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程三、

26、二极管的等效电路四、二极管的主要参数五、稳压二极管第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 一、二极管的组成一、二极管的组成将将PN结封装，引出两个电极，就构成二极管。结封装，引出两个电极，就构成二极管。点接触型：点接触型：结面积小，结电容小结面积小，结电容小故结允许的电流小故结允许的电流小最高工作频率高最高工作频率高面接触型：面接触型：结面积大，结电容大结面积大，结电容大故结允许的电流大故结允许的电流大最高工作频率低最高工作频率低平面型：平面型：结面积可小、可大结面积可小、可大小的工作频率高小的工作频率高大的结允许的电流大大的结允许的电流大第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 图1.2.

27、2 晶体二极管结构示意图及电路符号(c)平面型(d)电路符号阴极引线阳极引线PP型支持衬底(c)阴极阳极(d)Nak第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 二、二极管的伏安特性及电流方程 二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下锗锗Ge0.1V0.10.3V几十A)(ufi 开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常温下温度的温度的电压当量电压当量第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 从二极管的伏安特性可以反映出：从二极管的伏安特

28、性可以反映出： 1、单向导电性、单向导电性。，则若反向电压；，则若正向电压SSTeIiUuIiUuTUuT) 1e (TSUuIi正向特性为正向特性为指数曲线指数曲线反向特性为横轴反向特性为横轴的平行线的平行线第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 2 2、伏安特性受温度影响、伏安特性受温度影响T（）在电流不变情况下管压降在电流不变情况下管压降u 反向饱和电流反向饱和电流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 与PN结的温度特性一样，二极管的伏安特性对温度非常敏感。环境温度升高，二极管的正向特性曲线左移，反向特性曲

29、线下移，反向击穿电压减小，如图1.2.3所示。在室温附近，温度每升高1度，正向压降约减小22.5mV；温度每升高10度，反向电流约增大1倍。在近似分析时，仍用PN结的描述二极管的伏安特性。 ) 1(TSUueIi第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1. .2. .3 二极管的主要参数二极管的主要参数一、最大整流电流一、最大整流电流IFIF是二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流最大正向平均电流，该值与PN结面积和外部散热条件有关。在规定的散热条件下，若二极管的正向平均电流超过此值，则二极管将因结温过高而烧坏。若达不到规定的散热条件，则最大正向平均电流须小于此值。二、最高反向工作电压二

30、、最高反向工作电压URUR是二极管工作时允许外加的最大电压（最大瞬时值最大瞬时值），超过此值时，二极管有可能反向击穿损坏。通常UR为U(BR)的一半。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 三、反向电流三、反向电流IRIR是二极管未击穿时的反向电流。就是就是IS。IR越小，二极管的单向导电性越好。IR对温度非常敏感，使用时需注意IR的温度条件。四、最高工作频率四、最高工作频率fMfM是二极管工作频率的上限。当工作频率超过此限时，结电容的充放电过程将不可忽略，二极管不能很好地体现单向导电性。五、直流电阻五、直流电阻RDRD定义为二极管的直流电压与流过它的直流电流之比，即 (1.2.1) DD

31、DIUR 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 0UDuIDu(a)iQ1Q20u(b)iQi图1.2.7 二极管等效电阻的几何意义 (a)直流电阻RD(b)交流电阻rd第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 六、交流电阻六、交流电阻rdrd定义为二极管在其工作点(IDQ,UDQ)处的电压与电流的微商，即(1.2.2)rd的几何意义是二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。rd可以通过对式(1.1.4)求导得出DQDQDDDQDQDDdUIiuUIdidur,TDQTSDQDQDSDQDQDDdTDQTDUIeUIUIdueIdUIdudirUUUu,)1(,1第第1

