半導體二極管和晶體管

1、第四章第四章 半導體二極管半導體二極管和晶體管和晶體管4.1 4.1 半導體基礎知識半導體基礎知識4.2 4.2 半導體二極管半導體二極管4.3 4.3 晶體管晶體管1 1 半導體基礎知識半導體基礎知識 半導體硅（半導體硅（SiSi）、鍺（）、鍺（GeGe），均為四價元素，它們），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。4.1.14.1.1、本征半導體、本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導體。本征半導體是本征半導體是純凈純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導體。的晶體

2、結(jié)構(gòu)的半導體。1 1、本征半導體、本征半導體 導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層最外層電子電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。 絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。導電。導電性：與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)導電性：與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)在絕對零度在絕對零度(-273)和沒有外界影響時，所有價電子都被和沒有外界影響時，所有價電子都被束縛在共價鍵

3、內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以半導體不能導束縛在共價鍵內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以半導體不能導電。晶體中無載流子。電。晶體中無載流子。+1428 4 硅原子（硅原子（Silicon）+4價電子價電子(Valence Electron)本征半導體本征半導體1.1.本征半導體的結(jié)構(gòu)本征半導體的結(jié)構(gòu)由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價

4、鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。穴對的濃度加大。動態(tài)平衡動態(tài)平衡兩種載流子兩種載流子 電子空穴對產(chǎn)生、復合，電子空穴對產(chǎn)生、復合，維持動態(tài)平衡。對應的電子空維持動態(tài)平衡。對應的電子空穴濃度稱為穴濃度稱為本征載流子濃度本征載流子濃度。 外加電場時，帶負電的自外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與由電子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于導電，且運動方向相反。由于數(shù)目很少，故導電性很差。數(shù)目很少，故導

5、電性很差。2 2、本征半導體中的兩種載流子、本征半導體中的兩種載流子 溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。熱力學溫度導電性增強。熱力學溫度0K0K時不導電。時不導電。4.1.24.1.2、雜質(zhì)半導體、雜質(zhì)半導體 1. 1. N N型半導體型半導體5磷（磷（P P） 施主雜質(zhì)施主雜質(zhì) 雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載雜質(zhì)半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多流子導電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導電性越強，實子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性可控?，F(xiàn)導電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子3硼（硼（B） 受主雜質(zhì)受主雜質(zhì)多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導體主要

6、靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強，1. P型半導體型半導體 在電場作用下，半導體中的載流子作定向飄移運動而在電場作用下，半導體中的載流子作定向飄移運動而形成的電流。形成的電流。pnIIInI電子電流空穴電流pI1 漂移電流漂移電流(Drift Current)I4.1.34.1.3、PNPN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦? 擴散電流擴散電流(Diffusion Current) 主要取決于該處載流子濃度差（即濃度梯度）。濃度主要取決于該處載流子濃度差（即濃度梯度）。濃度差越大，擴散電流越大，而與該處

7、的濃度值無關(guān)差越大，擴散電流越大，而與該處的濃度值無關(guān)。PNPN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦越Y(jié)的形成及其單向?qū)щ娦詳U散運動擴散運動P P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠高濃度遠高于于N N區(qū)。區(qū)。N N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P P區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場。PN 結(jié)的形成結(jié)的形成參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了就形成了PNPN結(jié)。結(jié)。即擴散過去多少多子，就有

8、多少少子漂移過來即擴散過去多少多子，就有多少少子漂移過來漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從成內(nèi)電場，從而阻止擴散運動的進行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。PN結(jié)加正向電壓導通：結(jié)加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，成擴散電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)。結(jié)處于導通狀態(tài)。PN 結(jié)的結(jié)的單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訮N結(jié)加反向電壓截止：結(jié)加反向電壓截

9、止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。漂移電流。由于電流很小，故可近似認為其截止。PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)電流方程結(jié)電流方程)1(/TUuseIi開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓 當u 比UT大幾倍時,/TUusseIi即呈現(xiàn)指數(shù)變化指數(shù)變化。 當u0 時,且|u|比UT大幾倍時ssIi)1(/TUuseIi時，當mVu1001554/ eeTUuPN結(jié)電流方程討論結(jié)電流方程討論PN結(jié)的擊穿特性結(jié)的擊穿特性 當反向電壓超過當反向電壓超過 U( BR )

