第1章常用半导体器件PPT讲稿.ppt

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1、第1章常用半导体器件第1页，共118页，编辑于2022年，星期一1.1半导体基础知识半导体基础知识 在在自自然然界界中中存存在在着着许许多多不不同同的的物物质质，根根据据其其导导电电性性能能的的不不同同大大体体可分为可分为导体导体、绝缘体绝缘体和和半导体半导体半导体半导体三大类。三大类。将很难导电、电阻率大于将很难导电、电阻率大于1010cm的物质，称为的物质，称为绝缘体绝缘体。例如：塑料、橡胶、陶瓷等材料例如：塑料、橡胶、陶瓷等材料;将很容易导电、将很容易导电、电阻率小于电阻率小于10-4cm的物质，称为的物质，称为导体导体。例如：铜、铝、银等金属材料例如：铜、铝、银等金属材料;将将导导电电

2、能能力力介介于于导导体体和和绝绝缘缘体体之之间间、电电阻阻率率在在10-3109cm范范围围内内的的物物质质，称称为为半半半半导体导体导体导体。常用的常用的半导体材料半导体材料半导体材料半导体材料：硅（：硅（Si)和锗和锗(Ge)。第2页，共118页，编辑于2022年，星期一半导体的半导体的热敏特性热敏特性、光敏特性光敏特性和和掺杂特性掺杂特性：热热敏敏特特性性：纯纯净净的的半半导导体体硅硅，当当温温度度从从30升升高高到到40时时，电电阻阻率率减减小小一一半半；而从而从30到到100时，铜的电阻率减少不到一半。时，铜的电阻率减少不到一半。掺掺杂杂特特性性：纯纯净净硅硅在在室室温温时时的的电电

3、阻阻率率为为2.14105cm，如如果果在在纯纯净净硅硅中中掺掺入入百百万万分分之之一一浓浓度度的的磷磷原原子子，此此时时硅硅的的纯纯度度仍仍可可高高达达99.9999，但它的电阻率却下降到但它的电阻率却下降到0.2cm，几乎减少到原来的百万分之一。，几乎减少到原来的百万分之一。利利用用半半导导体体的的热热敏敏特特性性和和光光敏敏特特性性可可制制作作各各种种热热敏敏元元件件和和光光敏敏元元件件，利用利用掺杂特性掺杂特性制成的制成的PN结结是各种半导体器件的主要组成部分。是各种半导体器件的主要组成部分。第3页，共118页，编辑于2022年，星期一1.1.1本征半导体本征半导体 纯净的单晶半导体称

4、为纯净的单晶半导体称为本征半导体本征半导体，即不含任何杂质，结构完整的半导体。，即不含任何杂质，结构完整的半导体。1本征半导体的晶体结构本征半导体的晶体结构常常用用的的半半导导体体材材料料硅硅（Si）和和锗锗（Ge）的的原原子子序序数数分分别别为为14和和32，它它们们的的原原子结构如图子结构如图1-1（a）和（）和（b）所示。）所示。图图1-1硅和锗的原子结构模型硅和锗的原子结构模型(a)硅；硅；(b)锗；锗；(c)原子简化模型原子简化模型第4页，共118页，编辑于2022年，星期一 硅硅和和锗锗都都是是晶晶体体，晶晶体体中中的的原原子子在在空空间间形形成成排排列列整整齐齐的的点点阵阵称称为

5、为晶晶格格。整整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶单晶。硅和锗的单晶体即为硅和锗的单晶体即为本征半导体本征半导体。图图1-2硅和锗晶体共价键结构示意图硅和锗晶体共价键结构示意图 第5页，共118页，编辑于2022年，星期一 2本征半导体中的两种载流子本征半导体中的两种载流子在在绝绝对对零零度度（T=-273或或T=0K）下下，本本征征半半导导体体中中的的每每个个价价电电子子都都被被束束缚缚在在共共价价键键中中，不不存存在在自自由由运运动动的的电电子子，本本征征半半导导体体相相当于绝缘体。当于绝缘体。在在室室温温下下（T=27或或T=300K），本本征征

6、半半导导体体中中一一部部分分价价电电子子因因受受热热而而获获得得足足够够的的能能量量挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，与与此此同同时时，在在该共价键上留下了空位，这个空位称为该共价键上留下了空位，这个空位称为空穴空穴。由由于于本本征征半半导导体体在在室室温温下下每每产产生生一一个个自自由由电电子子必必然然会会有有一一个个空空穴穴出出现现，即电子与空穴成对产生，称之为即电子与空穴成对产生，称之为电子电子-空穴对空穴对。通通常常将将运运载载电电荷荷的的粒粒子子称称为为载载流流子子。这这种种由由于于本本征征半半导导体体受受热热而而产产生电子生电子-空穴对的现象称为空穴对的现象

