【教学课件】第一章半导体器件.ppt

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1、第一章第一章半半导导体体器器件件1.1半导体基础知识半导体基础知识1.2PN结结1.3半导体三极管半导体三极管1.1半导体基础知识半导体基础知识物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物物质质的的导导电电特特性性取取决决于于原原子子结结构构。导导体体一一般般为为低低价价元元素素,如如铜铜、铁铁、铝铝等等金金属属,其其最最外外层层电电子子受受原原子子核核的的束束缚缚力力很很小小,因因而而极极易易挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子。因因此此在在外外电电场场作作用用下下,这这些些电电子子产产生生定定向向运运动动(称称为为漂漂移移运运动

2、动)形形成成电电流流,呈呈现现出出较较好好的的导导电电特特性性。高高价价元元素素(如如惰惰性性气气体体)和和高高分分子子物物质质(如如橡橡胶胶,塑塑料料)最最外外层层电电子子受受原原子子核核的的束束缚缚力力很很强强,极极不不易易摆摆脱脱原原子子核核的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子,所所以以其其导导电电性性极极差差,可可作作为为绝绝缘缘材材料料。而而半半导导体体材材料料最最外外层层电电子子既既不不像像导导体体那那样样极极易易摆摆脱脱原原子子核核的的束束缚缚,成成为为自自由由电电子子,也也不不像像绝绝缘缘体体那那样样被被原原子子核核束束缚缚得得那那么么紧紧,因此因此,半导体的导电特性介于二者之

3、间。半导体的导电特性介于二者之间。1.1.1本征半导体本征半导体纯纯净净晶晶体体结结构构的的半半导导体体称称为为本本征征半半导导体体。常常用用的的半半导导体体材材料料是是硅硅和和锗锗,它它们们都都是是四四价价元元素素,在在原原子子结结构构中中最最外外层层轨轨道道上上有有四四个个价价电电子子。为为便便于于讨讨论论,采采用用图图1-所所示示的的简简化化原原子子结结构构模模型型。把把硅硅或或锗锗材材料料拉拉制制成成单单晶晶体体时时,相相邻邻两两个个原原子子的的一一对对最最外外层层电电子子(价价电电子子)成成为为共共有有电电子子,它它们们一一方方面面围围绕绕自自身身的的原原子子核核运运动动,另另一一方

4、方面面又又出出现现在在相相邻邻原原子子所所属属的的轨轨道道上上。即即价价电电子子不不仅仅受受到到自自身身原原子子核核的的作作用用,同同时时还还受受到到相相邻邻原原子子核核的的吸吸引引。于于是是,两两个个相相邻邻的的原原子子共共有有一一对对价价电电子子,组组成成共共价价键键结结构构。故故晶晶体体中中,每每个个原原子子都都和和周周围围的的个个原原子子用用共共价价键键的的形形式式互互相相紧紧密密地地联联系系起起来来,如如图图-所示。所示。图图11硅和锗简化原子硅和锗简化原子结构模型结构模型4共价键价电子44444444图图12本征半导体共价键晶体结构示意图本征半导体共价键晶体结构示意图4444444

5、44自由电子空穴共共价价键键中中的的价价电电子子由由于于热热运运动动而而获获得得一一定定的的能能量量,其其中中少少数数能能够够摆摆脱脱共共价价键键的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子,同同时时必必然然在在共共价键中留下空位价键中留下空位,称为空穴。空穴带正电称为空穴。空穴带正电,如图如图1-所示。所示。图 1 3 本征半导体中的自由电子和空穴 由由此此可可见见,半半导导体体中中存存在在着着两两种种载载流流子子：带带负负电电的的自自由由电电子子和和带带正正电电的的空空穴穴。本本征征半半导导体体中中,自自由由电电子子与与空空穴穴是是同同时时成成对对产产生生的的,因因此此,它它们们的的浓浓度度是

6、是相相等等的的。我我们们用用n和和p分分别别表表示示电电子子和和空空穴穴的的浓浓度度,即即ni=pi,下下标标i表表示为本征半导体。示为本征半导体。价价电电子子在在热热运运动动中中获获得得能能量量产产生生了了电电子子-空空穴穴对对。同同时时自自由由电电子子在在运运动动过过程程中中失失去去能能量量,与与空空穴穴相相遇遇,使使电电子子、空空穴穴对对消消失失,这这种种现现象象称称为为复复合合。在在一一定定温温度度下下,载载流流子子的的产产生生过过程程和和复复合合过过程程是是相相对对平平衡衡的的,载载流流子子的的浓浓度度是是一一定定的的。本本征征半半导导体体中中载载流流子子的的浓浓度度,除除了了与与半

