二極管及其基本電路

1、電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)第一講 二極管及其基本電路二極管及其基本電路 一般二極管肖特基二極管續(xù)流二極管發(fā)光二極管電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) 二極管及其基本特性二極管及其基本特性 半導(dǎo)體的基本知識半導(dǎo)體的基本知識 PN PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性 二極管二極管電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) 半導(dǎo)體基本知識n半導(dǎo)體器件特點：半導(dǎo)體器件特點： 體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉(zhuǎn)換效率高。功率轉(zhuǎn)換效率高。 半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體材料：（Semiconductor materials)(-cm )10+910-3導(dǎo)體導(dǎo)體如金屬等如金屬等絕緣體

2、絕緣體如橡皮、塑料等如橡皮、塑料等典型半導(dǎo)體：典型半導(dǎo)體：硅硅SiSi、鍺、鍺GeGe、砷化鎵、砷化鎵GaAsGaAs等等 半導(dǎo)體半導(dǎo)體電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) 半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 簡化模型 最外層上的電子，決定了物質(zhì)的化學(xué)特性和導(dǎo)電性； Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子 1 1、SiSi、GeGe的原子結(jié)構(gòu)的原子結(jié)構(gòu) 價電子： 慣性核 電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu) 2 2、共價鍵、共價鍵硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)共價鍵共價鍵共用電子對共用電子對+4+4+4+4電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) Si

3、 Si Si Si價電子價電子電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) Si Si Si Si價電子價電子自由電子自由電子空穴空穴這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭昭囟扔撸w中產(chǎn)溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多生的自由電子便愈多自由電子自由電子電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體 在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。 N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入五價雜質(zhì)元素（如磷）摻入五價雜質(zhì)元素（如磷） P P型半

4、導(dǎo)體型半導(dǎo)體摻入三價雜質(zhì)元素（如硼）摻入三價雜質(zhì)元素（如硼） 摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。摻入的雜質(zhì)主要是三價或五價元素。 摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體。 半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體基本知識 電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) 1. N1. N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 多余的一個價電子因多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形無共價鍵束縛而很容易形成成自由電子自由電子。 在在N型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中自由自由電子是多數(shù)載流子，電子是多數(shù)載流子，它主要由雜質(zhì)原它主要由雜質(zhì)原子提供子提供；空穴是少數(shù)載流子空穴是少數(shù)載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質(zhì)

5、原子因帶正電荷而成為提供自由電子的五價雜質(zhì)原子因帶正電荷而成為正離子正離子，因此五價雜質(zhì)原子也稱為因此五價雜質(zhì)原子也稱為施主雜質(zhì)施主雜質(zhì)。多余電子多余電子硅原子硅原子SiPSiSi 五價雜質(zhì)原子只有四個五價雜質(zhì)原子只有四個價電子能與周圍四個半導(dǎo)體價電子能與周圍四個半導(dǎo)體原子中的價電子形成共價鍵原子中的價電子形成共價鍵硅硅(鍺鍺) +磷磷 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) 2.P2.P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在在P型半導(dǎo)體中型半導(dǎo)體中空穴是空穴是多數(shù)載流子，多數(shù)載流子，它主要由摻雜它主要由摻雜形成形成；自由自由電子是少數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子， 由熱激發(fā)形成。由熱

6、激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為空穴很容易俘獲電子，使雜質(zhì)原子成為負(fù)離子負(fù)離子。三價雜。三價雜質(zhì)質(zhì) 因而也稱為因而也稱為受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)。 因缺少一個價電子而在因缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個共價鍵中留下一個空穴空穴?？昭昭⊿iSiSiB 三價雜質(zhì)原子在與三價雜質(zhì)原子在與硅原子形成共價鍵硅原子形成共價鍵硅硅(鍺鍺) +硼硼 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法+雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 半導(dǎo)體基本知識半導(dǎo)體基本知識 電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)載流子的漂移與

7、擴(kuò)散載流子的漂移與擴(kuò)散 PN PN結(jié)的形成及特性結(jié)的形成及特性漂移運(yùn)動：由于電場作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動漂移運(yùn)動：由于電場作用而導(dǎo)致載流子的運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū) 域移動的現(xiàn)象域移動的現(xiàn)象空穴的移動方向與電場方向相同電子的移動方向與電場方向相反電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E漂移運(yùn)動PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)漂移運(yùn)動P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E PN PN結(jié)的形成及其特性結(jié)的形成及其特性內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場越強(qiáng)，