7、称为本征激发本征激发。第6页，共118页，编辑于2022年，星期一本征半导体导电依靠两种载流子本征半导体导电依靠两种载流子-自由电子自由电子和和空穴空穴可可把把空空穴穴看看成成带带正正电电的的粒粒子子，在在外外加加电电场场作作用用下下可可以以自自由由的的在在晶晶体体中中运运动动，也是一种载流子。也是一种载流子。有有些些自自由由电电子子和和空空穴穴在在运运动动中中相相遇遇，空空穴穴又又被被自自由由电电子子填填入入，电电子子空空穴穴成成对对消消失失，这种现象称为这种现象称为复合复合。第7页，共118页，编辑于2022年，星期一3热平衡载流子的浓度热平衡载流子的浓度在在本本征征半半导导体体中中不不断

8、断地地进进行行着着激激发发与与复复合合两两种种相相反反的的过过程程，当当温温度度一一定定时时，两两种种状状态态达达到到动动态态平平衡衡，即即本本征征激激发发产产生生的的电电子子-空空穴穴对对，与与复复合的电子合的电子-空穴对数目相等，这种状态称为空穴对数目相等，这种状态称为热平衡状态热平衡状态。半半导导体体中中自自由由电电子子和和空空穴穴的的多多少少分分别别用用浓浓度度（单单位位体体积积中中载载流流子子的的数数目目）ni和和pi来表示。来表示。热热平平衡衡状状态态下下的的本本征征半半导导体体：其其载载流流子子的的浓浓度度是是一一定定的的，并并且且自自由由电子的浓度和空穴的浓度相等。电子的浓度和

9、空穴的浓度相等。第8页，共118页，编辑于2022年，星期一式中：浓度单位为式中：浓度单位为cm-3，K是常量（硅为是常量（硅为3.881016cm-3K-3/2，锗为，锗为1.761016cm-3K-3/2），），T为热力学温度，为热力学温度，k是玻尔兹曼常数（是玻尔兹曼常数（8.6310-5eV/K），），Eg0是是T=0K(即即-273)时的禁带宽度时的禁带宽度(硅为硅为1.21eV，锗为，锗为0.785eV)。（1-1）本征半导体的载流子浓度和本征半导体的载流子浓度和温度、温度、材料材料有关。有关。尽尽管管本本征征半半导导体体在在室室温温情情况况下下具具有有一一定定的的导导电电能能力力

10、，但但是是，载载流流子子的数目远小于原子数目，因此的数目远小于原子数目，因此本征半导体的导电能力是很低的本征半导体的导电能力是很低的。第9页，共118页，编辑于2022年，星期一1.1.2杂质半导体杂质半导体利利用用半半导导体体的的掺掺杂杂特特性性，人人为为的的在在本本征征半半导导体体中中掺掺入入少少量量的的其其他他元元素素，可可以以使使本本征征半半导导体体的的导导电电性性能能发发生生显显著著的的变变化化。掺掺入入杂杂质质的的半半导导体体称称为为杂杂质质半导体半导体。根根据据掺掺入入的的杂杂质质不不同同，杂杂质质半半导导体体可可分分为为N(Negative)型型半半导导体体和和P(Positi

11、ve)型半导体。型半导体。第10页，共118页，编辑于2022年，星期一1N型半导体型半导体 在在纯纯净净的的单单晶晶体体硅硅中中，掺掺入入微微量量的的五五价价杂杂质质元元素素，如如磷磷、砷砷、锑锑等等，使使原原来来晶晶格格中中的的某某些些硅硅原原子子被被杂杂质质原原子所取代，便构成子所取代，便构成N型半导体型半导体。自由电子：自由电子：多数载流子多数载流子(多子多子)空空穴：穴：少数载流子少数载流子(少子少子)施主原子施主原子：杂质原子：杂质原子图图1-4N型半导体结构示意图型半导体结构示意图简化模型：简化模型：第11页，共118页，编辑于2022年，星期一 2P型半导体型半导体 在在纯纯净

12、净的的单单晶晶硅硅中中掺掺入入微微量量的的三三价价杂杂质质元元素素，如如硼硼、镓镓、铟铟等，便构成等，便构成P型半导体型半导体。在在P型型半半导导体体中中，由由于于掺掺入入的的是是三三价价杂杂质质元元素素，使使空空穴穴浓浓度远大于自由电子浓度，度远大于自由电子浓度，空空穴：穴：多数载流子多数载流子(多子多子)自由电子：自由电子：少数载流子少数载流子(少子少子)受主原子：受主原子：杂质原子杂质原子图图1-5P型半导体结构示意图型半导体结构示意图 简化模型：简化模型：第12页，共118页，编辑于2022年，星期一1.1.3PN结结 半导体器件的核心是半导体器件的核心是PN结。结。半导体二极管是：半

