第一章半導(dǎo)體二極管和三極管

第一章半導(dǎo)體二極管和三極管§1.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§1.2半導(dǎo)體二極管§1.3晶體三極管§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識一、本征半導(dǎo)體二、雜質(zhì)半導(dǎo)體三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦运?、PN結(jié)的電容效應(yīng)一、本征半導(dǎo)體1、什么是半導(dǎo)體？什么是本征半導(dǎo)體？根據(jù)物體的導(dǎo)電能力的不同，電工材料可分為三類：導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體。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。半導(dǎo)體的電阻率為0.001～10000000000cm。

導(dǎo)體－－鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產(chǎn)生定向移動，形成電流。半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），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(dǎo)體與絕緣體之間。本征半導(dǎo)體是純凈(純度要達(dá)到99.9999999%)的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體2、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子。自由電子產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱空穴一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)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。本征半導(dǎo)體中的兩種載流子半導(dǎo)體的本征激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象當(dāng)導(dǎo)體處于熱力學(xué)溫度0K時，導(dǎo)體中沒有自由電子。當(dāng)溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛而參與導(dǎo)電，成為自由電子。這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)（也稱熱激發(fā)）。因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。游離的部分自由電子也可能回到空穴中去，稱為復(fù)合。在一定溫度下本征激發(fā)和復(fù)合會達(dá)到動態(tài)平衡，此時，載流子濃度一定，且自由電子數(shù)和空穴數(shù)相等。本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。溫度越高載流子的濃度越高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)二、雜質(zhì)半導(dǎo)體摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。雜質(zhì)半導(dǎo)體是半導(dǎo)體器件的基本材料。1.N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入五價元素（如磷），就形成N型（電子型）半導(dǎo)體；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。

在N型半導(dǎo)體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。多子（自由電子）的數(shù)量＝正離子數(shù)＋少子（空穴）的數(shù)量雜質(zhì)半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體摻入三價元素（如硼、鎵、銦等）就形成P型（空穴型）半導(dǎo)體。

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).在P型半導(dǎo)體中，空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子。多子（空穴）的數(shù)量＝負(fù)離子數(shù)＋少子（自由電子）的數(shù)量三、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦园雽?dǎo)體中的載流子有兩種有序運(yùn)動：擴(kuò)散,漂移.

物質(zhì)因濃度差而產(chǎn)生的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。氣體、液體、固體均有之。

同一塊半導(dǎo)體單晶上形成P型和N型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處，擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面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,從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動。因電場作用所產(chǎn)生的運(yùn)動稱為漂移運(yùn)動.

當(dāng)多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動態(tài)平衡時空間電荷區(qū)（亦稱為耗盡層或勢壘區(qū)）的寬度基本上穩(wěn)定下來，PN結(jié)就形成了.PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動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)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，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娦援?dāng)P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位時，稱為加正向電壓（或稱為正向偏置），此時，PN結(jié)導(dǎo)通，呈現(xiàn)低電阻，流過mA級電流，相當(dāng)于開關(guān)閉合；當(dāng)N區(qū)的電位高于P區(qū)的電位時，稱為加反向電壓（或稱為反向偏置），此時，PN結(jié)截止，呈現(xiàn)高電阻，流過μA級電流，相當(dāng)于開關(guān)斷開。

PN結(jié)是半導(dǎo)體的基本結(jié)構(gòu)單元，其基本特性是單向?qū)щ娦裕杭串?dāng)外加電壓極性不同時，PN結(jié)表現(xiàn)出截然不同的導(dǎo)電性能。

PN結(jié)加正向電壓時，呈現(xiàn)低電阻，具有較大的正向擴(kuò)散電流；PN結(jié)加反向電壓時，呈現(xiàn)高電阻，具有很小的反向漂移電流。這正是PN結(jié)具有單向?qū)щ娦缘木唧w表現(xiàn)。四、PN結(jié)伏安特性PN結(jié)伏安特性方程：

式中：Is為反向飽和電流；UT為溫度電壓當(dāng)量，當(dāng)T＝300K時，UT≈26mV當(dāng)u＞0且u>>UT時,伏安特性呈非線性指數(shù)規(guī)律；當(dāng)u＜0且︱u︱>>UT時，電流基本與u無關(guān)；由此亦可說明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦阅?。PN結(jié)伏安特性當(dāng)u＞0且u>>UT時伏安特性呈非線性指數(shù)規(guī)律當(dāng)u＜0且︱u︱>>Ut時，，電流基本與u無關(guān)；由此亦可說明PN結(jié)具有單向?qū)щ娦阅堋N結(jié)的反向擊穿特性當(dāng)PN結(jié)的反向電壓增大到一定值時，反向電流隨電壓數(shù)值的增加而急劇增大。PN結(jié)的反向擊穿有兩類：齊納擊穿和雪崩擊穿。無論發(fā)生哪種擊穿，若對其電流不加以限制，都可能造成PN結(jié)的永久性損壞。五、PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)外加電壓變化時，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程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。勢壘電容是耗盡層變化所等效的電容。勢壘電容與PN結(jié)的面積、空間電荷區(qū)的寬度和外加電壓等因素有關(guān)。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，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程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。擴(kuò)散電容是擴(kuò)散區(qū)內(nèi)電荷的積累和釋放所等效的電容。擴(kuò)散電容與PN結(jié)正向電流和溫度等因素有關(guān)。

