第1節(jié)晶體二極管

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節(jié)第一節(jié) 晶體二極管晶體二極管第二節(jié)第二節(jié) 晶體三極管晶體三極管第三節(jié)第三節(jié) 基本放大電路基本放大電路第四節(jié)第四節(jié) 射極輸出器射極輸出器第五節(jié)第五節(jié) 場效應(yīng)管及其放大電路場效應(yīng)管及其放大電路第一節(jié)第一節(jié) 晶體二極管晶體二極管一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性二、二、PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦匀?、晶體二極管及其特性三、晶體二極管及其特性*四、特殊二極管四、特殊二極管*一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性一、半導(dǎo)體的導(dǎo)電性 1. 半導(dǎo)體半導(dǎo)體(semiconductor) 半導(dǎo)體的物理特性半導(dǎo)體的物理特性 物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為物質(zhì)根據(jù)其導(dǎo)電性能分為 導(dǎo)

2、導(dǎo) 體體 絕緣體絕緣體 半導(dǎo)體半導(dǎo)體半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨特的性質(zhì)。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力具有獨特的性質(zhì)。溫度升高時，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加；溫度升高時，純凈的半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力顯著增加； 在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的在純凈半導(dǎo)體材料中加入微量的“雜質(zhì)雜質(zhì)”元素，它的元素，它的電導(dǎo)率就會成千上萬倍地增長；電導(dǎo)率就會成千上萬倍地增長； 純凈的半導(dǎo)體受到光照時，導(dǎo)電能力明顯提高。純凈的半導(dǎo)體受到光照時，導(dǎo)電能力明顯提高。 簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖的簡化形式。簡化原子結(jié)構(gòu)模型如圖的簡化形式。+4慣性核慣性核價電子價電子硅和鍺的簡化原子模型硅和鍺的簡化原子模型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu) 單晶半導(dǎo)體結(jié)

3、構(gòu)特點單晶半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特點 共價鍵共價鍵:由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成由相鄰兩個原子各拿出一個價電子組成價電子對所構(gòu)成的聯(lián)系。價電子對所構(gòu)成的聯(lián)系。 晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵共價鍵2.2.半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體（Intrinsic Semiconductor） 純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，純凈的、結(jié)構(gòu)完整的單晶半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。稱為本征半導(dǎo)體。 物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與物質(zhì)導(dǎo)電能力的大小取決于其中能參與導(dǎo)電的粒子導(dǎo)電的粒子載流子的多少。載流子的多少。 在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一

4、個自由電子，同時便在本征半導(dǎo)體中，激發(fā)出一個自由電子，同時便產(chǎn)生一個空穴。電子和空穴總是成對地產(chǎn)生，稱產(chǎn)生一個空穴。電子和空穴總是成對地產(chǎn)生，稱為電子空穴對。為電子空穴對。 本征激發(fā)（本征激發(fā)（Intrinsic Excitation） 產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。產(chǎn)生本征激發(fā)的條件：加熱、光照及射線照射。 空穴的運動實空穴的運動實質(zhì)上是價電子質(zhì)上是價電子填補空穴而形填補空穴而形成的。成的。BA空穴自由電子自由電子晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖晶體共價鍵結(jié)構(gòu)平面示意圖+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共價鍵共價鍵 由于空穴帶正電荷，且可以在原子間移動，由于空穴帶正電荷，且可以在原子

5、間移動，因此，空穴是一種載流子因此，空穴是一種載流子( (carrier) )。 半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子載流子半導(dǎo)體中有兩種載流子：自由電子載流子（簡稱電子）和空穴載流子（簡稱空穴），（簡稱電子）和空穴載流子（簡稱空穴）， 它們均可在電場作用下形成電流。它們均可在電場作用下形成電流。 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體l本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光本征半導(dǎo)體的電導(dǎo)率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導(dǎo)照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導(dǎo)體器件。體器件。 l本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻本征半導(dǎo)體的物理性質(zhì)：純凈的半導(dǎo)體中摻入微量元素，導(dǎo)電能力顯著提高。入微量