7、半导导体体材材料料本本身身的的性性质质有有关关以以外外,还还与与温温度度有有关关,而而且且随随着着温温度度的的升升高高,基基本本上上按按指指数数规规律律增增加加。因因此此,半半导导体体载载流流子子浓浓度度对对温温度度十十分分敏敏感感。对对于于硅硅材材料料,大大约约温温度度每每升升高高,本本征征载载流流子子浓浓度度ni增增加加1倍倍；对对于于锗锗材材料料,大大约约温温度度每每升升高高,增增加加1倍倍。除除此此之之外外,半半导导体体载载流流子子浓浓度度还还与与光光照照有有关关,人们正是利用此特性人们正是利用此特性,制成光敏器件。制成光敏器件。1.1.2杂质半导体杂质半导体1.型半导体型半导体在在本

8、本征征半半导导体体中中,掺掺入入微微量量价价元元素素,如如磷磷、锑锑、砷砷等等,则则原原来来晶晶格格中中的的某某些些硅硅(锗锗)原原子子被被杂杂质质原原子子代代替替。由由于于杂杂质质原原子子的的最最外外层层有有个个价价电电子子,因因此此它它与与周周围围个个硅硅(锗锗)原原子子组组成成共共价价键键时时,还还多多余余1个个价价电电子子。它它不不受受共共价价键键的的束束缚缚,而而只只受受自自身身原原子子核核的的束束缚缚,因因此此,它它只只要要得得到到较较少少的的能能量量就就能能成成为为自自由由电电子子,并并留留下下带带正正电电的的杂杂质质离离子子,它它不不能能参参与与导导电电,如如图图-所所示示。显

9、显然然,这这种种杂杂质质半半导导体体中中电电子子浓浓度度远远远远大大于于空空穴穴的的浓浓度度,即即nnpn(下下标标表表示示是是型型半半导导体体),主主要要靠靠电电子子导导电电,所所以以称称为为型型半半导导体体。由由于于价价杂杂质质原原子子可可提提供供自自由由电电子子,故故称称为为施施主主杂杂质质。型型半半导导体体中中,自自由由电电子子称称为为多多数数载载流流子子；空空穴穴称称为少数载流子。为少数载流子。444454444键外电子施主原子图图1-4N型半导体共价键结构型半导体共价键结构杂杂质质半半导导体体中中多多数数载载流流子子浓浓度度主主要要取取决决于于掺掺入入的的杂杂质质浓浓度度。由由于于

10、少少数数载载流流子子是是半半导导体体材材料料共共价价键键提提供供的的,因因而而其其浓浓度度主主要要取取决决于于温温度度。此此时时电电子子浓浓度度与与空空穴穴浓浓度之间度之间,可以证明有如下关系：可以证明有如下关系：即在一定温度下即在一定温度下,电子浓度与空穴浓度的乘积是一电子浓度与空穴浓度的乘积是一个常数个常数,与掺杂浓度无关。与掺杂浓度无关。2.P型半导体型半导体在在本本征征半半导导体体中中,掺掺入入微微量量价价元元素素,如如硼硼、镓镓、铟铟等等,则则原原来来晶晶格格中中的的某某些些硅硅(锗锗)原原子子被被杂杂质质原原子子代替。代替。444444444空位受主原子图 1 5 P型半导体的共价

11、键结构 1.结结1.2.1异型半导体接触现象异型半导体接触现象图 1 -6 PN结的形成 1.2.2结的单向导电特性结的单向导电特性1.结外加正向电压结外加正向电压若若将将电电源源的的正正极极接接区区,负负极极接接区区,则则称称此此为为正正向向接接法法或或正正向向偏偏置置。此此时时外外加加电电压压在在阻阻挡挡层层内内形形成成的的电电场场与与自自建建场场方方向向相相反反,削削弱弱了了自自建建场场,使使阻阻挡挡层层变变窄窄,如如图图-()所所示示。显显然然,扩扩散散作作用用大大于于漂漂移移作作用用,在在电电源源作作用用下下,多多数数载载流流子子向向对对方方区区域域扩扩散散形形成成正正向向电电流流,

12、其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。其方向由电源正极通过区、区到达电源负极。此此时时,结结处处于于导导通通状状态态,它它所所呈呈现现出出的的电电阻阻为为正正向向电电阻阻,其其阻阻值值很很小小。正正向向电电压压愈愈大大,正正向向电电流流愈愈大大。其其关系是指数关系：关系是指数关系：式中式中,为流过结的电流；为流过结的电流；U为结两端电压；为结两端电压；,称为温度电压当量称为温度电压当量,其中其中k为玻耳兹曼常数为玻耳兹曼常数,为为绝绝对对温温度度,q为为电电子子的的电电量量,在在室室温温下下即即时时,；为为反反向向饱饱和和电电流流。电电路路中中的的电电阻阻是是为为了了限限制制正正向向电电流流

