【教学课件】第一章半导体器件基础.ppt

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1、第一章第一章 半导体器件基础半导体器件基础 教学时数：教学时数：8 8学时学时重点与难点：重点与难点：1 1、PNPN结的原理和二极管的等效电路。结的原理和二极管的等效电路。2 2、半导体内部载流子运动规律。、半导体内部载流子运动规律。3 3、晶晶体体二二极极管管、晶晶体体三三极极管管、结结型型场场效效应应管管、绝绝缘缘栅栅型型场场应应管管的的工工作作原原理理和和特特性性曲曲线线。11.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1 半导体基础知识半导体基础知识1.1.1 本征半导体本征半导体根据物体导电能力根据物体导电能力(电阻率电阻率)的不同，来划分导体、绝的不同，来划分导体、绝缘体和半导体。缘体

2、和半导体。1.1.导体：容易导电的物体。导体：容易导电的物体。2.2.绝缘体：几乎不导电的物体。绝缘体：几乎不导电的物体。23.半导体半导体 半导体是半导体是导电性能介于导体和绝缘体之间导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。在一定条件下可导电。的物体。在一定条件下可导电。半导体的电阻率为半导体的电阻率为1010-3-310109 9 cmcm。典型的半导。典型的半导体有体有硅硅SiSi和和锗锗GeGe以及以及砷化镓砷化镓GaAsGaAs等。等。半导体半导体特点：特点：1)1)在外界能源的作用下，导电性能显著变在外界能源的作用下，导电性能显著变 化。光敏元件、热敏元件属于此类。化。光敏元件、热敏元

3、件属于此类。2)2)在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显在纯净半导体内掺入杂质，导电性能显 著增加。二极管、三极管属于此类。著增加。二极管、三极管属于此类。3 本征半导体本征半导体1.1.本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体。化学成分纯净的半导体。制造半制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%99.9999999%，常称为常称为“九个九个9”9”。它在物理结构上呈单晶体形态。它在物理结构上呈单晶体形态。电子技术中用的最多的是电子技术中用的最多的是硅硅和和锗锗。硅硅和和锗锗都是都是4价元素，它们的外层电子都是价元素，它们的外层电子都是4个。其

4、个。其简化原子结构模型如下图：简化原子结构模型如下图：锗硅电子外层电子受原子核的束缚外层电子受原子核的束缚力最小，成为价电子。物力最小，成为价电子。物质的性质是由价电子决定质的性质是由价电子决定的的。42.本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构 本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各本征晶体中各原子之间靠得很近，使原分属于各原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与原子的四个价电子同时受到相邻原子的吸引，分别与周围的四个原子的价电子形成周围的四个原子的价电子形成共价键共价键。共价键中的价。共价键中的价电子为这些原子所共有，并为它们所束缚，在空间形电子为这些原子所共有，并为它们所束

5、缚，在空间形成排列有序的晶体。如下图所示：成排列有序的晶体。如下图所示：硅晶体的空间排列 共价键结构平面示意图5共价键性质共价键性质 共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子共价键上的两个电子是由相邻原子各用一个电子组成的，这两个电子被成为组成的，这两个电子被成为束缚电子束缚电子。束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够束缚电子同时受两个原子的约束，如果没有足够的能量，不易脱离轨道。的能量，不易脱离轨道。因此，在绝对温度因此，在绝对温度T=0 K（-273 C）时，由于时，由于共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电共价键中的电子被束缚着，本征半导体中没有自由电子，不导电。只有在激发

6、下，本征半导体才能导电。子，不导电。只有在激发下，本征半导体才能导电。63.3.电子与空穴电子与空穴+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子共价键 当当导导体体处处于于热热力力学学温温度度0 K时时，导导体体中中没没有有自自由由电电子子。当当温温度度升升高高或或受受到到光光的的照照射射时时，价价电电子子能能量量增增高高，有有的的价价电电子子可可以以挣挣脱脱原原子子核核的的束束缚缚，而而参参与与导导电电，成成为为自由电子自由电子。这一现象称为本征激发，也称热激发。7电子与空穴电子与空穴 自由电子产生的同时，在其原来的共价键自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，中