13、导体二极管是：单个单个PN结结；半导体三极管具有：半导体三极管具有：两个两个PN结结；场效应管的基本结构也是：场效应管的基本结构也是：PN结结。单纯的单纯的P型或型或N型半导体，仅仅是导电能力增强了，因此它还不是电子线型半导体，仅仅是导电能力增强了，因此它还不是电子线路中所需要的半导体器件。路中所需要的半导体器件。若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为若在一块本征半导体上，两边掺入不同的杂质，使一边成为P型型半导体，另一边成为半导体，另一边成为N型半导体，则在两种半导体的交界面附近形型半导体，则在两种半导体的交界面附近形成一层很薄的特殊导电层成一层很薄的特殊导电层PN结。结。PN

14、结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。第13页，共118页，编辑于2022年，星期一1 1、PNPN结的形成结的形成 物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。液体、固体均有之。扩散运动扩散运动P区空穴浓区空穴浓度远高于度远高于N区。区。N区自由电子区自由电子浓度远高于浓度远高于P区。区。扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的区的自由电子浓度降低，产生内电场。自由电子浓度降低，产生内电场。第14页，共118页，编辑于2022年，星期一 因电场作

15、用所产生因电场作用所产生的运动称为漂移运动。的运动称为漂移运动。参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N区运动。区运动。1 1、PNPN结的形成结的形成第15页，共118页，编辑于2022年，星期一PN结形成过程动画演示第16页，共118页，

16、编辑于2022年，星期一 当当多多子子的的扩扩散散运运动动和和少少子子的的漂漂移移运运动动达达到到动动态态平平衡衡时时，由由多多子子扩扩散散运运动动所所形形成成的的扩扩散散电电流流和和少少子子的的漂漂移移运运动动所所形形成成的的漂漂移移电电流流相相等等，且且两两者者方方向向相相反反，此此时时，空空间间电电荷区（又称耗尽层、阻挡层）宽度一定，荷区（又称耗尽层、阻挡层）宽度一定，PN结电流为零。结电流为零。在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为在动态平衡时，由内电场产生的电位差称为内建电位差内建电位差Uho,如图如图1-6（c）所示。）所示。处于室温时，锗的处于室温时，锗的Uho0.20.3V，硅

17、的，硅的Uho0.50.7V。第17页，共118页，编辑于2022年，星期一对对称称PN结结:P型型区区和和N型型区区的的掺掺杂杂浓浓度度相相等等时时，正正离离子子区区与与负负离离子子区区的的宽度也相等宽度也相等;不不对对称称PN结结:当当两两边边掺掺杂杂浓浓度度不不等等时时，浓浓度度高高的的一一侧侧的的离离子子区区宽宽度度低低于浓度低的一侧于浓度低的一侧;P型区掺杂浓度大于型区掺杂浓度大于N型区的称为型区的称为P+N结；结；N型区掺杂浓度大于型区掺杂浓度大于P型区的称为型区的称为N+P结。结。第18页，共118页，编辑于2022年，星期一2PN结的单向导电性结的单向导电性1）正向特性正向特性

18、 促进扩散，阻止漂移，形成正向电流，为两种多子电流和。外接R起限流作用第19页，共118页，编辑于2022年，星期一2）反向特性）反向特性阻止扩散，促进漂移，形成反向电流，数值很小，又称反向饱和电流。第20页，共118页，编辑于2022年，星期一 由由于于少少数数载载流流子子是是由由本本征征激激发发产产生生的的，其其浓浓度度很很低低，因因此此反反向向电电流流数数值值很很小。小。在在一一定定的的温温度度下下，当当外外加加反反向向电电压压超超过过某某个个数数值值(约约为为零零点点几几伏伏)后后，反反向向电电流流将将不不再再随随着着外外加加反反向向电电压压的的增增加加而而增增大大，故故又又称称为为反

19、反向向饱饱和和电电流流(ReverseSaturationCurrent)，用，用IS表示。表示。PN结结正正向向偏偏置置时时，结结电电阻阻很很小小，回回路路中中产产生生一一个个较较大大的的正正向向电电流流，PN结呈结呈导通状态导通状态；PN结结反反向向偏偏置置时时，结结电电阻阻很很大大，回回路路中中的的反反向向电电流流很很小小，几几乎乎接接近于零，近于零，PN结呈结呈截止状态截止状态。所以，所以，PN结具有结具有单向导电性单向导电性。第21页，共118页，编辑于2022年，星期一 3）伏安特性）伏安特性根据理论分析，根据理论分析，PN结两端的电压结两端的电压U和流过和流过PN结的电流结的电流