13、的的大大小小而而接接入入的的限限流流电电阻阻。图 1 -7 PN结单向导电特性 2.结外加反向电压结外加反向电压若将电源的正极接区若将电源的正极接区,负极接区负极接区,则称此为反向接则称此为反向接法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自法或反向偏置。此时外加电压在阻挡层内形成的电场与自建场方向相同建场方向相同,增强了自建场增强了自建场,使阻挡层变宽使阻挡层变宽,如图如图-()所示。所示。此时漂移作用大于扩散作用此时漂移作用大于扩散作用,少数载流子在电少数载流子在电场作用下作漂移运动场作用下作漂移运动,由于其电流方向与正向电压时相反由于其电流方向与正向电压时相反,故称为反向电流。故称为

14、反向电流。由于反向电流是由少数载流子所形成的由于反向电流是由少数载流子所形成的,故反向电流很小故反向电流很小,而且当外加反向电压超过零点几伏时而且当外加反向电压超过零点几伏时,少少数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流数载流子基本全被电场拉过去形成漂移电流,此时反向电压此时反向电压再增加再增加,载流子数也不会增加载流子数也不会增加,因此反向电流也不会增加因此反向电流也不会增加,故称为反向饱和电流故称为反向饱和电流,即即。此此时时,结结处处于于截截止止状状态态,呈呈现现的的电电阻阻称称为为反反向向电电阻阻,其阻值很大其阻值很大,高达几百千欧以上。高达几百千欧以上。综综上上所所述述：结结加加正正向

15、向电电压压,处处于于导导通通状状态态；加加反反向电压向电压,处于截止状态处于截止状态,即结具有单向导电特性。即结具有单向导电特性。将上述电流与电压的关系写成如下通式：将上述电流与电压的关系写成如下通式：此方程称为伏安特性方程此方程称为伏安特性方程,如图如图-所示所示,该曲线称为该曲线称为伏安特性曲线。伏安特性曲线。(1-1)图 1-8 PN结伏安特性 1.2.3结的击穿结的击穿PN结结处处于于反反向向偏偏置置时时,在在一一定定电电压压范范围围内内,流流过过结结的的电电流流是是很很小小的的反反向向饱饱和和电电流流。但但是是当当反反向向电电压压超超过过某某一一数数值值()后后,反反向向电电流流急急

16、剧剧增增加加,这这种种现现象象称称为为反反向向击击穿穿,如如图图-所所示示。称称为为击击穿穿电电压。压。结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。结的击穿分为雪崩击穿和齐纳击穿。当当反反向向电电压压足足够够高高时时,阻阻挡挡层层内内电电场场很很强强,少少数数载载流流子子在在结结区区内内受受强强烈烈电电场场的的加加速速作作用用,获获得得很很大大的的能能量量,在在运运动动中中与与其其它它原原子子发发生生碰碰撞撞时时,有有可可能能将将价价电电子子“打打”出出共共价价键键,形形成成新新的的电电子子、空空穴穴对对。这这些些新新的的载载流流子子与与原原先先的的载载流流子子一一道道,在在强强电电场场作作用用下下碰碰撞

17、撞其其它它原原子子打打出出更更多多的的电电子子、空空穴穴对对,如如此此链链锁锁反反应应,使使反反向向电电流流迅迅速速增增大大。这这种种击击穿穿称称为为雪雪崩崩击击穿穿。所所谓谓“齐齐纳纳”击击穿穿,是是指指当当结结两两边边掺掺入入高高浓浓度度的的杂杂质质时时,其其阻阻挡挡层层宽宽度度很很小小,即即使使外外加加反反向向电电压压不不太太高高(一一般般为为几几伏伏),在在结结内内就就可可形形成成很很强强的的电电场场(可可达达2106V/cm),将将共共价价键键的的价价电电子子直直接接拉拉出出来来,产产生生电电子子-空空穴穴对对,使反向电流急剧增加使反向电流急剧增加,出现击穿现象。出现击穿现象。对对硅

18、硅材材料料的的结结,击击穿穿电电压压大大于于V时时通通常常是是雪雪崩崩击击穿穿,小小于于V时时通通常常是是齐齐纳纳击击穿穿；在在V和和V之之间间时时两两种种击击穿穿均均有有。由由于于击击穿穿破破坏坏了了结结的的单单向向导导电电特特性性,因而一般使用时应避免出现击穿现象。因而一般使用时应避免出现击穿现象。发发生生击击穿穿并并不不一一定定意意味味着着结结被被损损坏坏。当当PN结结反反向向击击穿穿时时,只只要要注注意意控控制制反反向向电电流流的的数数值值(一一般般通通过过串串接接电电阻阻实实现现),不不使使其其过过大大,以以免免因因过过热热而而烧烧坏坏结结,当当反反向向电电压压(绝绝对对值值)降降低