7、就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为人们常称呈现正电性的这个空位为空穴空穴。8电子与空穴的复合电子与空穴的复合 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为时成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。游离的部分自由电。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为子也可能回到空穴中去，称为复合，复合，如图所示。本征如图所示。本征激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。激发和复合在一定温度下会达到动态平衡。本征激发和复合的过程（动画）9空穴的

8、移动空穴的移动由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发由于共价键中出现了空穴，在外加能源的激发下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，下，邻近的价电子有可能挣脱束缚补到这个空位上，而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有而这个电子原来的位置又出现了空穴，其它电子又有可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了可能转移到该位置上。这样一来在共价键中就出现了电荷迁移电荷迁移电流。电流。空穴在晶体中的移动（动画）电流的方向与电子移动的电流的方向与电子移动的方向相反，与空穴移动的方向相反，与空穴移动的方向相同。本征半导体中，方向相同。本征半导体中，产生电流的根本原因是由产生电流的根本原因

9、是由于共价键中出现了空穴。于共价键中出现了空穴。由于空穴数量有限，所以由于空穴数量有限，所以其电阻率很大。其电阻率很大。101.1.3 1.1.3 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要可使半导体的导电性发生显著变化。掺入的杂质主要是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为是三价或五价元素。掺入杂质的本征半导体称为杂质杂质半导体半导体。(1)N型半导体(2)P型半导体111.1.N型半导体型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷可形成可形成

10、 N N型半导体型半导体,也称也称电子型半导体电子型半导体。因五价杂质。因五价杂质原子中只有原子中只有四个价电子四个价电子能与周围四个半导体原子中的能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的价电子形成共价键，而多余的一个价电子一个价电子因无共价键因无共价键束缚而很容易形成自由电子。束缚而很容易形成自由电子。自由电子 在在N N型半导体型半导体中中自由自由电子是多数载电子是多数载流子流子,它主要由它主要由杂质原杂质原子提供；子提供；另外，硅晶另外，硅晶体体由于热激发由于热激发会产生会产生少量的电子空穴对，少量的电子空穴对，所以所以空穴是少数载流空穴是少数载流子。子。12N型半导体结构型

11、半导体结构 提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带提供自由电子的五价杂质原子因失去一个电子而带单位正电荷而成为单位正电荷而成为正离子正离子，因此五价杂质原子也称为，因此五价杂质原子也称为施主杂质施主杂质。N N型半导体的结构示意图如下图所示。型半导体的结构示意图如下图所示。磷原子核自由电子所以，所以，N型半导体中的导电粒子有两种：型半导体中的导电粒子有两种：自由电子自由电子多数载流子（由两部分组成）多数载流子（由两部分组成）空穴空穴少数载流子少数载流子132.P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟等形成了铟等形成了P型半

12、导体型半导体，也称为也称为空穴型半导体空穴型半导体。因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上个价电子而在共价键中留下一个空穴。当相邻共价键上的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而的电子因受激发获得能量时，就可能填补这个空穴，而产生新的空穴。空穴是其主要载流子。产生新的空穴。空穴是其主要载流子。14P型半导体结构型半导体结构 在在P型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子型半导体中，硼原子很容易由于俘获一个电子而成为一个带单位负电荷的而成为一个带单位负电荷的负离子，负离子，三价杂质三价杂质

13、因而也因而也称为称为受主杂质受主杂质。而硅原子的共价键由于失去一个电子而硅原子的共价键由于失去一个电子而形成空穴。所以而形成空穴。所以P型半导体的结构示意图如图所示。型半导体的结构示意图如图所示。硼原子核空穴P型半导体中：型半导体中：空穴是多数载流子空穴是多数载流子，主要由掺杂形成；主要由掺杂形成；电子是少数载流子，电子是少数载流子，由热激发形成。由热激发形成。15本节中的有关概念本节中的有关概念 本征半导体、杂质半导体本征半导体、杂质半导体 自由电子、空穴自由电子、空穴 N型半导体、型半导体、P型半导体型半导体 多数载流子、少数载流子多数载流子、少数载流子 施主杂质、受主杂质施主杂质、受主杂