10、 后，后， |u| 稍有增加時，反向電流急劇稍有增加時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)結(jié)反向擊穿反向擊穿(Breakdown)。iu0-U(BR)輕摻雜輕摻雜耗盡區(qū)較耗盡區(qū)較寬寬少子動能增大少子動能增大碰撞中性原子碰撞中性原子產(chǎn)生電子、空穴對產(chǎn)生電子、空穴對連鎖反應連鎖反應產(chǎn)生大量電子、空穴對產(chǎn)生大量電子、空穴對反向電流劇增。反向電流劇增。雪崩擊穿雪崩擊穿(Avalanche Multiplication)PN耗盡區(qū)+外電場重摻雜重摻雜耗盡區(qū)很耗盡區(qū)很窄窄強電場強電場將中性原子的價電子直將中性原子的價電子直接拉出共價鍵接拉出共價鍵產(chǎn)生大量電子、空穴對產(chǎn)生大量電子、空穴對

11、反向電流增大反向電流增大.齊納擊穿齊納擊穿(Zener Breakdown)PN耗盡區(qū)+外電場PN 結(jié)的電容效應結(jié)的電容效應1. 勢壘電容勢壘電容 PN結(jié)外加電壓變化時，結(jié)外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容擴散電容 PN結(jié)外加的正向電壓變化時，結(jié)外加的正向電壓變化時，PN結(jié)兩側(cè)靠近空間結(jié)兩側(cè)靠近空間電荷區(qū)的區(qū)域內(nèi)，在擴散路程中電荷區(qū)的區(qū)域內(nèi)，在擴散路程中載流子的濃度及其梯載流子的濃度及其梯度度均有變化，

12、也有電荷的積累和釋放的過程，其等效均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴散電容電容稱為擴散電容Cd。dbjCCC結(jié)電容：結(jié)電容：4.2 二極管一、二極管的基本結(jié)構(gòu)一、二極管的基本結(jié)構(gòu)二、二極管的伏安特性及主要參數(shù)二、二極管的伏安特性及主要參數(shù) 一、二極管的組成一、二極管的組成將將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型平面型平面型 一、二極管的組成一、二極管的組成 二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流

13、方程材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi 開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。 1. 單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦訲eSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T（）在電流不變情況下管壓降在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移正

14、向特性左移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線STIiUu，則若反向電壓二極管的伏安特性：二極管的伏安特性： 電擊穿：電擊穿：二極管的反向電流隨外二極管的反向電流隨外電路變化，反向電壓維電路變化，反向電壓維持在擊穿電壓附近持在擊穿電壓附近-穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管由于功率過高造成破壞性由于功率過高造成破壞性的擊穿的擊穿-熱擊穿熱擊穿二極管的反向擊穿：二極管的反向擊穿：iu0-U(BR)二極管的等效電路及其應用二極管的等效電路及其應用由于二極管的非線性特性，當電路加入二極管時，由于二極管的非線性特性，當電路加入二極管時，便成為便成為非線性電路非線性電

15、路。實際應用時可根據(jù)二極管的應用條。實際應用時可根據(jù)二極管的應用條件作合理件作合理近似近似，得到相應的等效電路，化為，得到相應的等效電路，化為線性電路線性電路。對電子線路進行定量分析時對電子線路進行定量分析時, ,電路中的實際器件必電路中的實際器件必須用相應的電路模型來等效表示，這稱為：須用相應的電路模型來等效表示，這稱為：“建模建模”。1 理想二極管模型理想二極管模型2 恒壓降模型恒壓降模型3 折線模型折線模型二極管的等效電路及其應用二極管的等效電路及其應用理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開關(guān)理想開關(guān)導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止截止

16、時時IS0導通時導通時i與與u成線性關(guān)系成線性關(guān)系應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！將伏安特性折線化將伏安特性折線化交流小信號模型交流小信號模型DTDDdIUiur根據(jù)電流方程，Q越高，越高，rd越小。越小。 當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極當二極管在靜態(tài)基礎上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用時直流電源作用小信號作用小信號作用靜態(tài)電流靜態(tài)電流一、二極管整流電路一、二極管整流電路晶體二極管電路的應用晶體二極管電路的應用VR

17、Luiuo(a) 電路電路tui uot00(b) 輸入、輸出波形關(guān)系輸入、輸出波形關(guān)系半波整流電路半波整流電路 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。變，為穩(wěn)

18、定電壓。限流電阻限流電阻晶體二極管電路的應用晶體二極管電路的應用1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ2. 額定功耗額定功耗PZ擊穿后流過管子的電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。擊穿后流過管子的電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。由管子升溫所限定的參數(shù)，使用時不允許超過此值。由管子升溫所限定的參數(shù)，使用時不允許超過此值。3. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZZZZUPI/max4. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ5. 溫度系數(shù)溫度系數(shù)在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。表示單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量。表示單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量。一般為幾歐姆到幾十歐姆（越小越好）一般為幾歐姆到幾十歐姆（越小越好）。2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路主要參數(shù)、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路主要參數(shù)晶體二極管電路的應用晶體二極管電路的應用u i E+UD(ON) 三、二極管限幅電路三、二極管限幅電路晶體二極管電路的應用晶體二極管電路的應用