19、低时时,结结的的性性能能就就可可以以恢恢复复正正常常。稳稳压压二二极极管管正正是是利利用用了了结结的的反反向向击击穿穿特特性性来来实实现现稳稳压压的的,当当流流过过结结的的电电流流变变化化时时,结结电电压压保保持持基基本本不不变变。1.2.4结的电容效应结的电容效应按电容的定义按电容的定义即即电电压压变变化化将将引引起起电电荷荷变变化化,从从而而反反映映出出电电容容效效应应。而而结结两两端端加加上上电电压压,结结内内就就有有电电荷荷的的变变化化,说说明明结结具具有有电电容容效效应应。结结具具有有两两种种电电容容：势势垒垒电容和扩散电容。电容和扩散电容。1.势垒电容势垒电容CT势势垒垒电电容容是

20、是由由阻阻挡挡层层内内空空间间电电荷荷引引起起的的。空空间间电电荷荷区区是是由由不不能能移移动动的的正正负负杂杂质质离离子子所所形形成成的的,均均具具有有一一定定的的电电荷荷量量,所所以以在在结结储储存存了了一一定定的的电电荷荷,当当外外加加电电压压使使阻阻挡挡层层变变宽宽时时,电电荷荷量量增增加加,如如图图-所所示示；反反之之,外外加加电电压压使使阻阻挡挡层层变变窄窄时时,电电荷荷量量减减少少。即即阻阻挡挡层层中中的的电电荷荷量量随随外外加加电电压压变变化化而而改改变变,形形成成了了电电容容效效应应,称称为为势势垒垒电电容容,用用表示。理论推导表示。理论推导图图1-9阻挡层内电荷量随外加电压

21、变化阻挡层内电荷量随外加电压变化图图1-10势垒电容和外加电压的关系势垒电容和外加电压的关系2扩散电容扩散电容CD图图1-11P区中电子浓度的分布曲线区中电子浓度的分布曲线及电荷的积累及电荷的积累2扩散电容扩散电容CD扩扩散散电电容容是是结结在在正正向向电电压压时时,多多数数载载流流子子在在扩扩散散过过程程中中引引起起电电荷荷积积累累而而产产生生的的。当当结结加加正正向向电电压压时时,区区的的电电子子扩扩散散到到区区,同同时时区区的的空空穴穴也也向向区区扩扩散散。显显然然,在在区区交交界界处处(x),载载流流子子的的浓浓度度最最高高。由由于于扩扩散散运运动动,离离交交界界处处愈愈远远,载载流流

22、子子浓浓度度愈愈低低,这这些些扩扩散散的的载载流流子子,在在扩扩散散区区积积累累了了电电荷荷,总总的的电电荷荷量量相相当当于于图图1-11中曲线以下的部分中曲线以下的部分(图图-表示了区电子表示了区电子p的分布的分布)。若结正向电压加大。若结正向电压加大,则多数载流子则多数载流子扩散加强扩散加强,电荷积累由曲线变为曲线电荷积累由曲线变为曲线,电荷增加电荷增加量为量为；反之；反之,若正向电压减少若正向电压减少,则积累的电荷将则积累的电荷将减少减少,这就是扩散电容效应这就是扩散电容效应CD,扩散电容正比于正扩散电容正比于正向电流向电流,即即DI。所以结的结电容。所以结的结电容包括两包括两部分部分,

23、即即Cj。一般说来。一般说来,结正偏时结正偏时,扩散电容起主要作用扩散电容起主要作用,；当结反偏时；当结反偏时,势垒电容起主要作用势垒电容起主要作用,即即。1.2.5半导体二极管半导体二极管半半导导体体二二极极管管是是由由结结加加上上引引线线和和管管壳壳构构成成的的。二二极极管管的的类类型型很很多多,按按制制造造二二极极管管的的材材料料分分,有有硅硅二二极极管管和和锗锗二二极极管管。从从管管子子的的结结构构来来分分,有有以以下下几几种种类类型型：(1)点接触型二极管。点接触型二极管。(2)面接触型二极管。面接触型二极管。(3)硅平面型二极管。硅平面型二极管。图图112半导体二极管的结构和符号半

24、导体二极管的结构和符号1.二极管的特性二极管的特性图 1 13 二极管的伏安特性曲线(1)正正向向特特性性：正正向向电电压压低低于于某某一一数数值值时时,正正向向电电流流很很小小,只只有有当当正正向向电电压压高高于于某某一一值值后后,才才有有明明显显的的正正向向电电流流。该该电电压压称称为为导导通通电电压压,又又称称为为门门限限电电压压或或死死区区电电压压,用用表表示示。在在室室温温下下,硅硅管管的的约约为为.V,锗锗管管的的约约为为.V。通通常常认认为为,当当正正向向电电压压on时时,二二极极管管截截止止；时时,二二极管导通。极管导通。(2)反反向向特特性性：二二极极管管加加反反向向电电压压