20、I之间的关系为：之间的关系为：(1-2)式中式中,IS为反向饱和电流；为反向饱和电流；UT为温度电压当量，为温度电压当量，UT=kT/q，其中：，其中：k为玻尔兹曼常数（即为为玻尔兹曼常数（即为1.3810-23J/K），），q为电子电荷（约为为电子电荷（约为1.610-19C),T为为PN结的绝对温度。结的绝对温度。对于室温对于室温T=300K来说，来说，UT26mV。若。若UUT，则可得下列近似式：，则可得下列近似式：第22页，共118页，编辑于2022年，星期一即即I随随U按按指指数数规规律律变变化化；当当PN结结外外加加反反向向电电压压（U为为负负），且且|U|UT时时，eU/UT0，

21、则则I-IS。即。即反向电流与反向电压大小无关反向电流与反向电压大小无关。PN结结的的反反向向饱饱和和电电流流IS一一般般很很小小(硅硅PN结结：毫毫微微安安量量级级，锗锗PN结结：微微安安量量级级)，所所以以PN结结反反向特性曲线几乎接近于横坐标。向特性曲线几乎接近于横坐标。I与与U的关系曲线如图的关系曲线如图1-9所示。所示。第23页，共118页，编辑于2022年，星期一3PN结的击穿特性结的击穿特性 如如前前所所述述，当当PN结结外外加加反反向向电电压压时时，流流过过PN结结的的反反向向电电流流很很小小，但但是是当当反反向向电电压压不不断断增增大大，超超过过某某一一电电压压值值时时，反反

22、向向电电流流将将急急剧剧增增加加，这这种种现现象象称称为为PN结的结的反向击穿反向击穿(ReverseBreakdown)。反向电流急剧增加时所对应的反向电压反向电流急剧增加时所对应的反向电压U(BR)称为称为反向击穿电压反向击穿电压。图图1-10PN结的击穿特性结的击穿特性 第24页，共118页，编辑于2022年，星期一 PN结产生反向击穿的原因有以下两种：结产生反向击穿的原因有以下两种：1）雪雪崩崩击击穿穿：掺掺杂杂浓浓度度较较低低的的PN结结中中，连连锁锁反反应应，造造成成载载流流子子急急剧剧增增多多，使使反反向向电电流流“滚滚雪雪球球”般骤增。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的般

23、骤增。雪崩击穿的击穿电压较高，其值随掺杂浓度的降低而增大降低而增大。空间电荷区变宽空间电荷区变宽内电场加强内电场加强飘移运动加速飘移运动加速动能加大动能加大共价键价电子碰撞共价键价电子碰撞产生电子产生电子-空穴对空穴对电场加速电场加速碰撞其他中性原子碰撞其他中性原子产生新的电子空穴对。产生新的电子空穴对。2）齐齐纳纳击击穿穿：PN结结两两边边的的掺掺杂杂浓浓度度很很高高时时，只只要要加加上上不不大大的的反反向向电电压压（如如4V以以下下），阻阻挡挡层层就就可可能能获获得得2106V/cm以以上上的的电电场场强强度度，该该场场强强足足以以直直接接破破坏坏共共价价键键，把把价价电电子子从从共共价价

24、键键中拉出来，齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的中拉出来，齐纳击穿的反向击穿电压较低，且随着掺杂浓度的增高而减小增高而减小。通通常常情情况况下下，反反向向击击穿穿电电压压在在7V以以上上属属于于雪雪崩崩击击穿穿，4V以以下下属属于于齐齐纳纳击击穿穿，在在47V之之间间的的击击穿穿则则两两种种情情况况都都有有。无无论论哪哪种种击击穿穿，只只要要PN结结不不因因电电流流过过大大而而产产生生过过热热损损坏坏，当当反反向向电电压降到击穿电压以下压降到击穿电压以下(均指绝对值均指绝对值)时，其性能又可恢复到击穿前的情况。时，其性能又可恢复到击穿前的情况。第25页，共118页，编辑于2022年，

25、星期一4PN结的温度特性结的温度特性 由由式式（1-2）可可知知，PN结结电电流流的的大大小小与与UT和和IS有有关关，而而UT和和IS均均为为温度的函数，所以温度的函数，所以PN结的伏安特性与温度有关。结的伏安特性与温度有关。实实验验证证明明，在在室室温温下下，温温度度每每升升高高1，在在同同一一正正向向电电流流下下，PN结结正正向向压压降降减减小小22.5mV；温温度度每每升升高高10，反反向向饱饱和和电电流流大大约约增增加加1倍倍。所所以以当当温温度度升升高高时时，PN结结的的正正向向特特性性曲曲线线向向左左移移动动，反反向向特特性性曲曲线向下移动。线向下移动。此此外外,PN结结的的反反