14、质162.2 PN结及其特性结及其特性 PN结的形成 PN结的单向导电性PN结的电容效应17PN结的形成结的形成当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的当扩散和漂移运动达到平衡后，空间电荷区的宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个宽度和内电场电位就相对稳定下来。此时，有多少个多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，多子扩散到对方，就有多少个少子从对方飘移过来，二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对二者产生的电流大小相等，方向相反。因此，在相对平衡时，流过平衡时，流过PN结的电流为结的电流为0。内电场空间电荷区耗尽层电子空穴P区N区18PN结的形成结的形成 对于对于P型半导

15、体和型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形型半导体结合面，离子薄层形成的成的空间电荷区空间电荷区称为称为PN结结。在空间电荷区，由于缺少。在空间电荷区，由于缺少多子，所以也称多子，所以也称耗尽层耗尽层。由于耗尽层的存在，。由于耗尽层的存在，PN结的结的电阻很大。电阻很大。PN结的形成过程（动画）PN结的形成过程中结的形成过程中的两种运动：的两种运动：多数载流子扩散多数载流子扩散 少数载流子飘移少数载流子飘移19PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结具有单向导电性结具有单向导电性，若外加电压使电流从，若外加电压使电流从P区流到区流到N区，区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是结呈低阻性，所以电

16、流大；反之是高阻性，电流小。高阻性，电流小。如果外加电压使如果外加电压使PN结中：结中：P区的电位高于区的电位高于N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称简称正偏正偏；P区的电位低于区的电位低于N区的电位，称为加区的电位，称为加反向电压反向电压，简称简称反偏反偏。20(1)PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与结区，方向与PN结结内电场方向相反，削弱了内电场。于是内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电运动的阻碍减

17、弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，流，可忽略漂移电流的影响，PN结呈现低阻性。结呈现低阻性。PN结加正向电压时的导电情况（动画）内电场方向PN结的伏安特性结的伏安特性 低电阻低电阻 大的正向扩散电流大的正向扩散电流21(2)PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压方向与外加的反向电压方向与PN结内电场方向相同，加强了内电结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散结区的少子在内电场的作用

18、下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，电流，可忽略扩散电流，PN结呈现高阻性。结呈现高阻性。PN结加反向电压时的导电情况（动画）内电场方向PN结的伏安特性结的伏安特性 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。高电阻高电阻 很小的反向漂移电流很小的反向漂移电流22（3）PN结的伏安特性结的伏安特性 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向扩散电流；向扩散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移

19、电流。由此可以得出结论：很小的反向漂移电流。由此可以得出结论：PN结具有结具有单向导电性。单向导电性。233.PN结方程结方程 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V与流过与流过PN结的电流结的电流I之间的关系为：之间的关系为：其中：其中：IS为为PN结的反向饱和电流；结的反向饱和电流；UT称称为温度电压当量，在温度为为温度电压当量，在温度为300K(27C)时，时，UT约为约为26mV；所以上式常写为：所以上式常写为：24PN结方程结方程PN结正偏时，如果结正偏时，如果V VT 几倍以上，上式可改写为：几倍以上，上式可改写为：即即I随随V按指数规律变化。按指数规律变化。P

20、N结反偏时，如果结反偏时，如果V VT几倍以上，上几倍以上，上式可改写为：式可改写为：其中负号表示为反向。其中负号表示为反向。254.PN结的击穿特性结的击穿特性 如图所示，当加在如图所示，当加在PN结上的反向电压增加到一定数值时，结上的反向电压增加到一定数值时，反向电流突然急剧增大，反向电流突然急剧增大，PN结产生电击穿结产生电击穿这就是这就是PN结的结的击穿特性。击穿特性。发生击穿时的反偏电压称为发生击穿时的反偏电压称为PN结的反向击穿电压结的反向击穿电压VBR。PN结被击穿后，PN结上的压降高，电流大，功率大。当PN结上的功耗使PN结发热，并超过它的耗散功率时，PN结将发生热热击穿击穿。