25、,反反向向电电流流数数值值很很小小,且且基基本本不不变变,称称反反向向饱饱和和电电流流。硅硅管管反反向向饱饱和和电电流流为为纳纳安安()数数量量级级,锗锗管管的的为为微微安安数数量量级级。当当反反向向电电压压加加到到一一定定值值时时,反反向向电电流流急急剧剧增增加加,产产生生击击穿穿。普普通通二二极极管管反反向向击击穿穿电电压压一一般般在在几几十十伏伏以以上上(高高反反压压管管可可达达几几千伏千伏)。(3)二二极极管管的的温温度度特特性性：二二极极管管的的特特性性对对温温度度很很敏敏感感,温温度度升升高高,正正向向特特性性曲曲线线向向左左移移,反反向向特特性性曲曲线线向向下下移移。其其规规律律

26、是是：在在室室温温附附近近,在在同同一一电电流流下下,温温度度每每升升高高,正正向向压压降降减减小小.V；温温度度每升高每升高,反向电流约增大反向电流约增大1倍。倍。2.二极管的主要参数二极管的主要参数(1)最最大大整整流流电电流流。它它是是二二极极管管允允许许通通过过的的最最大大正正向向平平均均电电流流。工工作作时时应应使使平平均均工工作作电电流流小小于于,如如超超过过,二二极极管管将将过过热热而而烧烧毁毁。此此值值取取决决于于结结的的面积、材料和散热情况。面积、材料和散热情况。(2)最最大大反反向向工工作作电电压压。这这是是二二极极管管允允许许的的最最大大工工作作电电压压。当当反反向向电电

27、压压超超过过此此值值时时,二二极极管管可可能能被被击击穿穿。为了留有余地为了留有余地,通常取击穿电压的一半作为通常取击穿电压的一半作为。(3)反反向向电电流流。指指二二极极管管未未击击穿穿时时的的反反向向电电流流值值。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。由由于于反反向向电电流流是是由由少少数数载载流流子子形形成成,所所以以值值受受温温度度的的影影响响很很大。大。(4)最最高高工工作作频频率率。的的值值主主要要取取决决于于结结结结电电容容的的大大小小,结结电电容容越越大大,则则二二极极管管允允许许的的最最高高工工作频率越低。作频率越低。(5)二二极极管管的的直直流流电

28、电阻阻。加加到到二二极极管管两两端端的的直直流流电电压压与与流流过过二二极极管管的的电电流流之之比比,称称为为二二极极管管的的直直流流电电阻阻,即即此此值值可可由由二二极极管管特特性性曲曲线线求求出出,如如图图-所所示示。工工作点电压为作点电压为.V,电流电流,则则图图1-14求直流电阻求直流电阻(6)二二极极管管的的交交流流电电阻阻。在在二二极极管管工工作作点点附附近近,电电压压的的微微变变值值与与相相应应的的微微变变电电流流值值之之比比,称称为为该点的交流电阻该点的交流电阻,即即dUrI=从其几何意义上讲从其几何意义上讲,当当时时就就是是工工作作点点处处的的切切线线斜斜率率倒倒数数。显显然

29、然,也也是是非非线线性性的的,即即工工作作电电流流越越大大,越越小小。交交流流电电阻阻也也可可从从特特性性曲曲线线上上求求出出,如如图图-所所示示。过过点点作作切切线线,在在切切线线上上任任取取两两点点、,查查出出这这两两点点间间的的和和,则得则得图1-15 求交流电阻交流电阻交流电阻rd也可利用也可利用PN结的电流方程结的电流方程(1-1)求出。求出。取取I的微分可得的微分可得即即式式中中,IDQ为为二二极极管管工工作作点点的的电电流流,单单位位取取mA。式式(1-5)的近似等式在室温条件下的近似等式在室温条件下(T=300K)成立。成立。对对同同一一工工作作点点而而言言,直直流流电电阻阻R

30、D大大于于交交流流电电阻阻rd；对对不同工作点而言不同工作点而言,工作点愈高工作点愈高,RD和和rd愈低。愈低。（1-51-5）1.2.6稳压二极管稳压二极管图图1-16稳压管伏安特性和符号稳压管伏安特性和符号图图1-17稳压管电路稳压管电路1.稳定电压稳定电压Uz稳稳定定电电压压是是稳稳压压管管工工作作在在反反向向击击穿穿区区时时的的稳稳定定工工作作电电压压。由由于于稳稳定定电电压压随随着着工工作作电电流流的的不不同同而而略略有有变变化化,因因而而测测试试Uz时时应应使使稳稳压压管管的的电电流流为为规规定定值值。稳稳定定电电压压是是根根据据要要求求挑挑选选稳稳压压管管的的主主要要依依据据之之

31、一一。不不同同型型号号的的稳稳压压管管,其其稳稳定定电电压压值值不不同同。同同一一型型号号的的管管子子,由由于于制制造造工工艺艺的的分分散散性性,各各个个管管子子的的值值也也有有差差别别。例例如如稳稳压压管管DW7C,其其.1.V,表表明明均均为为合合格格产产品品,其其稳稳定定值值有有的的管管子子是是.V,有有的的可可能能是是.V等等等等,但但这这并并不不意意味味着着同同一一个个管管子子的的稳稳定定电电压压的的变变化化范范围围有有如如此此大大。2.稳定电流稳定电流Iz稳稳定定电电流流是是使使稳稳压压管管正正常常工工作作时时的的最最小小电电流流,低低于于此此值值时时稳稳压压效效果果较较差差。工工