26、向向击击穿穿特特性性也也与与温温度度有有关关。理理论论分分析析表表明明，雪雪崩崩击击穿穿电电压压随随温温度度升升高高而而增增大大，具具有有正正的的温温度度系系数数；齐齐纳纳击击穿穿电电压压随温度的升高而降低，具有负的温度系数。随温度的升高而降低，具有负的温度系数。第26页，共118页，编辑于2022年，星期一5PN结的电容特性结的电容特性 实实践践证证明明，PN结结的的单单向向导导电电性性仅仅在在直直流流或或外外加加电电压压变变化化非非常常缓缓慢慢的的情情况况下下才才是是正正确确的的。当当外外加加电电压压变变化化很很快快时时，PN结结的的单单向向导导电电性性就就不不完完全全成成立立，其其主主要

27、要原原因因是是PN结结的的电电容容效效应应。在在PN结结内内部部由由于于载载流流子子运运动动所所产产生生的的电电容容效效应应主主要要有有势垒电容和扩散电容。势垒电容和扩散电容。第27页，共118页，编辑于2022年，星期一1）势垒电容Cb(Barrier Capacitance)当当PN结外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量变小；结外加正向电压时，空间电荷区变窄，电荷量变小；当当PN结外加反向电压时，空间电荷区变宽，电荷量增加。结外加反向电压时，空间电荷区变宽，电荷量增加。随随着着外外加加电电压压U的的变变化化，空空间间电电荷荷区区出出现现电电荷荷的的堆堆积积和和消消散散，与与之之相相应应的

28、的电电荷荷量量Q也随着发生变化，如同电容的充电和放电一样，称此为也随着发生变化，如同电容的充电和放电一样，称此为势垒电容势垒电容Cb。势垒电容的大小可用下式表示：势垒电容的大小可用下式表示：(1-4)势垒电容的大小：势垒电容的大小：与与PN结的结面积结的结面积S成正比，成正比，与空间电荷区的宽度与空间电荷区的宽度l成反比，成反比，为半导体材料的介电系数。为半导体材料的介电系数。由由于于空空间间电电荷荷区区的的宽宽度度l随随外外加加电电压压U的的变变化化而而变变化化，因因此此势势垒垒电电容容是是一一种种非非线线性性电电容。容。第28页，共118页，编辑于2022年，星期一2）扩散电容）扩散电容C

29、d(Diffusion Capacitance)PN结结处处于于平平衡衡状状态态时时的的少少子子称称为为平平衡衡少少子子。当当PN结结处处于于正正向向偏偏置置时时，P区区的的多多子子(空空穴穴)扩扩散散到到N区区，成成为为N区区中中的的少少子子，N区区中中的的多多子子(自自由由电电子子)扩扩散散到到P区区，成成为为P区区中中的的少少子子，这这种种不不是是靠靠热热激激发发而而存存在在的的少少子子称称为为非非平平衡衡少少子子。当当外外加加正正向向电电压压一一定定时时，靠靠近近空空间间电电荷荷区区边边界界的的中中性性区区非非平平衡衡少少子子浓浓度度高高，远远离离边边界界的的中中性性区区非非平平衡衡少

30、少子子浓浓度度低低。当当外外加加的的正正向向电电压压增增加加时时，扩扩散散到到中中性性区区的的非非平平衡衡少少子子浓浓度度相相应应增增大大，相相应应的的电电荷荷量量随随之之增增大大；当当外外加加正正向向电电压压减减小小时时，非非平平衡衡少少子子浓浓度度降降低低，电电荷荷量量减减小小。这这种种随随着着外外加加正正向向电电压压的的增增大大或或减减小小而而引引起的非平衡少子电荷量变化的电容效应，称为扩散电容起的非平衡少子电荷量变化的电容效应，称为扩散电容Cd。PN结的结电容结的结电容Cj(Junction Capacitance)为势垒电容为势垒电容Cb和扩散电容和扩散电容Cd之和，即之和，即正偏时

31、，正偏时，Cb Cd，Cj主要由主要由Cb决定。决定。（1-5）第29页，共118页，编辑于2022年，星期一1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号将一个将一个PN结用管壳封装起来，在两端加上电极引线就构成了二极管。结用管壳封装起来，在两端加上电极引线就构成了二极管。面结型面结型:整流管整流管点触型点触型:高频检波和小功率整流高频检波和小功率整流平面型平面型:大功率整流管或开关管大功率整流管或开关管按制作工艺型：按制作工艺型：第30页，共118页，编辑于2022年，星期一1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的基本结构就是一个二极管