32、章章 常用半导体器件常用半导体器件 即(1.2.3)可见rd与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K): )()(26mImVrDQdDQTdIUr 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1.2.4二极管的等效电路二极管的等效电路根据二极管的伏安特性，可以构造出几种等效电路，通常根据不同的应用场合（静态、动态、幅值大小）、不同的分析要求选用其中的一种。 二极管是一种非线性电阻(导)元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，而导通后所呈现的非线性往往是次要的折线化折线化等效电路等效电路。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1 1、将伏安特性折线化、将伏安

33、特性折线化理想理想二极管二极管近似分析近似分析中最常用中最常用理想开关理想开关导通时导通时 UD0截止时截止时IS0导通时导通时UDUon截止时截止时IS0导通时导通时i与与u成成线性关系线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！应根据不同情况选择不同的等效电路！第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 2、二极管的微变等效电路、二极管的微变等效电路当二极管外加电压为正向直流电压UD与小幅值交流电压uD之和时，若该交流电压为零时二极管电流为ID，则在uD作用下二极管的电流将在ID附近变化，变化量为iD。因此对于交流分量而言，二极管可等效为一个动态电阻rd，这就是二极管的交流电阻，称为动态电阻。

34、也就是微变等称为动态电阻。也就是微变等效电路。效电路。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 DTDDdIUiur根据电流方程，Q越高，越高，rD越小。越小。ui=0时直流电源作用时直流电源作用小信号作用小信号作用静态电流静态电流第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 因此二极管的微变等效电路实质上是以正向特性曲线上的某一点的切线代替该点及其附近小范围内的一段曲线，即以直代曲。由于二极管的正向特性为指数曲线，ID越大，rd越小，因此在用微变等效电路之前，还需用折线等效电路求出交流信号为零时的ID，才能得到微变等效电路之rd。本节涉及了二极管的三种等效电阻，rD与RD是完全不同的。在意义和

35、阻值两方面rD更接近于rd，rD适用于大信号，rd适用于小信号。RD纯粹是直流参数。用万用表电阻挡测得的二极管正向导通电阻就是对应于某一ID的RD 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 【例1.2.1】电路如图所示，ui为正弦交流信号，有效值为5mV，二极管导通电压UD约为0.7V，常温下UT约为26mV，电容C对交流信号可视为短路。试估算二极管中流过的交流电流有效值。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 解：解：分析本题需要先直流后交流。首先令 ui = 0，得到直流通路，用折线等效电路计算出ID，然后由式(1.2.3)计算rd，令直流电压等于0，得到交流通路，以rd代替交流通路中

36、的二极管，计算Id。直流：电容C对直流相当于开路。一方面由于直流电源的电压为2V，二极管导通电压UD与其相比不能忽略，不能采用理想二极管作为二极管的等效电路；另一方面二极管的rD（二极管充分导通时rDrd）远小于500，不需要采用图 (c)所示等效电路。因此采用图(b)所示的等效电路，得到 mAAUVI6 . 25003 . 15002DD第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 分析交流时二极管采用微变等效电路。由于电容C对交流相当于短路，ui直接作用于rd两端，于是iD波形是在直流分量ID的基础上叠加上与ui同频率的交流分量id， 106 . 22626mAmVImVrDdmAmVrUI5

37、 . 0105did)(sin226 . 2mAtiIidDD第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1. .2. .5二极管基本应用电路二极管基本应用电路一、二极管整流电路一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图1.2.8(a)所示。当输入一正弦波ui时，若ui的有效值Ui远大于二极管的导通电压UD，则用理想二极管模型，正半周时，二极管导通，uo=ui；负半周时，二极管截止， uo=0。其输入、输出波形见图12.8(b)。整流电路是直流电源的一个组成部分，祥见第十章，也可用于信号检测。半波整流电路还可用于调节负载功率。第第1章章 常用半导体器件常用