32、作作时时应应使使流流过过稳稳压压管管的的电电流流大大于于此此值值。一一般般情情况况是是,工工作作电电流流较较大大时时,稳稳压压性性能能较较好好。但电流要受管子功耗的限制但电流要受管子功耗的限制,即即Izmax=Pz/Uz。3.电压温度系数电压温度系数指指稳稳压压管管温温度度变变化化时时,所所引引起起的的稳稳定定电电压压变变化化的的百百分分比比。一一般般情情况况下下,稳稳定定电电压压大大于于V的的稳稳压压管管,为为正正值值,即即当当温温度度升升高高时时,稳稳定定电电压压值值增增大大。如如CW,10.5V,.%/,说说明明当当温温度度升升高高时时,稳稳定定电电压压增增大大0.09%。而而稳稳定定电

33、电压压小小于于V的的稳稳压压管管,为为负负值值,即即当当温温度度升升高高时时,稳稳定定电电压压值值减减小小,如如CW11,.V,(.%.%),若若.%,表表明明当当温温度度升升高高时时,稳稳定定电电压压减减小小0.05%。稳稳定定电电压压在在V间间的的稳稳压压管管,其其值较小值较小,稳定电压值受温度影响较小稳定电压值受温度影响较小,性能比较稳定。性能比较稳定。4.动态电阻动态电阻rz是是稳稳压压管管工工作作在在稳稳压压区区时时,两两端端电电压压变变化化量量与与电电流流变变化化量量之之比比,即即。值值越越小小,则则稳稳压压性性能能越越好好。同同一一稳稳压压管管,一一般般工工作作电电流流越越大大时

34、时,值值越越小小。通通常常手手册册上上给给出出的的值值是是在在规规定定的的稳稳定定电流之下测得的。电流之下测得的。5.额定功耗额定功耗Pz由由于于稳稳压压管管两两端端的的电电压压值值为为,而而管管子子中中又又流流过过一一定定的的电电流流,因因此此要要消消耗耗一一定定的的功功率率。这这部部分分功功耗耗转转化化为为热热能能,会使稳压管发热。会使稳压管发热。取决于稳压管允许的温升。取决于稳压管允许的温升。表表-给给出出几几种种稳稳压压管管的的典典型型参参数数。其其中中DW7系系列列的的稳稳压压管管是是一一种种具具有有温温度度补补偿偿效效应应的的稳稳压压管管,用用于于电电子子设设备备的的精精密密稳稳压

35、压源源中中。管管子子内内部部实实际际上上包包含含两两个个温温度度系系数数相相反反的的二二极极管管对对接接在在一一起起。当当温温度度变变化化时时,一一个个二二极极管管被被反反向向偏偏置置,温温度度系系数数为为正正值值；而而另另一一个个二二极极管管被被正正向向偏偏置置,温温度度系系数数为为负负值值,二二者者互互相相补补偿偿,使使、两两端端之之间间的的电电压压随随温温度度的的变变化化很很小小。它它们们的的电电压压温温度度系系数数比比其其它它一一般般的的稳稳压压管约小一个数量级。如管约小一个数量级。如DW7C,=0.005%/。1.2.7二极管的应用二极管的应用二二极极管管的的运运用用基基础础,就就是

36、是二二极极管管的的单单向向导导电电特特性性,因因此此,在在应应用用电电路路中中,关关键键是是判判断断二二极极管管的的导导通通或或截截止止。二二极极管管导导通通时时一一般般用用电电压压源源.V(硅硅管管,如如是是锗锗管管用用.V)代代替替,或或近近似似用用短短路路线线代代替替。截截止止时时,一一般般将将二二极极管管断断开开,即即认认为为二二极极管管反反向向电电阻阻为为无无穷穷大大。二极管的整流电路放在第十章直流电源中讨论。二极管的整流电路放在第十章直流电源中讨论。1.限幅电路限幅电路当当输输入入信信号号电电压压在在一一定定范范围围内内变变化化时时,输输出出电电压压随随输输入入电电压压相相应应变变

37、化化；而而当当输输入入电电压压超超出出该该范范围围时时,输输出出电电压压保保持持不不变变,这这就就是是限限幅幅电电路路。通通常常将将输输出出电电压压uo开开始始不不变变的的电电压压值值称称为为限限幅幅电电平平,当当输输入入电电压压高高于于限限幅幅电电平平时时,输输出出电电压压保保持持不不变变的的限限幅幅称称为为上上限限幅幅；当当输输入入电电压压低低于于限限幅幅电电平平时时,输输出出电电压压保保持持不不变变的的限限幅幅称称为为下下限限幅。幅。限幅电路如图限幅电路如图-所示。改变值就可改变限所示。改变值就可改变限幅电平。幅电平。图图118并联二极管上限幅电路并联二极管上限幅电路 V,限限幅幅电电平

