半导体二极管和晶体管

第四章半导体二极管

和晶体管§4.1半导体基础知识§4.2半导体二极管§4.3晶体管§1半导体基础知识半导体－－硅（Si）、锗（Ge），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。4.1.1、本征半导体导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1、本征半导体导体－－铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。绝缘体－－惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。导电性：与杂质浓度和温度有关在绝对零度(-273℃)和没有外界影响时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。晶体中无载流子。+14284

硅原子（Silicon）+4价电子(ValenceElectron)本征半导体1.本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴

自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。动态平衡两种载流子电子空穴对产生、复合，维持动态平衡。对应的电子空穴浓度称为本征载流子浓度。外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于数目很少，故导电性很差。2、本征半导体中的两种载流子温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。热力学温度0K时不导电。4.1.2、杂质半导体

1.N型半导体磷（P）施主杂质

杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。多数载流子硼（B）受主杂质多数载流子

P型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，

1.P型半导体在电场作用下，半导体中的载流子作定向飘移运动而形成的电流。电子电流空穴电流1漂移电流(DriftCurrent)4.1.3、PN结的形成及其单向导电性2扩散电流(DiffusionCurrent)

主要取决于该处载流子浓度差（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。PN结的形成及其单向导电性扩散运动P区空穴浓度远高于N区。N区自由电子浓度远高于P区。扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。PN结的形成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PN结。即扩散过去多少多子，就有多少少子漂移过来漂移运动

由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。PN结加正向电压导通：耗尽层变窄，扩散运动加剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，PN结处于导通状态。PN结的单向导电性PN结加反向电压截止：耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似认为其截止。PN结的单向导电性PN结电流方程开启电压反向饱和电流击穿电压

当u

比UT大几倍时即呈现指数变化。

当u<0时,且|u|比UT大几倍时PN结电流方程讨论PN结的击穿特性

当反向电压超过U(BR)

后，|u|稍有增加时，反向电流急剧增大，这种现象称为PN结反向击穿(Breakdown)。iu0-U(BR)轻掺杂耗尽区较宽少子动能增大碰撞中性原子产生电子、空穴对连锁反应产生大量电子、空穴对反向电流剧增。雪崩击穿(AvalancheMultiplication)PN耗尽区+++++++++++++++外电场重掺杂耗尽区很窄强电场将中性原子的价电子直接拉出共价键产生大量电子、空穴对反向电流增大.齐纳击穿(ZenerBreakdown)PN耗尽区+++++++++++++++外电场PN结的电容效应1.势垒电容

PN结外加电压变化时，空间电荷区的宽度将发生变化，有电荷的积累和释放的过程，与电容的充放电相同，其等效电容称为势垒电容Cb。2.扩散电容

PN结外加的正向电压变化时，PN结两侧靠近空间电荷区的区域内，在扩散路程中载流子的浓度及其梯度均有变化，也有电荷的积累和释放的过程，其等效电容称为扩散电容Cd。结电容：4.2二极管一、二极管的基本结构二、二极管的伏安特性及主要参数一、二极管的组成将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管点接触型面接触型平面型一、二极管的组成二、二极管的伏安特性及电流方程材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA开启电压反向饱和电流击穿电压二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。

1.单向导电性2.伏安特性受温度影响T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性为指数曲线反向特性为横轴的平行线二极管的伏安特性：电击穿：

二极管的反向电流随外

电路变化，反向电压维

持在击穿电压附近

---稳压管由于功率过高造成破坏性的击穿---热击穿二极管的反向击穿：iu0-U(BR)二极管的等效电路及其应用由于二极管的非线性特性，当电路加入二极管时，便成为非线性电路。实际应用时可根据二极管的应用条件作合理近似，得到相应的等效电路，化为线性电路。对电子线路进行定量分析时,电路中的实际器件必须用相应的电路模型来等效表示，这称为：“建模”。1理想二极管模型2恒压降模型3折线模型二极管的等效电路及其应用理想二极管近似分析中最常用理想开关导通时UD＝0截止时IS＝0导通时UD＝Uon截止时IS＝0导通时△i与△u成线性关系应根据不同情况选择不同的等效电路！将伏安特性折线化交流小信号模型Q越高，rd越小。

当二极管在静态基础上有一动态信号作用时，则可将二极管等效为一个电阻，称为动态电阻，也就是微变等效电路。ui=0时直流电源作用小信号作用静态电流一、二极管整流电路晶体二极管电路的应用VRLuiuo(a)

电路tui

uot00(b)

输入、输出波形关系半波整流电路若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！二、稳压管稳压电路进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流

由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。限流电阻晶体二极管电路的应用1.稳定电压UZ2.额定功耗PZ击穿后流过管子的电流为规定值时，管子两端的电压值。由管子升温所限定的参数，使用时不允许超过此值。3.稳定电流IZ4.动态电阻rZ5.温度系数α在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。表示单位温度变化引起稳压值的相对变化量。一般为几欧姆到几十欧姆（越小越好）。2、稳压管稳压电路主要参数晶体二极管电路的应用u

i≥E+UD(ON)

三、二极管限幅电路晶体二极管电路的应用=5mA，R=510Ω。假定输入电压变化范围为18～24V，试确定负载电流的允许变化范围。例4.2.1在图