21、这时PN结的电流和温度之间出现恶性循环，最终将导致PN结烧毁。热击穿热击穿不可逆不可逆 雪崩击穿雪崩击穿 齐纳击穿齐纳击穿 电击穿电击穿可逆可逆265.PN结的电容效应结的电容效应PN结除了具有单向导电性外，还有一定的结除了具有单向导电性外，还有一定的电容效应。按产生电容的原因可分为：电容效应。按产生电容的原因可分为：势垒电容势垒电容CB，扩散电容扩散电容CD。27(1)势垒电容势垒电容CB 势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。当外加电压使当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当厚度也相

22、应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示量也随之变化，犹如电容的充放电。势垒电容的示意图如下图。意图如下图。势垒电容示意图28(2)扩散扩散电容电容CD 扩散电容是由多子扩扩散电容是由多子扩散后，在散后，在PN结的另一侧面结的另一侧面积累而形成的。因积累而形成的。因PN结正结正偏时，由偏时，由N区扩散到区扩散到P区的区的电子，与外电源提供的空电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积刚扩散过来的电子就堆积在在 P 区内紧靠区内紧靠PN结的附近，结的附近，形成一定的多子浓度梯度形成一定的多子

23、浓度梯度分布曲线。分布曲线。扩散电容示意图反之，由反之，由P区扩散到区扩散到N区的空穴，在区的空穴，在N区内也形成类似区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图所示。29扩散扩散电容电容CD当外加正向电压不同时，当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。电容均是非线性电容。扩散电容示意图PN结在反偏时

24、主要考虑结在反偏时主要考虑势垒电容。势垒电容。PN结在正偏时主要考虑扩散结在正偏时主要考虑扩散电容。电容。301.2.1 1.2.1 半导体二极管的结构类型半导体二极管的结构类型 在在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面点接触型、面接触型和平面型型三大类。它们的结构示意图如下图所示。三大类。它们的结构示意图如下图所示。(1)点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。点接触型二极管的结构示意图31二极管的结构二极管的结构平面型(3)平面型二极管平面型二极管 往

25、往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。面接触型321.2.2 半导体二极管的伏安特性曲线半导体二极管的伏安特性曲线 半导体二半导体二极管的伏安极管的伏安特性曲线如特性曲线如图所示。处图所示。处于第一象限于第一象限的是正向伏的是正向伏安特性曲线，安特性曲线，处于第三象处于第三象限的是反向限的是反向伏安特性曲伏安特性曲线。线。33二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示根据理论推导，二极管的伏安特性曲线可用下式表示 式中式中IS 为反向饱和电流

26、，为反向饱和电流，V 为二极管两端的为二极管两端的电压降，电压降，VT=kT/q 称为温度的电压当量，称为温度的电压当量，k为玻为玻耳兹曼常数，耳兹曼常数，q 为电子电荷量，为电子电荷量，T 为热力学温度。为热力学温度。对于室温（相当对于室温（相当T=300 K），则有），则有VT=26 mV。34 硅硅二极管的开启电压二极管的开启电压Von=0.5 V左右，左右，锗锗二极管的开启电压二极管的开启电压Von=0.1 V左右。左右。当当0VVon时，正向电流为零，时，正向电流为零，Von称为死区电压称为死区电压或开启电压。或开启电压。当当V0即处于正向特性区域。正向区又分为两段：即处于正向特性区