38、平为为V。u时时二二极极管管导导通通,uoV；uiV,二二极极管管截截止止,uou。波波形形如如图图-19(a)所示。所示。如如果果Um,则则限限幅幅电电平平为为。u,二二极极管管截截止止,uou；u,二二极极管管导导通通,uo。波波形形图图如图如图-()所示。所示。如如果果m,则则限限幅幅电电平平为为-E,波波形形图图如如图图-19()所示。所示。图图1-19二极管并联上限幅电路波形关系二极管并联上限幅电路波形关系图图1-20并联下限幅电路并联下限幅电路图图1-21串联限幅电路串联限幅电路图图1-22双向限幅电路双向限幅电路2二极管门电路二极管门电路图图1-23二极管二极管“与与”门电路门电

39、路1.2.8其它二极管其它二极管1.发光二极管发光二极管图图1-24发光二极管符号发光二极管符号2.光电二极管光电二极管图图1-25光电二极管符号光电二极管符号3.光电耦合器件光电耦合器件图 1 -26 光电耦合器件 4.变容二极管变容二极管图图1-27变容二极管符号变容二极管符号1.3半导体三极管半导体三极管图图1-28几种半导体三极管的外形几种半导体三极管的外形1.3.1三极管的结构及类型三极管的结构及类型图 1 29 三极管的结构示意图和符号 无无论论是是NPN型型或或是是PNP型型的的三三极极管管,它它们们均均包包含含三三个个区区:发发射射区区、基基区区和和集集电电区区,并并相相应应地

40、地引引出出三三个个电电极极：发发射射极极（e)、基基极极(b)和和集集电电极极(c)。同同时时,在在三三个个区区的的两两两两交交界界处处,形形成成两两个个PN结结,分分别别称称为为发发射射结结和和集集电电结结。常常用用的的半半导导体体材材料料有有硅硅和和锗锗,因因此此共共有有四四种种三三极极管管类类型型。它它们们对对应应的的型型号号分分别别为为：3A(锗锗PNP)、3B(锗锗NPN)、3C(硅硅PNP)、3D(硅硅NPN)四种系列。四种系列。1.3.2三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式图图1-30三极管的三种连接方式三极管的三种连接方式1.3.3三极管的放大作用三极管的放大作用1.载流子

41、的传输过程载流子的传输过程(1)发射。发射。(2)(2)扩散和复合。扩散和复合。(3)(3)收集。收集。图图131三极管中载流子的传输过程三极管中载流子的传输过程2.电流分配电流分配图图1-32三极管电流分配三极管电流分配集集电电极极电电流流由由两两部部分分组组成成：和和,前前者者是是由由发发射射区区发发射射的的电电子子被被集集电电极极收收集集后后形形成成的的,后后者者是是由由集集电电区区和和基基区区的的少少数数载载流流子子漂漂移移运运动动形形成成的的,称为反向饱和电流。称为反向饱和电流。于是有于是有(1-6)发发射射极极电电流流也也由由两两部部分分组组成成：和和。为为发发射射区区发发射射的的

42、电电子子所所形形成成的的电电流流,是是由由基基区区向向发发射射区区扩扩散散的的空空穴穴所所形形成成的的电电流流。因因为为发发射射区区是是重重掺掺杂杂,所所以以忽忽略略不不计计,即即。又又分分成成两两部部分分,主主要要部部分分是是,极极少少部部分分是是。是是电电子子在在基基区区与与空空穴穴复复合合时时所所形形成成的的电电流流,基基区区空空穴穴是是由由电源电源提供的提供的,故它是基极电流的一部分。故它是基极电流的一部分。基极电流基极电流是是与与之差：之差：(1-7)(1-8)发发射射区区注注入入的的电电子子绝绝大大多多数数能能够够到到达达集集电电极极,形形成成集电极电流集电极电流,即要求即要求。通

43、通常常用用共共基基极极直直流流电电流流放放大大系系数数衡衡量量上上述述关关系系,用用来表示来表示,其定义为其定义为(1-9)一一般般三三极极管管的的值值为为0.970.99。将将(-)式式代代入入(-)式式,可得可得(1-10)通常通常CBO,可将可将忽略忽略,由上式可得出由上式可得出(1-11)三极管的三个极的电流满足节点电流定律三极管的三个极的电流满足节点电流定律,即即将此式代入将此式代入(1-10)式得式得(1-12)经过整理后得经过整理后得令令称为共发射极直流电流放大系数。当称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时时,又可写成又可写成(1-13)(1-14)则则其中其中ICEO称