PN結(jié)電容由勢壘電容和擴(kuò)散電容組成。PN結(jié)正向偏置時，以擴(kuò)散電容為主；反向偏置時以勢壘電容為主。只有在信號頻率較高時，才考慮結(jié)電容的作用。§2半導(dǎo)體二極管一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)五、穩(wěn)壓二極管六、特殊二極管一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管二極管按結(jié)構(gòu)分為點(diǎn)接觸型、面接觸型和平面型三大類。

二極管的組成點(diǎn)接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，常用于檢波和變頻等高頻電路。面接觸型二極管PN結(jié)面積大，結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。平面型二極管PN結(jié)面積可大可小，PN結(jié)面積大的，主要用于功率整流；結(jié)面積小的可作為數(shù)字脈沖電路中的開關(guān)管。二、二極管的伏安特性及電流方程二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。材料開啟電壓導(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二極管的伏安特性半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線所示，處于第一象限的是正向伏安特性曲線，處于第三象限的是反向伏安特性曲線。1）正向特性：當(dāng)V＞0，即處于正向特性區(qū)域。正向區(qū)又分為兩段：（1）當(dāng)0＜V＜Uon時，正向電流為零，Uon稱為死區(qū)電壓或開啟電壓。（2）當(dāng)V＞Uon時，開始出現(xiàn)正向電流，并按指數(shù)規(guī)律增長。2）反向特性：當(dāng)V＜0時，即處于反向特性區(qū)域。反向區(qū)也分兩個區(qū)域：（1）當(dāng)VBR＜V＜0時，反向電流很小，且基本不隨反向電壓的變化而變化，此時的反向電流也稱反向飽和電流IS。（2）當(dāng)V≤VBR時，反向電流急劇增加，VBR稱為反向擊穿電壓。正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管伏安特性的影響溫度對二極管的性能有較大的影響，溫度升高時，反向電流將呈指數(shù)規(guī)律增加，硅二極管溫度每增加8℃，反向電流將約增加一倍；鍺二極管溫度每增加12℃，反向電流大約增加一倍。另外，溫度升高時，二極管的正向壓降將減小，每增加1℃，正向壓降UD大約減小2mV，即具有負(fù)的溫度系數(shù)。三、二極管的等效電路分段線性模型理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0恒壓降模型導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系線性分段二極管的等效電路2.微變等效電路當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)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ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流四、二極管的主要參數(shù)1）最大整流電流IＦ：二極管長期工作允許通過的最大正向電流。在規(guī)定的散熱條件下，二極管正向平均電流若超過此值，則會因結(jié)溫過高而燒壞。2）最高反向工作電壓UR：二極管工作時允許外加的最大反向電壓。若超過此值，則二極管可能因反向擊穿而損壞。一般取UBR值的一半。3）反向電流IR：二極管未擊穿時的反向電流。對溫度敏感。IR越小，則二極管的單向?qū)щ娦栽胶谩?）最高工作頻率fM：二極管正常工作的上限頻率。若超過此值，會因結(jié)電容的作用而影響其單向?qū)щ娦?。五、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體二極管，通過反向擊穿特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的伏安特性與普通二極管類似，其正向特性為指數(shù)曲線；當(dāng)外加反壓的數(shù)值增大到一定程度時則發(fā)生擊穿，擊穿曲線很陡，幾乎平行于縱軸，當(dāng)電流在一定范圍內(nèi)時，穩(wěn)壓管表現(xiàn)出很好的穩(wěn)壓特性。進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流穩(wěn)壓二極管2.主要參數(shù)1）穩(wěn)定電壓UZ：規(guī)定電流下穩(wěn)壓管的反向擊穿電壓。2）最大穩(wěn)定工作電流IZMAX和最小穩(wěn)定工作電流IZMIN：穩(wěn)壓管的最大穩(wěn)定工作電流取決于最大耗散功率，即PZmax=UZIZmax。而Izmin對應(yīng)UZmin。若IZ＜IZmin，則不能穩(wěn)壓。3）額定功耗PZM：PZM＝UZIZMAX

，超過此值，管子會因結(jié)溫升太高而燒壞。4）動態(tài)電阻rZ：rz=VZ/IZ，其概念與一般二極管的動態(tài)電阻相同，只不過穩(wěn)壓二極管的動態(tài)電阻是從它的反向特性上求取的。RZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡，穩(wěn)壓效果愈好。5）溫度系數(shù)α：溫度的變化將使UZ改變，在穩(wěn)壓管中，當(dāng)UZ＞7V時，UZ具有正溫度系數(shù)，反向擊穿是雪崩擊穿；當(dāng)UZ＜4V時，UZ具有負(fù)溫度系數(shù)，反向擊穿是齊納擊穿；當(dāng)4V＜VZ＜7V時，穩(wěn)壓管可以獲得接近零的溫度系數(shù)。這樣的穩(wěn)壓二極管可以作為標(biāo)準(zhǔn)穩(wěn)壓管使用。9、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻有兩個作用：一是起限流作用，以保護(hù)穩(wěn)壓管；二是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用應(yīng)用舉例

