第1节晶体二极管

1、第二章第二章 放大器的基本原理放大器的基本原理第一节第一节 晶体二极管晶体二极管第二节第二节 晶体三极管晶体三极管第三节第三节 基本放大电路基本放大电路第四节第四节 射极输出器射极输出器第五节第五节 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路第一节第一节 晶体二极管晶体二极管一、半导体的导电性一、半导体的导电性二、二、PN结及其单向导电性结及其单向导电性三、晶体二极管及其特性三、晶体二极管及其特性*四、特殊二极管四、特殊二极管*一、半导体的导电性一、半导体的导电性 1. 半导体半导体(semiconductor) 半导体的物理特性半导体的物理特性 物质根据其导电性能分为物质根据其导电性能分为 导

2、导 体体 绝缘体绝缘体 半导体半导体半导体的导电能力具有独特的性质。半导体的导电能力具有独特的性质。温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加； 在纯净半导体材料中加入微量的在纯净半导体材料中加入微量的“杂质杂质”元素，它的元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；电导率就会成千上万倍地增长； 纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。 简化原子结构模型如图的简化形式。简化原子结构模型如图的简化形式。+4惯性核惯性核价电子价电子硅和锗的简化原子模型硅和锗的简化原子模型半导体的晶体结构半导体的晶体结构 单晶半导体结

3、构特点单晶半导体结构特点 共价键共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。价电子对所构成的联系。 晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键2.2.半导体的导电原理半导体的导电原理 本征半导体本征半导体（Intrinsic Semiconductor） 纯净的、结构完整的单晶半导体，纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。称为本征半导体。 物质导电能力的大小取决于其中能参与物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子导电的粒子载流子的多少。载流子的多少。 在本征半导体中，激发出一

4、个自由电子，同时便在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。为电子空穴对。 本征激发（本征激发（Intrinsic Excitation） 产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。 空穴的运动实空穴的运动实质上是价电子质上是价电子填补空穴而形填补空穴而形成的。成的。BA空穴自由电子自由电子晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键共价键 由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，由于空穴带正电荷，且可以在原子

5、间移动，因此，空穴是一种载流子因此，空穴是一种载流子( (carrier) )。 半导体中有两种载流子：自由电子载流子半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），（简称电子）和空穴载流子（简称空穴）， 它们均可在电场作用下形成电流。它们均可在电场作用下形成电流。 杂质半导体杂质半导体l本征半导体的电导率很小，而且受温度和光本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。体器件。 l本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。入微量

6、元素，导电能力显著提高。 l掺入的微量元素掺入的微量元素“杂质杂质”。 l掺入了掺入了“杂质杂质”的半导体称为的半导体称为“杂质杂质”半导体。半导体。常用的杂质元素常用的杂质元素 三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑 通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型半导体和型半导体和P型半导体。型半导体。 N型半导体型半导体(Negative Type Semiconductor )l在本征半导体中加入微量的五价元素，在本征半导体中加入微量的五

7、价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成形成N型半导体。型半导体。 l掺入的五价杂质原子占据晶体中某些硅掺入的五价杂质原子占据晶体中某些硅（或锗）原子的位置。如图所示。（或锗）原子的位置。如图所示。N型半导体晶体结构示意图型半导体晶体结构示意图 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共价键共价键 掺入五价原子掺入五价原子掺入五价掺入五价原子占据原子占据Si原子位置原子位置 在 室 温 下在 室 温 下就可以激发就可以激发成成自由电子自由电子 P型半导体型半导体(Positive Type Semiconductor ) 在本征半导体中加入

8、微量的三价元素，可使在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。型半导体。 空位空位AP型半导体晶体结型半导体晶体结构示意图构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键共价键空位吸引邻近空位吸引邻近原子的价电子填原子的价电子填充，从而留下一充，从而留下一个空穴。个空穴。在在P型半导体型半导体中，中，空穴数等于空穴数等于负离子数与自由负离子数与自由电子数之和电子数之和，空，空穴带正电，负离穴带正电，负离子和自由电子带子和自由电子带负电，整块半导负电，整块半导体中正负电荷量体中正负电荷量相等，保持电中相等，保持电中性。性。