32、的基本结构就是一个PN结，因此二极管具有和结，因此二极管具有和PN结相同的特性。结相同的特性。但但是是，由由于于管管子子存存在在电电中中性性区区的的体体电电阻阻和和引引线线电电阻阻等等，在在外外加加正正向向电电压压相相同同的的情情况下，二极管的正向电流要小于况下，二极管的正向电流要小于PN结的电流，大电流时更为明显；结的电流，大电流时更为明显；当外加反向电压时，由于二极管当外加反向电压时，由于二极管表面漏电流表面漏电流的存在，使反向电流增大。的存在，使反向电流增大。尽尽管管如如此此，一一般般情情况况下下仍仍用用PN结结的的伏伏安安特特性性方方程程式式（1-2）来来描描述述二二极极管管的的电电压

33、压和电流关系。和电流关系。第31页，共118页，编辑于2022年，星期一1.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数 器器件件的的参参数数是是器器件件特特性性的的定定量量描描述述，也也是是合合理理选选择择和和安安全全运运用用器器件件的的依依据据。各各种种器器件的参数可由手册查得。件的参数可由手册查得。常用的二极管主要参数有：常用的二极管主要参数有：(1)最大整流电流最大整流电流IF：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。：二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。(4)最高工作频率最高工作频率fM：它是指二极管正常工作时的上限频率。它是指二极管正常工作时的上限频率。超过此值，由于二极管结

34、电容的作用，二极管的单向导电性将遭到破坏。超过此值，由于二极管结电容的作用，二极管的单向导电性将遭到破坏。(2)最最大大反反向向工工作作电电压压UR：当当二二极极管管的的反反向向电电压压超超过过最最大大反反向向工工作作电电压压UR时时，管管子可能会因反向击穿而损坏。子可能会因反向击穿而损坏。通常：通常：UR为二极管反向击穿电压为二极管反向击穿电压U(BR)的一半。的一半。(3)反向电流反向电流IR：管子未击穿时的反向电流。管子未击穿时的反向电流。此此值值越越小小，二二极极管管的的单单向向导导电电性性越越好好，随随着着温温度度的的增增加加，反反向向电电流流会会急急剧剧增增加加，使使用用时要注意温

35、度的影响。时要注意温度的影响。第32页，共118页，编辑于2022年，星期一1.2.4二极管的等效模型二极管的等效模型 二二极极管管是是一一种种非非线线性性器器件件，二二极极管管电电路路的的严严格格分分析析一一般般要要采采用用非非线线性电路性电路的分析方法。的分析方法。这这里里主主要要介介绍绍等等效效电电路路分分析析法法。有有的的等等效效电电路路模模型型较较简简单单，便便于于近近似似估估算算。为为了了便便于于分分析析，在在一一定定的的条条件件下下，可可用用线线性性模模型型来来代代替替二二极极管管，模模型型称称为为二二极极管管的的等等效效模模型型（或或等等效效电电路路）。根根据据二二极极管管的伏

36、安特性，对应于不同的应用场合，可建立不同的等效模型。的伏安特性，对应于不同的应用场合，可建立不同的等效模型。所所谓谓“等等效效”，是是指指在在一一定定的的条条件件下下，在在电电路路中中如如果果两两个个电电路路具具有有相相同同的的外外部部效效果果，即即它它们们在在相相同同的的外外部部连连接接时时，从从外外部部看看进进去去相应的电压，电流完全一样，则称这两个电路是等效的。相应的电压，电流完全一样，则称这两个电路是等效的。第33页，共118页，编辑于2022年，星期一图图1-14理想模型理想模型(a)U-I特性；特性；(b)代表符号代表符号1.理想模型理想模型第34页，共118页，编辑于2022年，

37、星期一图图1-15恒压降模型恒压降模型(a)U-I特性；特性；(b)代表符号代表符号Uon=0.7V 2恒压降模型恒压降模型第35页，共118页，编辑于2022年，星期一 3折线模型折线模型图图中中二二极极管管正正向向压压降降大大于于Uon后后，用用一一斜斜线线来来描描述述电电压压和和电电流流的的关关系系，斜斜线线的的斜斜率率为为实实际际二二极极管管特特性性曲曲线线的的斜斜率率1/rD，rD=U/I。因因此此等等效效模模型型为为一一理理想想二二极极管管和和恒恒压压源源Uth及正向电阻及正向电阻rD相串联。相串联。图图1-16折线模型折线模型(a)U-I特性；特性；(b)代表符号代表符号Uth=

38、0.5V 第36页，共118页，编辑于2022年，星期一4微变等效模型微变等效模型二二极极管管对对应应微微变变量量所所呈呈现现的的作作用用如如同同一一个个线线性性电电阻阻的的作作用用，故故可可将将二二极极管管等等效为一个动态电阻效为一个动态电阻rd，且，且rd=UD/ID，称为二极管的称为二极管的微变等效电路微变等效电路。图图1-17二极管的微变等效模型二极管的微变等效模型(a)U-I特性；特性；(b)代表符号代表符号第37页，共118页，编辑于2022年，星期一动态电阻动态电阻rd还可利用二极管的电流方程求得：还可利用二极管的电流方程求得：取取ID对对UD的微分，得微变电导：的微分，得微变电