1.理想二極管EVDIUDEIUU>0，VD導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)U

0，VD截止；I=0，UD（負(fù)值）取決于外電路；相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)EVDI反UDEI反U應(yīng)用舉例

2.二極管的應(yīng)用RVDEuiuO電路如圖示：已知E=5V，ui=10sintV求：uO的波形此類電路的分析方法將二極管看成理想二極管當(dāng)D的陽極電位高于陰極電位時，D導(dǎo)通，將D作為一短路線；當(dāng)D的陽極電位低于陰極電位時，D截止，將D作為一斷開的開關(guān)；應(yīng)用舉例

電路如圖示：已知VA=3VVB=0V求：VF=？此類電路的分析方法：將二極管看成理想二極管。當(dāng)幾個二極管共陽極或共陰極連接時，承受正向電壓高的二極管先導(dǎo)通。VDB通，VF=0VRVDAAVDBB+12VF§1.3晶體三極管一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號二、晶體管的放大原理三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性四、溫度對晶體管特性的影響五、主要參數(shù)一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號多子濃度高多子濃度很低，且很薄面積大晶體管有三個極、三個區(qū)、兩個PN結(jié)PPNBEC發(fā)射極集電極基極晶體三極管雙極型晶體管是通過一定的工藝，將兩個PN結(jié)接合在一起而構(gòu)成的器件，是放大電路的核心元件，它能控制能量的轉(zhuǎn)換，將輸入的任何微小變化不失真地放大輸出，放大的對象是變化量。晶體管有三個區(qū)（發(fā)射區(qū)、集電區(qū)和基區(qū)）、兩個PN結(jié)（發(fā)射結(jié)和集電結(jié)）、三個電極（發(fā)射極、集電極和基極）組成；并且發(fā)射區(qū)雜質(zhì)濃度遠(yuǎn)大于基區(qū)雜質(zhì)濃度，基區(qū)很薄且雜質(zhì)濃度很小，集電區(qū)面積很大常見外形有四種，分別應(yīng)用于小功率、中功率或大功率，高頻或低頻等不同場合。BEC基極發(fā)射極集電極NNP集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高基區(qū)：較薄，摻雜濃度低二、晶體管的放大原理因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)少數(shù)載流子的運(yùn)動基區(qū)空穴的擴(kuò)散因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴(kuò)散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)擴(kuò)散運(yùn)動形成發(fā)射極電流IE，復(fù)合運(yùn)動形成基極電流IB，漂移運(yùn)動形成集電極電流IC。晶體管的放大原理電流分配

IE＝IB＋I(xiàn)C

IE－擴(kuò)散運(yùn)動形成的電流

IB－復(fù)合運(yùn)動形成的電流

IC－漂移運(yùn)動形成的電流當(dāng)發(fā)射結(jié)正向偏置而集電結(jié)反向偏置時，從發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)的非平衡少子中僅有很少部分與基區(qū)的多子復(fù)合，形成基極電流，而大部分在集電結(jié)外電場作用下形成漂移電流IC，體現(xiàn)出IB對的IC控制作用。此時，可將IC看成電流IB控制的電流源。直流電流放大系數(shù)穿透電流集電結(jié)反向電流交流電流放大系數(shù)三、晶體管的共射輸入特性和輸出特性1.輸入特性2.輸出特性對應(yīng)于一個IB就有一條iC隨uCE變化的曲線。飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)輸入特性曲線分為三個區(qū)：死區(qū)、非線性區(qū)和線性區(qū)。其中UCE=0V的那一條相當(dāng)于發(fā)射結(jié)的正向特性曲線。當(dāng)UCE≥1V時，特性曲線將會向右稍微移動一些但U再增加時，曲線右移很不明顯。曲線的右移是三極管內(nèi)部反饋所致，右移不明顯說明內(nèi)部反饋很小。晶體管的三個工作區(qū)域狀態(tài)uBEiCuCE截止＜UonICEOVCC放大≥UonβiB≥uBE飽和≥Uon＜βiB≤uBE工作狀態(tài)NPN型PNP型特點(diǎn)截止?fàn)顟B(tài)發(fā)射結(jié)（E結(jié)）、集電結(jié)（C結(jié)）均反偏VB＜VE、VB＜VC發(fā)射結(jié)E結(jié)、集電結(jié)C結(jié)均反偏VB＞VE、VB＞VCIC≈0放大狀態(tài)發(fā)射結(jié)E結(jié)正偏、集電結(jié)C結(jié)均反偏VC＞VB＞VE發(fā)射結(jié)E結(jié)正偏、集電結(jié)C均反偏VC

＜VB＜VEIC≈βIB飽和狀態(tài)發(fā)射結(jié)E結(jié)、集電結(jié)C結(jié)均偏VB＞VE、VB＞VC發(fā)射結(jié)E結(jié)、集電結(jié)C