27、域。正向区又分为两段：当当VVon时，开始出现正向时，开始出现正向电流，并按指数规律增长。电流，并按指数规律增长。(1)正向特性正向特性35 当当V0时，即处于反向特性区域。反向区也分时，即处于反向特性区域。反向区也分两个区域：两个区域：当当VBRV0时，反向电流很小，且基本不随反时，反向电流很小，且基本不随反向电压的变化而变化，此时的反向电流也称向电压的变化而变化，此时的反向电流也称反向饱反向饱和电流和电流I IS S 。当当VVBR时，反向时，反向电流急剧增加，电流急剧增加，VBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压。(2)反向特性反向特性36反向特性反向特性 在反向区，硅二极管和锗二极管的特

28、性有所不同。在反向区，硅二极管和锗二极管的特性有所不同。硅二极管硅二极管的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱的反向击穿特性比较硬、比较陡，反向饱和电流也很小；和电流也很小；锗二极管锗二极管的反向击穿特性比较软，过的反向击穿特性比较软，过渡比较圆滑，反向饱和电流较大。渡比较圆滑，反向饱和电流较大。从击穿的机理上从击穿的机理上看，硅二极管若看，硅二极管若|VBR|7V时时,主要是雪主要是雪崩击穿；若崩击穿；若|VBR|4V时时,则主要是齐纳击穿。则主要是齐纳击穿。当在当在4V7V之间两种之间两种击穿都有，有可能获击穿都有，有可能获得零温度系数点。得零温度系数点。372.3.4 半导体二极管的温度特

29、性半导体二极管的温度特性 温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，温度对二极管的性能有较大的影响，温度升高时，反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加反向电流将呈指数规律增加，如硅二极管温度每增加88，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加，反向电流将约增加一倍；锗二极管温度每增加1212，反向电流大约增加一倍。近似认为，反向电流大约增加一倍。近似认为二极管管温二极管管温度每增加度每增加10，反向电流大约增加一倍，反向电流大约增加一倍 另外，温度升高时，另外，温度升高时，二极管的正向压降将二极管的正向压降将减小，每增加减小，每增加11，正，正向压降大约减小向压降大约减小2 2mV，

30、即具有负的温度系数。即具有负的温度系数。这些可以从所示二极这些可以从所示二极管的伏安特性曲线上管的伏安特性曲线上看出。看出。381.2.3 半导体二极管的参数半导体二极管的参数 半半导导体体二二极极管管的的参参数数包包括括最最大大整整流流电电流流IF、反反向向击击穿穿电电压压UBR、最最大大反反向向工工作作电电压压UR、反反向向电电流流IR、最最高高工工作作频频率率fmax和和结结电电容容Cj等等。几几个个主主要要的的参参数数介介绍绍如下：如下：(1)最大整流电流最大整流电流IF二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压反向击穿电压UBR和最大反向工作电压和

31、最大反向工作电压UR 二极管反向电流二极管反向电流急剧增加时对应的反向急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压值称为反向击穿电压电压UBR。为安全计，在实际为安全计，在实际工作时，最大反向工作电压工作时，最大反向工作电压UR一般只按反向击穿电压一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。的一半计算。39半导体二极管的参数半导体二极管的参数 (3)反向电流反向电流I IR R:在室温下，在规定的反向电压下，在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二一般是最大反向工作电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安极管的反向电流一般在纳安(nA;10-9A)级；锗二级；锗

32、二极管在微安极管在微安(A)级。级。(4)正向压降正向压降UF：在规定的正向电流下，二极：在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流水平下，约在中等电流水平下，约0.60.8V；锗二极管约；锗二极管约0.20.3V。(5)动态电阻动态电阻rd：反映了二极管正向特性曲线斜：反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，率的倒数。显然，rd与工作电流的大小有关，与工作电流的大小有关，即即 rd=VF/IF402.3.6 二极管电路及其分析方法二极管电路及其分析方法 简单的二极管电路如图所示，由二极管、电阻和简单的二极管电路如图所示