8、就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)漂移運(yùn)動P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場E所以擴(kuò)散和漂所以擴(kuò)散和漂移這一對相反移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個區(qū)之間于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 PNPN結(jié)的形成及其特性結(jié)的形成及其特性電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) 因濃度差因濃度差空間電荷

9、區(qū)形成內(nèi)電場空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場 內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場促使少子漂移 內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散內(nèi)電場阻止多子擴(kuò)散 最后最后,多子的多子的擴(kuò)散擴(kuò)散和少子的和少子的漂移漂移達(dá)到達(dá)到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。多子的擴(kuò)散運(yùn)動多子的擴(kuò)散運(yùn)動由由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū) 在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì)在一塊本征半導(dǎo)體在兩側(cè)通過擴(kuò)散不同的雜質(zhì), ,分別分別形成形成N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。PNPN結(jié)的形成結(jié)的形成 PN PN結(jié)結(jié)電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)一、一、PN結(jié)外加正向偏置電壓時的導(dǎo)電情況：結(jié)外加正向偏置電壓時的導(dǎo)電情況：電源電源VF+ P- N空間電荷區(qū)厚度空

10、間電荷區(qū)厚度 內(nèi)電場內(nèi)電場 I擴(kuò)擴(kuò) I漂漂擴(kuò)散擴(kuò)散 漂移漂移 正向?qū)顟B(tài)正向?qū)顟B(tài)、小電阻、小電阻 ，正向?qū)娏髡驅(qū)娏?IF I擴(kuò)擴(kuò) IF PN結(jié)單向?qū)щ娦越Y(jié)單向?qū)щ娦?電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)二、二、PN結(jié)加反向偏置電壓時的導(dǎo)電情況：結(jié)加反向偏置電壓時的導(dǎo)電情況：空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度 內(nèi)電場內(nèi)電場 漂移漂移 擴(kuò)散擴(kuò)散 I漂漂 I擴(kuò)擴(kuò)反向截止?fàn)顟B(tài)，反向截止?fàn)顟B(tài)，大電阻大電阻反向電流反向電流 IR= I漂漂IR電源電源VR+ N- P反向反向飽和電流飽和電流IS電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)PN結(jié)正偏結(jié)正偏PN結(jié)反偏結(jié)反偏電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)PN結(jié)具有結(jié)具有單

11、向?qū)щ娦?。單向?qū)щ娦浴?PN結(jié)加正向電壓時，結(jié)加正向電壓時，正向?qū)ㄕ驅(qū)ǎ?電阻值很小，具有較大的正向?qū)娏?，電阻值很小，具有較大的正向?qū)娏鳎?開關(guān)閉合開關(guān)閉合 PN結(jié)加反向電壓時，結(jié)加反向電壓時，反向截止反向截止：呈現(xiàn)高電阻，具有較小反向飽和電流，呈現(xiàn)高電阻，具有較小反向飽和電流， 開關(guān)斷開開關(guān)斷開電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)TS(1)eDvnVDiI流過流過PN結(jié)結(jié)電流電流A反向飽反向飽和電流和電流A加在加在PN結(jié)結(jié)兩端電壓兩端電壓VVT =KT/q=26mV T=300K VD 0正正向?qū)ㄏ驅(qū)ㄋ?、四、PN結(jié)結(jié)V-I特性表示式：特性表示式：（二極管特性方程）（二極管特性方程

12、）發(fā)射系數(shù)發(fā)射系數(shù)(1 2)電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn) PN的反向擊穿的反向擊穿（P65） iDOVBR D 當(dāng)當(dāng)PN結(jié)的反向電壓結(jié)的反向電壓增加到一定數(shù)值時，增加到一定數(shù)值時，反反向電流突然快速增加向電流突然快速增加，此現(xiàn)象稱為此現(xiàn)象稱為PN結(jié)的結(jié)的反向反向擊穿。擊穿。反向擊穿段反向擊穿段PN結(jié)電容效應(yīng)結(jié)電容效應(yīng)（P66自學(xué)了解）自學(xué)了解）電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)一一 、符號：、符號： 陽極陽極+-陰極陰極二、二、 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： （1）點接觸型二極管：點接觸型二極管：陽極陽極+-陰極陰極（2）面接觸型二極管：）面接觸型二極管：（3）平面型二極管：平面型二極管：二極管結(jié)構(gòu)二極管結(jié)構(gòu):