6、元素，導(dǎo)電能力顯著提高。 l摻入的微量元素?fù)饺氲奈⒘吭亍半s質(zhì)雜質(zhì)”。 l摻入了摻入了“雜質(zhì)雜質(zhì)”的半導(dǎo)體稱為的半導(dǎo)體稱為“雜質(zhì)雜質(zhì)”半導(dǎo)體。半導(dǎo)體。常用的雜質(zhì)元素常用的雜質(zhì)元素 三價的硼、鋁、銦、鎵三價的硼、鋁、銦、鎵 五價的砷、磷、銻五價的砷、磷、銻 通過控制摻入的雜質(zhì)元素的種類和數(shù)量來制成通過控制摻入的雜質(zhì)元素的種類和數(shù)量來制成各種各樣的半導(dǎo)體器件。各種各樣的半導(dǎo)體器件。 雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：雜質(zhì)半導(dǎo)體分為：N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(Negative Type Semiconductor )l在本征半導(dǎo)體中加入微量的五價元素，在本征半導(dǎo)體中加入微量的五

7、價元素，可使半導(dǎo)體中自由電子濃度大為增加，可使半導(dǎo)體中自由電子濃度大為增加，形成形成N型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 l摻入的五價雜質(zhì)原子占據(jù)晶體中某些硅摻入的五價雜質(zhì)原子占據(jù)晶體中某些硅（或鍺）原子的位置。如圖所示。（或鍺）原子的位置。如圖所示。N型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 +4 共價鍵共價鍵 摻入五價原子摻入五價原子摻入五價摻入五價原子占據(jù)原子占據(jù)Si原子位置原子位置 在 室 溫 下在 室 溫 下就可以激發(fā)就可以激發(fā)成成自由電子自由電子 P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(Positive Type Semiconductor ) 在本征半導(dǎo)體中加入

8、微量的三價元素，可使在本征半導(dǎo)體中加入微量的三價元素，可使半導(dǎo)體中的空穴濃度大為增加，形成半導(dǎo)體中的空穴濃度大為增加，形成P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 空位空位AP型半導(dǎo)體晶體結(jié)型半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)示意圖構(gòu)示意圖+4+4+4+4+4+3+4+4+4共價鍵共價鍵空位吸引鄰近空位吸引鄰近原子的價電子填原子的價電子填充，從而留下一充，從而留下一個空穴。個空穴。在在P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體中，中，空穴數(shù)等于空穴數(shù)等于負(fù)離子數(shù)與自由負(fù)離子數(shù)與自由電子數(shù)之和電子數(shù)之和，空，空穴帶正電，負(fù)離穴帶正電，負(fù)離子和自由電子帶子和自由電子帶負(fù)電，整塊半導(dǎo)負(fù)電，整塊半導(dǎo)體中正負(fù)電荷量體中正負(fù)電荷量相等，保持電中相等，保持電中性。性。

9、 載流子的漂移運動和擴散運動載流子的漂移運動和擴散運動 漂移運動漂移運動 有電場力作用時，電子和空穴便產(chǎn)生定向運有電場力作用時，電子和空穴便產(chǎn)生定向運動，稱為漂移運動。漂移運動產(chǎn)生的電流稱為動，稱為漂移運動。漂移運動產(chǎn)生的電流稱為漂移電流。漂移電流。 擴散擴散運動運動 由于濃度差而引起的定向運動稱為擴散運由于濃度差而引起的定向運動稱為擴散運動，載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散動，載流子擴散運動所形成的電流稱為擴散電流。電流。二、二、 PN結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?PN結(jié)結(jié)( (PN Junction ) )： 是指在是指在P型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界處形型半導(dǎo)體的交界處形成