33、，由二极管、电阻和电压源组成，其分析方法一般有两种：电压源组成，其分析方法一般有两种：图解法、模型法（等效电路法）。图解法、模型法（等效电路法）。41IOVBRIS1.1.图解法图解法图示电路可分为图示电路可分为A、B两部分。两部分。A部分的电压与电流关系：部分的电压与电流关系：VD=V-IR B部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。部分的电压与电流关系就是二极管的伏安特性。在二极管的伏安特性上画出在二极管的伏安特性上画出VD=V-IR，如图所示：，如图所示：(V,0)RV(0,)QIDVD最后得出二极管两端的电压最后得出二极管两端的电压VD和流过二极管的和流过二极管的电流电流I，如图所示

34、。，如图所示。422.2.模型分析法模型分析法(1)二极管的大信号模型：二极管的大信号模型：根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截止根据二极管伏安特性，可把它分成导通和截止两种状态。两种状态。如图所示，如图所示，VD0.7V 导通导通VD0.2V 导通导通这就是二极管的大这就是二极管的大信号模型。信号模型。硅管硅管锗管锗管43大信号模型大信号模型所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流所以二极管导通时，其上的电压和流过它的电流可表示为：可表示为：一般硅二极管正向导通压降为一般硅二极管正向导通压降为0.6V0.8V 锗二极管正向导通压降为锗二极管正向导通压降为0.1V0.3V以以0.7或或0.

35、2计算将引入计算将引入10%的误差。但如果的误差。但如果V足够大，足够大，则则VD实际引入的误差并不大。实际引入的误差并不大。硅管硅管锗管锗管如果如果V 0.7V(0.3V):44理想模型理想模型IDO0.7V理想二极管大信号模型0.7V451.2.4 二极管及二极管特性的折线近似二极管及二极管特性的折线近似一、理想二极管一、理想二极管特性特性uDiD符号及符号及等效模型等效模型SS正偏导通，正偏导通，uD=0；反偏截止，；反偏截止，iD=0 U(BR)=二、二极管的恒压降模型二、二极管的恒压降模型uDiDUD(on)uD=UD(on)0.7 V(Si)0.2 V(Ge)UD(on)三、二极管

36、的折线近似模型三、二极管的折线近似模型uDiDUD(on)UI斜率斜率1/rDrDUD(on)46小信号模型小信号模型(2)二极管的小信号模型：二极管的小信号模型：从二极管伏安特性上看出，从二极管伏安特性上看出，二极管导通后，其电压变化量与二极管导通后，其电压变化量与电流变化量之比近似于常数：电流变化量之比近似于常数：此时的二极管相当于一个动态电此时的二极管相当于一个动态电阻，其阻值是正向特性曲线在工阻，其阻值是正向特性曲线在工作点上的斜率的倒数，如图所示。作点上的斜率的倒数，如图所示。472.3.7 二极管基本应用二极管基本应用1.利用伏安特性的非线性构成（限幅电路）利用伏安特性的非线性构成

37、（限幅电路）例例1：如图所示：如图所示：D1D2vivovovi48二极管基本应用二极管基本应用|vi|0.7V时，时，D1、D2中有一个导通，所以中有一个导通，所以vo=0.7V例例2：如图所示：如图所示：voviD2D1vovi49二极管基本应用二极管基本应用2.利用单向导电性构成整流和开关电路利用单向导电性构成整流和开关电路不管输入信号处于正或负半周，负载上得到不管输入信号处于正或负半周，负载上得到的都是正向电压。的都是正向电压。全波整流电路：全波整流电路：vivo D3D4D2D1vivo502.4 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压稳压二极管是应用

38、在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样，稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如稳压二极管伏安特性曲线的反向区、符号和典型应用电路如图所示。图所示。符号符号应用电路应用电路伏安特性512.4.1 稳压二极管参数稳压二极管参数 从稳压二极管的伏安特性曲线上可以确定稳压二极管的参数。(1)稳定电压VZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所 对应的反向工作电压。(2)动态电阻rZ 其概念与一般二极管的动态电阻相同，只不过稳压二极管的动态电阻是从它的反向特性上求取的。rZ愈小，反映稳压管的击