38、半导体器件 图1.2.8二极管半波整流电路及波形(a)电路； (b)输入、输出波形关系 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 ui0UILuoUomaxUominUIH图1.18 限幅电路的传输特性二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路限幅电路的传输特性第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 tVuiuoR(a)E2Vui/V0(b)5 5tuo/V0 52.7图1.19二极管上限幅电路及波形(a)电路(b)输入、输出波形关系第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 图1.2.9二极管低电平选择电路及波形(a)电路(E=10V)； (b)输入、输出波形关系三、二极管电平选择电路三、二极管电

39、平选择电路从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图1.2.9(a)所示。DD第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 因此，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图120(b)画出了当u1, u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作为逻辑0，由图120(b)可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。将图120(a)电路中的D1,D2反接，将E改为负值，则变为高电平选择电路。如果输入也为数字量，则该电路就变为或门电路

40、。(3rd Edition, Problem 1.5)第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 五、稳压二极管1、伏安特性、伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2、主要参数、主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 2、稳压管的主要参数稳压管的主要参数（1）稳定电压稳定电压UZ：U

41、Z是击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于半导体器件参数的分散性，同一型号的稳压管的UZ存在一定的分散性。例如，型号为2CW11的稳压管的稳定电压为3.24.5V。但就某一只管子而言，UZ的值是确定的。使用时可通过测量确定其准确值。（2）稳定电流稳定电流IZ：IZ 是稳压管工作在稳压状态时的参考电流，电流低于此值时稳压效果差，甚至根本不稳压，故也常将IZ 记作IZmin。只要不超过稳压管的额定功耗。电流愈大，稳压效果愈好。（3）额定功耗额定功耗PZM：PZM等于稳压管的稳定电压UZ与最大稳定电流IZM（或记作IZmax）的乘积。稳压管的功耗超过此值时，会因结温升高而损坏。对于一只具体的

42、稳压管，第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 可以通过其PZM的值，求出IZM的值。这是由于UZ存在一定的分散性，因此一般给出PZM值，而不是IZM值。（4）动态电阻动态电阻rz：rz是稳压管在击穿状态端电压变化量与其电流变化量之比，即UZ/IZ。rz愈小，电流变化时UZ的变化愈小，稳压管的稳压特性愈好。对于不同型号的管子，rz将不同，从几欧到几十欧。对于同一只管子，工作电流愈大，rz愈小。（5）温度系数温度系数 ： 是反映稳压值受温度影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示, 即 = UZ /T。稳压值小于4V的管子具有负温度系数（属于齐钠击穿）；稳压值大于7 V的管子具有正

43、温度系数（属于雪崩击穿）；而稳压值在47V之间的管子，温度系数非常小（齐钠击穿和雪崩击穿均有）。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 图1.2.11稳压管稳压电路 3、稳压二极管稳压电路、稳压二极管稳压电路 限流电阻限流电阻第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 限流电阻R的选择方法：由图1.2.11可知，IZ = IR IL，当Ui、RL变化时，IZ应始终满足IZmin IZRmax的结果，则说明在给定条件下，已超出所给稳压管的工作范围。这时，需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管，以满足 Rmin ICBO， 1，所以近似分析计算中常用 (1.3.8) (1.3.9)CEOBCB

44、OBEIIIII)1 ()1 ()1 (CBOCEOII)1 (BCIIBEII)1 (第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 当有输入电压uI时，晶体管的基极电流将在IB基础上叠加动态电流iB，则集电极电流也将在IC基础上叠加动态电流iC ， iC与iB之比定义为共射交流电流放大系数，即(1.3.10) 由于晶体管导通时，在较宽的电流数值范围内 基本不变，因此在近似分析中不对 与 加以区分，皆以 表示。 ICN与IE之比定义为共基直流电流放大系数 ，它是以发射极电流作为输入电流，以集电极电流作为输出电流时的电流放大系数(1.3.11)BCiiECNII第第1章章 常用半导体器件常用半导体器