9、 载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 漂移运动漂移运动 有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。漂移运动产生的电流称为动，称为漂移运动。漂移运动产生的电流称为漂移电流。漂移电流。 扩散扩散运动运动 由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动，载流子扩散运动所形成的电流称为扩散动，载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。电流。二、二、 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 PN结结( (PN Junction ) )： 是指在是指在P型半导体和型半导体和N型半导体的交界处形型半导体的交界处形成

10、的空间电荷区。成的空间电荷区。 PN结是构成多种半导体器件的基础。结是构成多种半导体器件的基础。 二极管的核心是一个二极管的核心是一个PN结；三极管中包含结；三极管中包含了两个了两个PN结。结。 l浓度差引起载流子的扩散。浓度差引起载流子的扩散。 1. PN结的形成结的形成 l扩散的结果形成自建电场。扩散的结果形成自建电场。空间电荷区也称作空间电荷区也称作 “耗尽区耗尽区” “势垒区势垒区” 自建电场阻止扩散，加强漂移。自建电场阻止扩散，加强漂移。 动态平衡。动态平衡。 扩散扩散=漂移漂移 2.2.PN结的导电特性结的导电特性 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结外加正向电压结外加正向电压

11、 如图所示，电源的正极如图所示，电源的正极接接P区，负极接区，负极接N区，这区，这种接法叫做种接法叫做PN结加正向结加正向电压或正向偏置。电压或正向偏置。lPN结外加正向电压时（结外加正向电压时（P正、正、N负），空间负），空间电荷区变窄。电荷区变窄。 l不大的正向电压，产生相当大的正向电流。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。 l外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。 PN结外加反向电压结外加反向电压 电源的正极接电源的正极接N区，负极接区，负极接P区，这种接区，这种接法叫做法叫做PN结加反向电压或反向偏置。结加反向电压或反向偏置。 lPN结加反向电压

12、时，空间电荷区变宽，自结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 l反向电流很小，它由少数载流子形成，与少反向电流很小，它由少数载流子形成，与少子浓度成正比。子浓度成正比。 l少子少子的值与外加电压无关，因此反向电流的的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。饱和电流。 l温度升高时，少子值迅速增大，所以温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结结的反向电流受温度影响很大。的反向电流受温度影响很大。PN结的反向击穿结的反向击穿 l 加大加大PN结的反向电压结

13、的反向电压到某一值时，反向电到某一值时，反向电流突然剧增，这种现流突然剧增，这种现象称为象称为PN结击穿，发结击穿，发生击穿所需的电压称生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所为击穿电压，如图所示。示。 l 反向击穿的特点：反反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电压增加很小，反向电流却急剧增加。向电流却急剧增加。UBRU（V） I（mA） 0 图图 PN结反向击穿结反向击穿 雪崩击穿、齐纳击穿雪崩击穿、齐纳击穿 雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN结中。结中。(UBR6v)齐纳击穿齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的通常发生在掺杂浓度较高的PN结中。结中。(UBR6v

14、)雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿。雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿。 热击穿热击穿 热击穿则为破坏性击穿，这时热击穿则为破坏性击穿，这时PN结的耗散功率已超结的耗散功率已超过允许值。过允许值。 三、晶体二极管及其特性三、晶体二极管及其特性1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。 (1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结电容小，用于检波和电容小，用于检波和变频等高频电路。变频等高频电路。(a)(

15、a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 PN结面积大，用于工频结面积大，用于工频大电流整流电路。大电流整流电路。(c)(c)平面型平面型 往往用于集成电往往用于集成电路制造中。路制造中。PN 结面积结面积可大可小，用于高频整可大可小，用于高频整流和开关电路中。流和开关电路中。n (3) 平面型二极管平面型二极管 n (2)面接触型二极管面接触型二极管 n(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号 (b)(b)面接触型面接触型阳极阳极阴极阴极半导体二极管图片半导体二极管图片2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示t

16、 (a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）0 1 2 -100 -200 20 40 60 80 -20 -10 -30 （uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲线伏安特性曲线iD（mA）uD（V）0 0.4 -40 -80 20 40 80 -0.2 -0.1 -0.3 60 0.8 IS ：反向饱和电流：反向饱和电流UT ：温度的电压当量：温度的电压当量在常温在常温( (300 K) )下，下， UT 26 mV 正向特性正向特性 死区电压：硅管死区电压