39、穿特性愈陡。rZ=VZ/IZ(3)稳定电压温度系数VZ。温度的变化将使VZ改变，在稳压管中当VZ 7 V时，VZ具有正温度系数，反向击穿是雪崩击穿。当VZ4 V时，VZ具有负温度系数，反向击穿是齐纳击穿。当4 VVZ 7 V时，稳压管可以获得接近零的温度系数。这样的稳压二极管可以作为标准稳压管使用。52稳压二极管参数稳压二极管参数(4)(4)最大耗散功率最大耗散功率 PZM 稳压管的最大功率损耗取决于稳压管的最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为结的功率损耗为 PZ=VZ IZ，由，由 PZM和和VZ可以决定可以决定IZmax。

40、(5)(5)最大稳定工作电流最大稳定工作电流 IZmax 和最小稳定工作电流和最小稳定工作电流IZmin 稳压管的最大稳定工作电稳压管的最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，流取决于最大耗散功率，即即PZmax=VZIZmax。而。而Izmin对应对应VZmin。若若IZIZmin则不能稳压。则不能稳压。532.4.2 稳压管应用稳压管应用稳压管正常工作的两个条件：稳压管正常工作的两个条件：a.必须工作在反必须工作在反向击穿状态（利用其正向特性除外）；向击穿状态（利用其正向特性除外）；b.流过管子的流过管子的电流必须介于稳定电流和最大电流之间。电流必须介于稳定电流和最大电流之间。典型应用如图所示

41、：典型应用如图所示：当输入电压当输入电压vi和负载电阻和负载电阻RL在一定范围内变化时，在一定范围内变化时，流过稳压管的电流发生变流过稳压管的电流发生变化，而稳压管两端的电压化，而稳压管两端的电压Vz变化很小，即输出电压变化很小，即输出电压vo基本稳定。基本稳定。问题：不加问题：不加问题：不加问题：不加R R可以吗？可以吗？可以吗？可以吗？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？稳压条件是什么？电阻电阻R的作用一是起限流作用，的作用一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，以

42、调节稳压管的工作电流，降的变化，以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。从而起到稳压作用。54稳压管应用稳压管应用如果输入电压如果输入电压Vi（Vi VZ）确定，稳压管处于稳压状态。确定，稳压管处于稳压状态。负载电阻负载电阻RL太大，太大，IL减小，减小，IZ增大，只要增大，只要IZ IZmin，稳压，稳压管仍能正常工作。管仍能正常工作。551.3双极型双极型半导体半导体三极管三极管1.3.1 晶体三极管晶体三极管1.3.2 晶体三极管晶体三极管的特性曲线的特性曲线1.3.3 晶体三极管晶体三极管的主要参数的主要参数56(Semiconductor Transistor)1.3.1 晶体三极

43、管晶体三极管一、结构、符号和分类一、结构、符号和分类NNP发射极发射极 E基极基极 B集电极集电极 C发射结发射结集电结集电结 基区基区 发射区发射区 集电区集电区emitterbasecollectorNPN 型型PPNEBCPNP 型型分类：分类：按材料分：按材料分：硅管、锗管硅管、锗管按结构分：按结构分：NPN、PNP按使用频率分：按使用频率分：低频管、高频管低频管、高频管按功率分：按功率分：小功率管小功率管 1 WECBECB57二、电流放大原理二、电流放大原理1.三极管放大的条件三极管放大的条件内部内部条件条件发射区掺杂浓度高发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低基区薄且掺杂浓度低集电结

44、面积大集电结面积大外部外部条件条件发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏2.满足放大条件的三种电路满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共发射极共集电极共集电极共基极共基极实现电路实现电路uiuoRBRCuouiRCRE583.三极管内部载流子的传输过程三极管内部载流子的传输过程1)发射区向基区注入多子发射区向基区注入多子电子电子，形成发射极电流形成发射极电流 IE。I CN多数向多数向 BC 结方向扩散形成结方向扩散形成 ICN。IE少数与空穴复合，形成少数与空穴复合，形成 IBN。I BN基区空基区空穴来源穴来源基极电源提供基极电源提供(IB)集电区少子