45、件 带入式(1.3.2)可得(1.3.12)将式(1.3.4)、(1.3.5)代入式(1.3.11)，得到 与 的关系 或(1.3.13)当有输入电压uI时，晶体管的射极电流将在IE基础上叠加动态电流iE ，集电极电流也将在IC基础上叠加动态电流iC， iC与iE之比定义为共基交流放大系数(1.3.14)与、不加区分，皆以表示一样，与也不加区分，皆以表示。CBOECIII11)()()(BCBOBCBOBCBOBCBOCNCNIIIIIIIIIIECii第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 三、影响晶体管的电流放大系数的因素三、影响晶体管的电流放大系数的因素由式(1.3.5)、式(1.3.

46、11)有(1.3.15)(1.3.16)因此，为了增大电流放大系数需要(1)提高注入基区的非平衡少子到达集电区的比例，(2)降低注入基区的非平衡少子与空穴复合的比例，(3)降低由基区注入发射区的非平衡少子与由发射区注入基区的非平衡少子的比例。其中前两项是一回事情，需要的措施是降低基区的掺杂浓度，减少基区厚度，使基区厚度远小于扩散长度； ENEPENBNENCNBCNIIIIIIIIENEPENCNECN1IIIIII第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 后一项需要的措施是使发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。若，则 ENEPIIBNCNIIENCNII第第1章章 常用半导体器件常用半导体

47、器件 电流分配：电流分配： I IE EI IB BI IC C I IE E扩散运动形成的电流扩散运动形成的电流 I IB B复合运动形成的电流复合运动形成的电流 I IC C漂移运动形成的电流漂移运动形成的电流CBOCEOBCBC)(1 IIiiII穿透电流穿透电流集电结反向电流集电结反向电流直流电流直流电流放大系数放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数为什么基极开路集电极回为什么基极开路集电极回路会有穿透电流？路会有穿透电流？第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 AmAVViBiCUCCUBBRCRBuBEuCE共发射极特性曲线测量电路 1. .3. .3晶体管的共射特性曲线晶体管

48、的共射特性曲线第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 1、输入特性、输入特性CE)(BEBUufi 为什么为什么UCE增大曲线右移？增大曲线右移？ 对于小功率晶体管，对于小功率晶体管，UCE大于大于1V的一条输入特性曲线的一条输入特性曲线可以取代可以取代UCE大于大于1V的所有输入特性曲线。的所有输入特性曲线。为什么像为什么像PN结的伏安特性？结的伏安特性？为什么为什么UCE增大到一定值曲增大到一定值曲线右移就不明显了？线右移就不明显了？图1.3.5 硅NPN管的共射输入特性曲线第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 输入特性曲线描述以管压降UCE为参变量，基极电流iB 与发射结压降 uB

49、E之间的函数关系。当UCE = 0时，相当于集电极与发射极短路。因此，输入回路相当于两个PN结(发射结与集电结)并联，输入特性曲线与PN结的伏安特性相类似，呈指数关系，见图1.3.5中标注UCE = 0的那条曲线。当UCE增大时，由于发射区注入基区的非平衡少子有一部分越过集电结形成集电极电流iC，使得在基区参与复合运动的非平衡少子将随UCE的增大(即集电结反向电压的增大)而减少，因此要获得同样的iB，就必须加大uBE，使发射区向基区注入更多的电子，反映在输入特性上就是曲线右移，见图1.3.5中标注的UCE 1V的曲线。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 当UCEUBE时，集电结反偏，发

50、射区注入基区的电子绝大部分漂移到集电极，只有一小部分与基区的空穴复合形成基极电流IB。当UCE1V时，集电结的电场已足够强，可以将发射区注入基区的绝大部分非平衡少子都收集到集电区，因而再增大UCE，iC也不明显增大，即iB已基本不变，不同UCE值的各条输入特性曲线几乎重叠在一起。在实际应用中，对于小功率管，可以近似地用UCE大于1V任何一条曲线来代表UCE大于1V的所有曲线。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 2 2、输出特性、输出特性B)(CECIufi 是常数吗？什么是理想三极管？什么情况下是常数吗？什么是理想三极管？什么情况下 ?对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随u

