半導(dǎo)體二極管和晶體管

第四章半導(dǎo)體二極管

和晶體管§4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)§4.2半導(dǎo)體二極管§4.3晶體管§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí)半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。4.1.1、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、本征半導(dǎo)體導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。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(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。導(dǎo)電性：與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)在絕對(duì)零度(-273℃)和沒(méi)有外界影響時(shí)，所有價(jià)電子都被束縛在共價(jià)鍵內(nèi)，晶體中沒(méi)有自由電子，所以半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。晶體中無(wú)載流子。+14284

硅原子（Silicon）+4價(jià)電子(ValenceElectron)本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。共價(jià)鍵一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。動(dòng)態(tài)平衡兩種載流子電子空穴對(duì)產(chǎn)生、復(fù)合，維持動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)應(yīng)的電子空穴濃度稱為本征載流子濃度。外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。4.1.2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）施主雜質(zhì)

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子硼（B）受主雜質(zhì)多數(shù)載流子

P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

1.P型半導(dǎo)體在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向飄移運(yùn)動(dòng)而形成的電流。電子電流空穴電流1漂移電流(DriftCurrent)4.1.3、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?擴(kuò)散電流(DiffusionCurrent)

主要取決于該處載流子濃度差（即濃度梯度）。濃度差越大，擴(kuò)散電流越大，而與該處的濃度值無(wú)關(guān)。PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦詳U(kuò)散運(yùn)動(dòng)P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。PN結(jié)的形成參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。即擴(kuò)散過(guò)去多少多子，就有多少少子漂移過(guò)來(lái)漂移運(yùn)動(dòng)

由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)電流方程開(kāi)啟電壓反向飽和電流擊穿電壓

當(dāng)u

比UT大幾倍時(shí)即呈現(xiàn)指數(shù)變化。

當(dāng)u<0時(shí),且|u|比UT大幾倍時(shí)PN結(jié)電流方程討論P(yáng)N結(jié)的擊穿特性

當(dāng)反向電壓超過(guò)U(BR)

后，|u|稍有增加時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿(Breakdown)。iu0-U(BR)輕摻雜耗盡區(qū)較寬少子動(dòng)能增大碰撞中性原子產(chǎn)生電子、空穴對(duì)連鎖反應(yīng)產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)反向電流劇增。雪崩擊穿(AvalancheMultiplication)PN耗盡區(qū)+++++++++++++++外電場(chǎng)重?fù)诫s耗盡區(qū)很窄強(qiáng)電場(chǎng)將中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)反向電流增大.齊納擊穿(ZenerBreakdown)PN耗盡區(qū)+++++++++++++++外電場(chǎng)PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢(shì)壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過(guò)程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)靠近空間電荷區(qū)的區(qū)域內(nèi)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過(guò)程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：4.2二極管一、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)一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管點(diǎn)接觸型面接觸型平面型一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程材料開(kāi)啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開(kāi)啟電壓反向飽和電流擊穿電壓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?.伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線二極管的伏安特性：電擊穿：

二極管的反向電流隨外

電路變化，反向電壓維

持在擊穿電壓附近

---穩(wěn)壓管由于功率過(guò)高造成破壞性的擊穿---熱擊穿二極管的反向擊穿：iu0-U(BR)二極管的等效電路及其應(yīng)用由于二極管的非線性特性，當(dāng)電路加入二極管時(shí)，便成為非線性電路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)二極管的應(yīng)用條件作合理近似，得到相應(yīng)的等效電路，化為線性電路。對(duì)電子線路進(jìn)行定量分析時(shí),電路中的實(shí)際器件必須用相應(yīng)的電路模型來(lái)等效表示，這稱為：“建?！?。1理想二極管模型2恒壓降模型3折線模型二極管的等效電路及其應(yīng)用理想二極管近似分析中最常用理想開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)UD＝0截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)UD＝Uon截止時(shí)IS＝0導(dǎo)通時(shí)△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！將伏安特性折線化交流小信號(hào)模型Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時(shí)直流電源作用小信號(hào)作用靜態(tài)電流一、二極管整流電路晶體二極管電路的應(yīng)用VRLuiuo(a)

電路tui

uot00(b)

輸入、輸出波形關(guān)系半波整流電路若穩(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(huì)因功耗過(guò)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！二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。限流電阻晶體二極管電路的應(yīng)用1.穩(wěn)定電壓UZ2.額定功耗PZ擊穿后流過(guò)管子的電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。由管子升溫所限定的參數(shù)，使用時(shí)不允許超過(guò)此值。3.穩(wěn)定電流IZ4.動(dòng)態(tài)電阻rZ5.溫度系數(shù)α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(duì)變化量。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)晶體二極管電路的應(yīng)用u

i≥E+UD(ON)

三、二極管限幅電路晶體二極管電路的應(yīng)用=5mA，R=510Ω。假定輸入電壓變化范圍為18～24V，試確定負(fù)載電流的允許變化范圍。例4.2.1在圖