10、的空間電荷區(qū)。成的空間電荷區(qū)。 PN結(jié)是構(gòu)成多種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。結(jié)是構(gòu)成多種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。 二極管的核心是一個二極管的核心是一個PN結(jié)；三極管中包含結(jié)；三極管中包含了兩個了兩個PN結(jié)。結(jié)。 l濃度差引起載流子的擴散。濃度差引起載流子的擴散。 1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成 l擴散的結(jié)果形成自建電場。擴散的結(jié)果形成自建電場?？臻g電荷區(qū)也稱作空間電荷區(qū)也稱作 “耗盡區(qū)耗盡區(qū)” “勢壘區(qū)勢壘區(qū)” 自建電場阻止擴散，加強漂移。自建電場阻止擴散，加強漂移。 動態(tài)平衡。動態(tài)平衡。 擴散擴散=漂移漂移 2.2.PN結(jié)的導(dǎo)電特性結(jié)的導(dǎo)電特性 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)外加正向電壓結(jié)外加正向電壓

11、 如圖所示，電源的正極如圖所示，電源的正極接接P區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接N區(qū)，這區(qū)，這種接法叫做種接法叫做PN結(jié)加正向結(jié)加正向電壓或正向偏置。電壓或正向偏置。lPN結(jié)外加正向電壓時（結(jié)外加正向電壓時（P正、正、N負(fù)），空間負(fù)），空間電荷區(qū)變窄。電荷區(qū)變窄。 l不大的正向電壓，產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。不大的正向電壓，產(chǎn)生相當(dāng)大的正向電流。 l外加電壓的微小變化，擴散電流變化較大。外加電壓的微小變化，擴散電流變化較大。 PN結(jié)外加反向電壓結(jié)外加反向電壓 電源的正極接電源的正極接N區(qū)，負(fù)極接區(qū)，負(fù)極接P區(qū)，這種接區(qū)，這種接法叫做法叫做PN結(jié)加反向電壓或反向偏置。結(jié)加反向電壓或反向偏置。 lPN結(jié)加反向電壓

12、時，空間電荷區(qū)變寬，自結(jié)加反向電壓時，空間電荷區(qū)變寬，自建電場增強，多子的擴散電流近似為零。建電場增強，多子的擴散電流近似為零。 l反向電流很小，它由少數(shù)載流子形成，與少反向電流很小，它由少數(shù)載流子形成，與少子濃度成正比。子濃度成正比。 l少子少子的值與外加電壓無關(guān)，因此反向電流的的值與外加電壓無關(guān)，因此反向電流的大小與反向電壓大小基本無關(guān)，故稱為反向大小與反向電壓大小基本無關(guān)，故稱為反向飽和電流。飽和電流。 l溫度升高時，少子值迅速增大，所以溫度升高時，少子值迅速增大，所以PN結(jié)結(jié)的反向電流受溫度影響很大。的反向電流受溫度影響很大。PN結(jié)的反向擊穿結(jié)的反向擊穿 l 加大加大PN結(jié)的反向電壓結(jié)

13、的反向電壓到某一值時，反向電到某一值時，反向電流突然劇增，這種現(xiàn)流突然劇增，這種現(xiàn)象稱為象稱為PN結(jié)擊穿，發(fā)結(jié)擊穿，發(fā)生擊穿所需的電壓稱生擊穿所需的電壓稱為擊穿電壓，如圖所為擊穿電壓，如圖所示。示。 l 反向擊穿的特點：反反向擊穿的特點：反向電壓增加很小，反向電壓增加很小，反向電流卻急劇增加。向電流卻急劇增加。UBRU（V） I（mA） 0 圖圖 PN結(jié)反向擊穿結(jié)反向擊穿 雪崩擊穿、齊納擊穿雪崩擊穿、齊納擊穿 雪崩擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較低的雪崩擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較低的PN結(jié)中。結(jié)中。(UBR6v)齊納擊穿齊納擊穿通常發(fā)生在摻雜濃度較高的通常發(fā)生在摻雜濃度較高的PN結(jié)中。結(jié)中。(UBR6v

14、)雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。雪崩擊穿和齊納擊穿均為電擊穿。 熱擊穿熱擊穿 熱擊穿則為破壞性擊穿，這時熱擊穿則為破壞性擊穿，這時PN結(jié)的耗散功率已超結(jié)的耗散功率已超過允許值。過允許值。 三、晶體二極管及其特性三、晶體二極管及其特性1.半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和類型 在在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管。按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。按結(jié)構(gòu)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。 (1)點接觸型二極管點接觸型二極管 PN結(jié)面積小，結(jié)結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。變頻等高頻電路。(a)(