45、漂移集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB+ICBO即：即：IB=IBN ICBO 3)集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 ICICI C=ICN +ICBO 2)电子到达基区后电子到达基区后三极管内载流子运动三极管内载流子运动594.三极管的电流分配关系三极管的电流分配关系当当管管子子制制成成后后，发发射射区区载载流流子子浓浓度度、基基区区宽宽度度、集集电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：电结面积等确定，故电流的比例关系确定，即：IB=I BN ICBO IC=ICN +ICBOIE=IC+IB穿透电流穿透电流601.3.2

46、晶体三极管的特性曲线晶体三极管的特性曲线一、输入特性一、输入特性输入输入回路回路输出输出回路回路与二极管特性相似与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCE VBBCEBiC+iBRB+uBE VBB+O特性基本特性基本重合重合(电流分配关系确定电流分配关系确定)特性右移特性右移(因集电结开始吸引电子因集电结开始吸引电子)导通电压导通电压 UBE(on)硅管：硅管：(0.6 0.8)V锗管：锗管：(0.2 0.3)V取取 0.7 V取取 0.2 VVBB+RB61二、输出特性二、输出特性iC/mAuCE/V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 43211

47、.截止区：截止区：IB 0 2.IC=ICEO 03.条件：条件：两个结反偏两个结反偏2.放大区：放大区：3.饱和区：饱和区：uCE u BEuCB=uCE u BE 0条件：条件：两个结正偏两个结正偏特点：特点：IC IB临界饱和时：临界饱和时：uCE=uBE深度饱和时：深度饱和时：0.3 V(硅管硅管)UCE(SAT)=0.1 V(锗管锗管)放大区放大区截止区截止区饱饱和和区区条件：条件：发射结正偏发射结正偏 集电结反偏集电结反偏特点：特点：水平、等间隔水平、等间隔ICEO输输 出出 特特 性性62三、温度对特性曲线的影响三、温度对特性曲线的影响1.温度升高，输入特性曲线温度升高，输入特性

48、曲线向左移。向左移。温度每升高温度每升高 1 C，UBE (2 2.5)mV。温度每升高温度每升高 10 C，ICBO 约增大约增大 1 倍。倍。2.温度升高，输出特性曲线温度升高，输出特性曲线向上移。向上移。OT1T2 iCuCE T1iB=0T2 iB=0iB=0温度每升高温度每升高 1 C，(0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。输出特性曲线间距增大。O631.3.3 晶体三极管的主要参数晶体三极管的主要参数一、电流放大系数一、电流放大系数1.共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数iC/mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB=0O 2 4 6 8 4321 直流电

49、流放大系数直流电流放大系数 交流电流放大系数交流电流放大系数一般为几十一般为几十 几百几百2.共基极电流放大系数共基极电流放大系数 1 一般在一般在 0.98 以上。以上。Q二、极间反向饱和电流二、极间反向饱和电流CB 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICBO，CE 极极间反向饱和电流间反向饱和电流 ICEO。64三、极限参数三、极限参数1.ICM 集电极最大允许电流，超过时集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。值明显降低。U(BR)CBO 发射极开路时发射极开路时 C、B 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。2.PCM 集电极最大允许功率损耗集电极最大允许功率损耗PC=iC uCE。3.

50、U(BR)CEO 基极开路时基极开路时 C、E 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时集电极极开路时 E、B 极极间反向击穿电压。间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO(P34)已知已知:ICM=20 mA,PCM=100 mW，U(BR)CEO =20 V，当当 UCE=10 V 时，时，IC mA当当 UCE=1 V，则，则 IC mA当当 IC=2 mA，则，则 UCE 0 此时此时 uGD=UGS(off)；沟道楔型沟道楔型耗尽层刚相碰时称耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断。预夹断预夹断当当 uDS ，预夹断预夹断点点下移。下移。