39、导：则则 在室温（在室温（T=300K）时：）时：（1-6）式中式中,ID为静态工作点为静态工作点Q的电流。的电流。第38页，共118页，编辑于2022年，星期一例例1：设简单二极管基本电路如下图所示，：设简单二极管基本电路如下图所示，R=10K，rD=200,求电求电路的路的ID和和UD的值的值。（1）UDD=10V（2）UDD=1V。在每种条件下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。在每种条件下，应用理想模型、恒压降模型和折线模型求解。注意：注意：上述各种等效电路模型都是在不同的条件下得出的。在使上述各种等效电路模型都是在不同的条件下得出的。在使用时，可根据实际情况选择合适的一种，不能

40、乱用。用时，可根据实际情况选择合适的一种，不能乱用。第39页，共118页，编辑于2022年，星期一(1)UDD=10V使用使用理想模型：理想模型：UD=0V,ID=UDD/R=10V/10K=1mA使用使用恒压降模型：恒压降模型：UD=0.7V,ID=(UDD-UD)/R=(10V-0.7V)/10K=0.93mA使用使用折线模型：折线模型：ID=(UDD-Uon)/(R+rD)=(10V-0.7V)/(10K+0.2K)=0.912mA UD=Uon+IDrD=0.7+0.912mA0.2K=0.88V(2)UDD=1V使用使用理想模型：理想模型：UD=0V,ID=UDD/R=1V/10K=

41、0.1mA使用使用恒压降模型：恒压降模型：UD=0.7V,ID=(UDD-UD)/R=(1V-0.7V)/10K=0.03mA使用使用折线模型：折线模型：ID=(UDD-Uon)/(R+rD)=(1V-0.7V)/(10K+0.2K)=0.03mA UD=Uon+IDrD=0.7+0.03mA0.2K=0.71V第40页，共118页，编辑于2022年，星期一 例例2由由二二极极管管组组成成的的开开关关电电路路如如图图1-18所所示示，判判断断图图中中二二极极管管是是导导通通还还是是截截止止，并确定电路的输出电压并确定电路的输出电压Uo（设二极管是理想二极管）。（设二极管是理想二极管）。第41页

42、，共118页，编辑于2022年，星期一1.2.5稳压二极管稳压二极管 稳稳压压二二极极管管又又称称齐齐纳纳二二极极管管，简简称称稳稳压压管管，它它是是一一种种用用特特殊殊工工艺艺制制造造的的面接触型面接触型硅半导体硅半导体二极管。二极管。1稳压管的伏安特性稳压管的伏安特性第42页，共118页，编辑于2022年，星期一 2稳压管的主要参数稳压管的主要参数 （1）稳定电压稳定电压UZ：稳压管反向击穿后的稳定电压值。稳压管反向击穿后的稳定电压值。（2）稳定电流稳定电流IDZ：稳压管正常工作时的参考电流。稳压管正常工作时的参考电流。（3）额额定定功功耗耗PZM：稳稳压压管管允允许许的的最最大大稳稳定定

43、电电流流IZM（或或记记作作IZmax）和稳定电压和稳定电压UZ的乘积。的乘积。稳压管的功耗超过此值，会因结温过高而烧毁。稳压管的功耗超过此值，会因结温过高而烧毁。（4）动动态态电电阻阻rz：稳稳压压管管工工作作在在稳稳压压区区时时，其其端端电电压压变变化化量量与与端端电电流变化量之比，即流变化量之比，即rz=UZ/IDZ。rz越小，稳压性能越好。越小，稳压性能越好。对于同一个稳压管，工作电流越大，对于同一个稳压管，工作电流越大，rz越小越小。第43页，共118页，编辑于2022年，星期一 （5）温温度度系系数数：温温度度每每变变化化1所所引引起起的的稳稳定定电电压压的的变变化化量量，即即=U

44、Z/T。通通常常稳稳定定电电压压低低于于4V的的稳稳压压管管具具有有负负温温度度系系数数（属属于于齐齐纳纳击击穿），即温度升高时，稳定电压值下降；穿），即温度升高时，稳定电压值下降；稳稳定定电电压压大大于于7V的的稳稳压压管管具具有有正正温温度度系系数数（属属于于雪雪崩崩击击穿穿），即即温温度度升高时，稳定电压值上升；升高时，稳定电压值上升；稳稳定定电电压压在在47V之之间间的的稳稳压压管管，温温度度系系数数较较小小，说说明明管管子子的的稳稳定电压受温度的影响小，性能比较稳定。定电压受温度的影响小，性能比较稳定。第44页，共118页，编辑于2022年，星期一 在在使使用用稳稳压压管管组组成成稳