15、a)點接觸型點接觸型 二極管的結(jié)構(gòu)示意圖二極管的結(jié)構(gòu)示意圖 PN結(jié)面積大，用于工頻結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。大電流整流電路。(c)(c)平面型平面型 往往用于集成電往往用于集成電路制造中。路制造中。PN 結(jié)面積結(jié)面積可大可小，用于高頻整可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。流和開關(guān)電路中。n (3) 平面型二極管平面型二極管 n (2)面接觸型二極管面接觸型二極管 n(4) 二極管的代表符號二極管的代表符號 (b)(b)面接觸型面接觸型陽極陽極陰極陰極半導(dǎo)體二極管圖片半導(dǎo)體二極管圖片2. 二極管的伏安特性二極管的伏安特性 二極管的伏安特性曲線可用下式表示二極管的伏安特性曲線可用下式表示t

16、 (a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性CDoBAUBRuDiD（b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲線伏安特性曲線iD（mA）uD（V）0 1 2 -100 -200 20 40 60 80 -20 -10 -30 （uA）7520（c c）2AP152AP15的的伏安特性曲線伏安特性曲線iD（mA）uD（V）0 0.4 -40 -80 20 40 80 -0.2 -0.1 -0.3 60 0.8 IS ：反向飽和電流：反向飽和電流UT ：溫度的電壓當(dāng)量：溫度的電壓當(dāng)量在常溫在常溫( (300 K) )下，下， UT 26 mV 正向特性正向特性 死區(qū)電壓：硅管死區(qū)電壓

17、：硅管 0.5V 鍺管鍺管 0.1V 線性區(qū)：硅管線性區(qū)：硅管 0.6V1V 鍺管鍺管 0.2V0.5V 對溫度變化敏感：對溫度變化敏感： 溫度升高溫度升高正向特性曲線左移正向特性曲線左移 溫度每升高溫度每升高1正向壓降正向壓降 減小約減小約2mV。 (a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性正向正向特性特性CDoBAUBRuDiD 反向特性反向特性 反向電流：很小。反向電流：很小。 硅管硅管 0.1微安微安 鍺管鍺管 幾十個微安幾十個微安 受溫度影響大：受溫度影響大： 溫度每升高溫度每升高10 反向電流增加約反向電流增加約1倍。倍。 反向擊穿特性反向擊穿特性 反向擊穿反向擊穿UBR:幾十伏以

18、上。幾十伏以上。 (a)二極管理論伏安特性二極管理論伏安特性反向擊反向擊穿特性穿特性CDoBAUBRuDiD反向反向特性特性3. 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 最大整流電流最大整流電流IF 最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR 反向電流反向電流I IR R 最高工作頻率最高工作頻率fM 理想二極管等效電路理想二極管等效電路uDiD0 DK理想二極管等效電路理想二極管等效電路 可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極可以忽略二極管的正向壓降和反向電流，把二極管理想化為一個開關(guān)，如圖所示。管理想化為一個開關(guān)，如圖所示。4. 二極管的等效電路及應(yīng)用二極管的等效電路及應(yīng)用 考慮正向壓降的等效電路

19、考慮正向壓降的等效電路l 近似認(rèn)為二極管正向?qū)〞r有一個固定的管近似認(rèn)為二極管正向?qū)〞r有一個固定的管壓降壓降UD（硅管?。ü韫苋?.7V，鍺管取，鍺管取0.2V），于是），于是可用一固定電壓源來等效正向?qū)ǖ亩O管?？捎靡还潭妷涸磥淼刃д?qū)ǖ亩O管。 l 當(dāng)外加電壓當(dāng)外加電壓U0且且uUR+UD時，時，二極管二極管D導(dǎo)通，開關(guān)閉合，輸出電壓導(dǎo)通，開關(guān)閉合，輸出電壓uO = UR十十UD。 當(dāng)當(dāng)uUR+UD時，二極管時，二極管D截止，開關(guān)斷開，輸出截止，開關(guān)斷開，輸出電壓電壓uO=u。（b） 畫出畫出uO的波形。電路將輸出電壓限制在的波形。電路將輸出電壓限制在UR+UD以以下，可以采用理