51、CE变化的曲线。变化的曲线。所以输出特性是一族曲线。所以输出特性是一族曲线。 为什么为什么uCE较小时较小时iC随随uCE变变化很大？为什么进入放大状态化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？曲线几乎是横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区BiCi常量CEBCUii第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 在输出特性曲线上可以划分三个区域：放大区、截止区、饱和区，对应于三种工作状态。对于某一条曲线，当uCE从零逐渐增大时，集电结电场随之增强，收集基区非平衡少子的能力逐渐增强，因而iC也就逐渐增大。而当uCE增大到一定数值时集电结电场足以将基区非平衡少子的绝大部分收集到集电

52、区来，uCE再增大收集能力已不能明显提高，表现为曲线几乎平行于横轴，即iC几乎仅仅决定于IB。然而，曲线是略向上斜的。这是因为uCE增大，c结反向电压增大，使c结展宽，所以有效基区宽度变窄，这样基区中电子与空穴复合的机会减少，即iB要减小。在iB不变的条件下， iC略有增大。这种现象称为基区宽度调制效应。第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 三、晶体管的三种工作状态三、晶体管的三种工作状态 (1)截止区截止区：一般将输出特性曲线上IB = 0线以下的区域称为截止区。晶体管处于截止区状态的充分条件是，发射结和发射结和集电结均反向偏置集电结均反向偏置。对于NPN管，uBE ICEO时， 。2共

53、射交流电流放大系数共射交流电流放大系数 BCEOCIIIBCIIcontCEBCUii第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 3共基直流电流放大系数共基直流电流放大系数当ICEO可忽略时，4共基交流电流放大系数共基交流电流放大系数 近似分析中可以认为， ， 。应当指出，值与测试条件有关。一般来说，在iC很大或很小时，值较小。只有在iC不大、不小的中间值范围内，值才比较大，且基本不随iC而变化。因此，在查手册时应注意值的测试条件。尤其是大功率管更应强调这一点。ECNIIECIIcontCBECUii第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 二、极间反向电流二、极间反向电流1ICBO：ICBO是

54、发射极开路时集电结的反向饱和电流。2ICEO：ICEO是基极开路时集电极与发射极间的穿透电流。另外 3IEBO：IEBO是集电极开路时发射结的反向电流。三、特征频率三、特征频率fT由于晶体管中PN结结电容的存在，晶体管的交流电流放大系数是所加信号频率的函数。信号频率高到一定程度时，集电极电流与基极电流之比不但数值下降，而且产生相移（详见第五章）。|下降到1的信号频率称为特征频率fT。 CBOCEOII)1 (第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 四、极限参数四、极限参数1极间反向击穿电压晶体管的某一电极开路时，另外两个电极间所允许加的最高反向电压即为极间反向击穿电压，超过此值的管子会发生击

55、穿现象。下面是各种击穿电压的定义：U(BR)CBO是发射极开路时集电极-基极间的反向击穿电压，这是集电结所允许加的最高反向电压。U(BR)CEO是基极开路时集电极-发射极间的反向击穿电压，此时集电结承受反向电压。U(BR)EBO是集电极开路时发射极-基极间的反向击穿电压，这是发射结所允许加的最高反向电压。 第第1章章 常用半导体器件常用半导体器件 对于不同型号的管子，U(BR)CBO为几十伏到上千伏，U(BR)CEO小于U(BR)CBO，而U(BR)EBO只有1伏以下到几伏（因为发射区掺杂浓度很高且基区很薄）。此外，集电极-发射极间的击穿电压还有：b-e间接电阻时的U(BR)CER，短路时的U(BR)CES，接反向电压时的U(BR)CEX。上述各击穿电压间一般有如下关系：U(BR)