13、 二極管（Diode)具體型號及參數(shù)參見具體型號及參數(shù)參見P72 表表3.3.1電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)（V-I特性）特性）(P70)反向擊穿反向擊穿電壓電壓VBR反向特性反向特性UIPN+PN+電氣信息學(xué)院2010級暑期培訓(xùn)定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，第二講第二講 三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)一、三極管的基本結(jié)構(gòu)n它是通過一定的制作工藝，將兩個PN結(jié)結(jié)合在一起的器件，兩個PN結(jié)相互作用，使三極管成為一個具有控制電流作用的半導(dǎo)體器件。其結(jié)構(gòu)模型及電路符號圖2-1 。n三極管可以用來放大微弱的信號和作為無觸點

14、開關(guān)。圖2-1 三極管的結(jié)構(gòu)模型和符號 從圖2-1中可以看出，一個三極管的基本結(jié)構(gòu)包括：三個區(qū)（發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、基區(qū)）、兩個PN結(jié)（集電結(jié)、發(fā)射結(jié)）、三個電極（基極B、發(fā)射極E、集電極C）。 三極管制作時，通常它們的基區(qū)做得很薄，且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)濃度則很高；集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大，這是三極管實現(xiàn)電流放大的內(nèi)部條件。2.1.1 2.1.1 三極管的結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)三、三極管的常見外形 圖2-2 常見的三極管外形一、三極管的工作條件 三極管要實現(xiàn)放大作用必須滿足的條件是：內(nèi)部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，基區(qū)摻雜濃度低且很薄，集電結(jié)面積大。外部條件：外加電壓使發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)

15、處于反向偏置。2.1.2 2.1.2 三極管的工作條件和基本組態(tài)三極管的工作條件和基本組態(tài)（1）發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子向基區(qū)擴(kuò)散形成發(fā)射極電流IE。（2）自由電子在基區(qū)與空穴復(fù)合形成基極電流IB 。（3）集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過來的自由電子形成集電極電流IC。 三極管的電流分配關(guān)系和電流放大作用三極管的電流分配關(guān)系和電流放大作用說明：在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（自由電子）擴(kuò)散到基區(qū)后，一部分與基區(qū)多數(shù)（空穴）復(fù)合形成的基極電流IB，大部分被送到集電結(jié)邊緣被集電區(qū)吸收形成電流IC，被吸收和被復(fù)合的載流子數(shù)量之比是一確定的值（），該值大小主要取決于基區(qū)的厚度和基區(qū)的摻雜（空穴）濃度，三極管

16、制成后，這個比值（）是一確定值。與外加電壓基本無關(guān)。三極管的電流分配關(guān)系和電流放大作用三極管的電流分配關(guān)系和電流放大作用一、輸入特性曲線 常數(shù)CEUBEBuif 實驗測得NPN型三極管的共發(fā)射極放大電路的射輸入特性曲線如圖2-8所示。 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線圖2-8 三極管的輸入特性曲線 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線三極管的輸入特性曲線分兩種情況討論：（1）當(dāng)UCE1V時 三極管的發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均正偏，此時的三極管相當(dāng)于兩個PN結(jié)的并聯(lián)，曲線與二極管相似，所以增大UCE時，輸入曲線明顯右移。（2）當(dāng)UCE1V時 集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏，此時再繼續(xù)增大UCE特性曲線右移不明顯，不同的UCE輸入曲線幾乎重合。 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線二、輸出特性曲線 常數(shù)BIfCECui 實驗測得三極管的輸出特性曲線如圖2-9所示。三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線圖2-9 三極管的輸出特性曲線2.1.4 2.1.4 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線由圖2-9可見，三極管的工作狀態(tài)分為三個區(qū)：（1）放大區(qū)工作條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。工作特點：基極電流的控制作用，即： =Ic/Ib恒流性特性，即iB一定時，iC基本不隨uCE變化（對uCE而言，iC具有恒流性）。三極管的伏安