20、想二極管等效電路來進(jìn)行分析，下，可以采用理想二極管等效電路來進(jìn)行分析，那么那么uO的波形將近似在的波形將近似在UR電壓以上削頂。電壓以上削頂。（b）ZZZIUr（c）1. 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管 穩(wěn)壓二極管亦稱齊納二極管穩(wěn)壓二極管亦稱齊納二極管(Zener Diode)，與一般二極管不同之處是它正常工作在與一般二極管不同之處是它正常工作在PN結(jié)結(jié)的反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，故的反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，故稱為穩(wěn)壓管（稱為穩(wěn)壓管（Voltage Regulator）。）。 四、特殊二極管四、特殊二極管 它的伏安特性與二極管基本相同，只是穩(wěn)壓管正常工它的伏安特性與二極管基本相同，只是

21、穩(wěn)壓管正常工作時是利用特性曲線的反向擊穿區(qū)。作時是利用特性曲線的反向擊穿區(qū)。 電流改變而電壓基本不變的特性稱為穩(wěn)壓特性，穩(wěn)壓電流改變而電壓基本不變的特性稱為穩(wěn)壓特性，穩(wěn)壓管就是利用這一特性工作的。管就是利用這一特性工作的。 U I OUZ IZ UZ IZ IZM （b）陰極陰極陽極陽極（a）穩(wěn)壓管的符號和特性曲線如圖所示。穩(wěn)壓管的符號和特性曲線如圖所示。穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)： (1)穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ UZ是穩(wěn)壓管反向擊穿后的穩(wěn)定工作電壓值。是穩(wěn)壓管反向擊穿后的穩(wěn)定工作電壓值。 同一型號的管子，穩(wěn)定電壓值有一定的分散性。同一型號的管子，穩(wěn)定電壓值有一定的分散性。(2)穩(wěn)定電流

22、穩(wěn)定電流IZ 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ是穩(wěn)壓管工作時的參考電流數(shù)值，是穩(wěn)壓管工作時的參考電流數(shù)值，手冊上給出的穩(wěn)定電壓和動態(tài)電阻都是指在這手冊上給出的穩(wěn)定電壓和動態(tài)電阻都是指在這個電流下的值。個電流下的值。 (3)動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ rZ是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)管子兩端是穩(wěn)壓管在穩(wěn)定工作范圍內(nèi)管子兩端電壓的變化量與相應(yīng)電流變化量之比即電壓的變化量與相應(yīng)電流變化量之比即 rZ越小，表示穩(wěn)壓作用越好。一個穩(wěn)壓管越小，表示穩(wěn)壓作用越好。一個穩(wěn)壓管rZ的大的大小與工作電流有關(guān)，工作電流越大，小與工作電流有關(guān)，工作電流越大，rZ越小。越小。(4)額定功耗額定功耗PZM PZM是由管子允許溫升限定的最大功率

23、損耗。是由管子允許溫升限定的最大功率損耗。 (5)電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) l 溫度變化溫度變化1時，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)，定義為電時，穩(wěn)定電壓變化的百分?jǐn)?shù)，定義為電壓溫度系數(shù)。它是表示穩(wěn)壓管溫度穩(wěn)定性的參數(shù)。壓溫度系數(shù)。它是表示穩(wěn)壓管溫度穩(wěn)定性的參數(shù)。l 電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好。電壓溫度系數(shù)越小，溫度穩(wěn)定性越好。 如前所述，如前所述，PN結(jié)加反結(jié)加反向電壓時，結(jié)上呈現(xiàn)勢壘向電壓時，結(jié)上呈現(xiàn)勢壘電容，該電容隨反向電壓電容，該電容隨反向電壓絕對值增大而減小。利用絕對值增大而減小。利用這一特性制作的二極管，這一特性制作的二極管，稱為變?nèi)荻O管。它的主稱為變?nèi)荻O管。它的主要參數(shù)有：變?nèi)葜笖?shù)、結(jié)要參數(shù)有：變?nèi)葜笖?shù)、結(jié)電容的壓控范圍