45、稳压压电电路路时时，应应使使外外加加电电源源的的正正极极接接管管子子的的N区区，负极接管子的负极接管子的P区区，保证稳压管工作在，保证稳压管工作在反向击穿区反向击穿区。由由图图可可见见，稳稳压压管管并并联联在在负负载载RL的的两两端端，以以使使负负载载两两端端电电压压在在Ui和和RL变化时保持稳定。变化时保持稳定。此此外外，为为了了保保证证稳稳压压管管正正常常工工作作时时的的反反向向电电流流在在IZminIZmax之之间间，在在电电路路中中串串联联一一个个限限流流电电阻阻R，只只有有当当R取取值值合合适适时时，稳稳压压管管才才能能安安全全地地工作在稳压状态。工作在稳压状态。图图1-20稳压管稳

46、压电路稳压管稳压电路 第45页，共118页，编辑于2022年，星期一例例3：一稳压电路如图所示，其中的直流输入电压：一稳压电路如图所示，其中的直流输入电压Ui是由汽车上的铅酸电池供电，电压是由汽车上的铅酸电池供电，电压在在1213.6V之间波动。负载为移动式播放器，当他的音量最大时，需供给的之间波动。负载为移动式播放器，当他的音量最大时，需供给的功率为功率为0.5W。稳压管主要参数：稳定电压稳压管主要参数：稳定电压Uz=9V，稳定电流的范围，稳定电流的范围Iz=5mA56mA，额定功率为，额定功率为1W。限流电阻限流电阻R的值为的值为51。试试分析此分析此稳压电稳压电路能否正常工作。路能否正常

47、工作。第46页，共118页，编辑于2022年，星期一解：负载所消耗的功率解：负载所消耗的功率=ULIL(1)负载电流最大值负载电流最大值ILM=PLM/UL=0.5W/9V=56mA(2)检验稳压管的额定功率：检验稳压管的额定功率：当空载时当空载时(IL=0)时，稳压管的最大功率为：时，稳压管的最大功率为：PZ=IRUZ=(UIM-UZ)/R)UZ=(13.6-9)/51)9=0.81W此功率未超过稳压管的额定功率。此功率未超过稳压管的额定功率。(3)检验限流电阻检验限流电阻R的功率定额：的功率定额：当当UI=UIM且为满负载的情况下，且为满负载的情况下，R上所消耗的功率为：上所消耗的功率为：

48、PR=URIR=(UIM-UZ)(UIM-UZ)/R=(13.6-9)(13.6-9)/51=0.41W为了安全和可靠起见，限流电阻为了安全和可靠起见，限流电阻R以选用以选用1W的电阻为宜。的电阻为宜。第47页，共118页，编辑于2022年，星期一 又称晶体管，英文名称：又称晶体管，英文名称：Transister。半导体三极管有两大类型，半导体三极管有两大类型，一是双极型半导体三极管一是双极型半导体三极管(BJT)，BipolarJunctionTransistor二是场效应半导体三极管二是场效应半导体三极管(FET)。FieldEffectTransistor1.3 半导体三极管双极型半导体

49、三极管是由两种载流子双极型半导体三极管是由两种载流子参与导电的半导体器件，它由两个参与导电的半导体器件，它由两个PN结组合而成，是一种结组合而成，是一种CCCS器件器件。场效应型半导体三极管仅由一种载场效应型半导体三极管仅由一种载流子参与导电，是一种流子参与导电，是一种VCCS器件器件。第48页，共118页，编辑于2022年，星期一1.3.1 双极型半导体三极管的结构双极型半导体三极管的结构NPN型PNP型这是基极b这是发射极e这是集电极c这是发射结Je这是集电结Jc三极管符号短粗三极管符号短粗线：基极。线：基极。发射极箭头方向：发射极箭头方向：发射极电流的实发射极电流的实际方向。际方向。第4

50、9页，共118页，编辑于2022年，星期一发射区的掺杂浓度大发射区的掺杂浓度大，集电区掺杂浓度低，且集电结面积大集电区掺杂浓度低，且集电结面积大。基区要制造得很薄基区要制造得很薄，其厚度一般在几个微米至几十个微米。，其厚度一般在几个微米至几十个微米。从外表上看两个从外表上看两个N区，区，(或两个或两个P区区)是对称的，但发射极和是对称的，但发射极和集电极不能互换。因为实际上：集电极不能互换。因为实际上：第50页，共118页，编辑于2022年，星期一 1三极管的三极管的PN结偏置结偏置 为为使使三三极极管管正正常常工工作作，必必须须给给三三极极管管的的两两个个PN结结加加上上合合适适的的直直流流