17、：硅管 0.5V 锗管锗管 0.1V 线性区：硅管线性区：硅管 0.6V1V 锗管锗管 0.2V0.5V 对温度变化敏感：对温度变化敏感： 温度升高温度升高正向特性曲线左移正向特性曲线左移 温度每升高温度每升高1正向压降正向压降 减小约减小约2mV。 (a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD 反向特性反向特性 反向电流：很小。反向电流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安 受温度影响大：受温度影响大： 温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。 反向击穿特性反向击穿特性 反向击穿反向击穿UBR:几十伏以

18、上。几十伏以上。 (a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性反向击反向击穿特性穿特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性3. 二极管的主要参数二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF 最大反向工作电压最大反向工作电压UR 反向电流反向电流I IR R 最高工作频率最高工作频率fM 理想二极管等效电路理想二极管等效电路uDiD0 DK理想二极管等效电路理想二极管等效电路 可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。管理想化为一个开关，如图所示。4. 二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 考虑正向压降的等效电路

19、考虑正向压降的等效电路l 近似认为二极管正向导通时有一个固定的管近似认为二极管正向导通时有一个固定的管压降压降UD（硅管取（硅管取0.7V，锗管取，锗管取0.2V），于是），于是可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。 l 当外加电压当外加电压U0且且uUR+UD时，时，二极管二极管D导通，开关闭合，输出电压导通，开关闭合，输出电压uO = UR十十UD。 当当uUR+UD时，二极管时，二极管D截止，开关断开，输出截止，开关断开，输出电压电压uO=u。（b） 画出画出uO的波形。电路将输出电压限制在的波形。电路将输出电压限制在UR+UD以以下，可以采用理

20、想二极管等效电路来进行分析，下，可以采用理想二极管等效电路来进行分析，那么那么uO的波形将近似在的波形将近似在UR电压以上削顶。电压以上削顶。（b）ZZZIUr（c）1. 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管亦称齐纳二极管稳压二极管亦称齐纳二极管(Zener Diode)，与一般二极管不同之处是它正常工作在与一般二极管不同之处是它正常工作在PN结结的反向击穿区。因其具有稳定电压作用，故的反向击穿区。因其具有稳定电压作用，故称为稳压管（称为稳压管（Voltage Regulator）。）。 四、特殊二极管四、特殊二极管 它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工它的伏安特性与二极管基本相同，只是

21、稳压管正常工作时是利用特性曲线的反向击穿区。作时是利用特性曲线的反向击穿区。 电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压管就是利用这一特性工作的。管就是利用这一特性工作的。 U I OUZ IZ UZ IZ IZM （b）阴极阴极阳极阳极（a）稳压管的符号和特性曲线如图所示。稳压管的符号和特性曲线如图所示。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 UZ是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。 同一型号的管子，稳定电压值有一定的分散性。同一型号的管子，稳定电压值有一定的分散性。(2)稳定电流

22、稳定电流IZ 稳定电流稳定电流IZ是稳压管工作时的参考电流数值，是稳压管工作时的参考电流数值，手册上给出的稳定电压和动态电阻都是指在这手册上给出的稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。个电流下的值。 (3)动态电阻动态电阻rZ rZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化量与相应电流变化量之比即电压的变化量与相应电流变化量之比即 rZ越小，表示稳压作用越好。一个稳压管越小，表示稳压作用越好。一个稳压管rZ的大的大小与工作电流有关，工作电流越大，小与工作电流有关，工作电流越大，rZ越小。越小。(4)额定功耗额定功耗PZM PZM是由管子允许温升限定的最大功率

23、损耗。是由管子允许温升限定的最大功率损耗。 (5)电压温度系数电压温度系数 l 温度变化温度变化1时，稳定电压变化的百分数，定义为电时，稳定电压变化的百分数，定义为电压温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。压温度系数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。l 电压温度系数越小，温度稳定性越好。电压温度系数越小，温度稳定性越好。 如前所述，如前所述，PN结加反结加反向电压时，结上呈现势垒向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压电容，该电容随反向电压绝对值增大而减小。利用绝对值增大而减小。利用这一特性制作的二极管，这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的主称为变容二极管。它的主要参数有：变容指数、结要参数有：变容指数、结电容的压控范围