44、为穿透电流称为穿透电流,即即一一般般三三极极管管的的约约为为几几十十几几百百。太太小小,管管子子的的放放大大能力就差能力就差,而而过大则管子不够稳定。过大则管子不够稳定。表表1-3三极管电流关系的一组典型数据三极管电流关系的一组典型数据IB/mA-0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96相相应应地地,将将集集电电极极电电流流与与发发射射极极电电流流的的变变化化量量之之比比,定定义义为为共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数,即即故故 显然显然与与,与

45、与其意义是不同的其意义是不同的,但是在多数情况但是在多数情况下下,。例例如如,从从表表-知知,在在mA附附近近,设设由由mA变为变为mA,可求得可求得1.3.4三极管的特性曲线三极管的特性曲线图图133三极管共发射极特性曲线测试电路三极管共发射极特性曲线测试电路1.输入特性输入特性当当不变时不变时,输输入回路中的电流入回路中的电流与与电压电压之间的关系曲之间的关系曲线称为输入特性线称为输入特性,即即图图1-34三极管的输入特性三极管的输入特性2.输出特性输出特性当当不不变变时时,输输出出回回路路中中的的电电流流与与电电压压之之间间的的关关系系曲曲线线称称为输出特性为输出特性,即即图图1-35三

46、极管的输出特性三极管的输出特性(1)截止区。截止区。一一般般将将的的区区域域称称为为截截止止区区,在在图图中中为为的的一一条条曲曲线线的的以以下下部部分分。此此时时也也近近似似为为零零。由由于于各各极极电电流流都基本上等于零都基本上等于零,因而此时三极管没有放大作用。因而此时三极管没有放大作用。其实其实时时,并不等于零并不等于零,而是等于穿透电流而是等于穿透电流ICEO。一一般般硅硅三三极极管管的的穿穿透透电电流流小小于于A,在在特特性性曲曲线线上上无无法法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。当当发发射射结结反反向向偏偏置置时时,发发射射

47、区区不不再再向向基基区区注注入入电电子子,则则三三极极管管处处于于截截止止状状态态。所所以以,在在截截止止区区,三三极极管管的的两两个个结结均均处于反向偏置状态。对三极管处于反向偏置状态。对三极管,BC。(2)放大区。放大区。此此时时发发射射结结正正向向运运用用,集集电电结结反反向向运运用用。在在曲曲线线上上是是比比较较平平坦坦的的部部分分,表表示示当当一一定定时时,的的值值基基本本上上不不随随CE而而变变化化。在在这这个个区区域域内内,当当基基极极电电流流发发生生微微小小的的变变化化量量时时,相相应应的的集集电电极极电电流流将将产产生生较较大大的的变变化化量量,此时二者的关系为此时二者的关系

48、为该式体现了三极管的电流放大作用。该式体现了三极管的电流放大作用。对对于于三三极极管管,工工作作在在放放大大区区时时.V,而而。(3)饱和区。饱和区。曲曲线线靠靠近近纵纵轴轴附附近近,各各条条输输出出特特性性曲曲线线的的上上升升部部分分属属于于饱饱和和区区。在在这这个个区区域域,不不同同值值的的各各条条特特性性曲曲线线几几乎乎重重叠叠在在一一起起,即即当当较较小小时时,管管子子的的集集电电极极电电流流基基本本上上不不随随基基极极电电流流而而变变化化,这这种种现现象象称称为为饱饱和和。此此时时三三极极管管失失去去了了放放大大作用作用,或或关系不成立。关系不成立。一一般般认认为为CEBE,即即CB

49、时时,三三极极管管处处于于临临界界饱饱和和状状态态,当当CEBE时时称称为为过过饱饱和和。三三极极管管饱饱和和时时的的管管压压降降用用CES表表示示。在在深深度度饱饱和和时时,小小功功率率管管管管压压降降通通常常小小于于.V。三三极极管管工工作作在在饱饱和和区区时时,发发射射结结和和集集电电结结都都处处于于正正向向偏偏置置状态。对状态。对NPN三极管三极管,。1.3.5三极管的主要参数三极管的主要参数(1)共共发发射射极极交交流流电电流流放放大大系系数数。体体现现共共射射极极接接法法之下的电流放大作用。之下的电流放大作用。(2)共发射极直流电流放大系数共发射极直流电流放大系数。由式由式(1-1

50、5)得得当当ICICEO时时,IC/IB。(3)共基极交流电流放大系数共基极交流电流放大系数。体现共基极接法下的体现共基极接法下的电流放大作用。电流放大作用。(4)共共基基极极直直流流电电流流放放大大系系数数。在在忽忽略略反反向向饱饱和和电电流流时时,2.极间反向电流极间反向电流图图1-36三极管极间反向电流的测量三极管极间反向电流的测量3极限参数极限参数(1)集电极最大允许电流集电极最大允许电流。图图1-37与与IC关系曲线关系曲线(2)集集电电极极最最大大允允许许功功率率损损耗耗。当当三三极极管管工工作作时时,管管子子两两端端电电压压为为,集集电电极极电电流流为为,因因此此集集电电极极损损