第二章晶體二極管

第一章

晶體二極管及應用電路一半導體基礎(chǔ)知識二晶體二極管一、半導體的特性：1.什么是導體、絕緣體、半導體：(1).導體：導電性能良好的物質(zhì)。(3).半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間。第一節(jié)半導體基礎(chǔ)知識2.半導體的特性：(1).摻雜特性。(摻入雜質(zhì)則導電率激增)(2).熱敏特性。(溫增則導電率顯增)(3).光敏特性。(光照可增加導電率、產(chǎn)生電動勢)導電率為105s.cm-1量級，如：金、銀、銅、鋁。(2).絕緣體：幾乎不導電的物質(zhì)。導電率10-22-10-14s.cm-1量級，如：橡膠、云母、塑料等。導電率為10-9-102s.cm-1量級，如：硅、鍺、砷化鎵等。二、本征半導體：(一)硅和鍺晶體的共價健結(jié)構(gòu)1.硅和鍺均為4價元素。2.晶體中晶格決定原子間按一定規(guī)律排列得緊密。（四面體結(jié)構(gòu)）3.外層電子成為共價鍵。+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征半導體：完全純凈、結(jié)構(gòu)完整的半導體晶體。（二）兩種載流子——電子和空穴T=300K時:少數(shù)價電子獲得能量,從價帶到導帶——自由電子，(本征激發(fā))自由電子導帶禁帶Eg價帶空穴載流子的能帶圖動畫一

T=0K

時:價電子被束縛在價帶內(nèi)，晶體中無自由電子.1.電子空穴對：電子和空穴是成對產(chǎn)生的.價電子在原位置留下空位——空穴。兩種載流子——電子和空穴2.自由電子——載流子：在外電場作用下形成電子流（在導帶內(nèi)運動），方向與電場方向相反。外電場E的方向電子流空穴流E載流子的能帶圖3.空穴——載流子：在外電場作用下形成空穴流（在價帶內(nèi)運動），方向與電場方向相同4.漂移運動：載流子在電場作用下的定向運動。導帶禁帶價帶動畫二自由電子空穴（三）載流子的濃度

A0—與材料有關(guān)的常數(shù)。

EG0—禁帶寬度。

T—絕對溫度。

K—玻爾茲曼常數(shù)。

ni、pi

與溫度T和禁帶寬度EGO有關(guān)。本征半導體中電子的濃度p(空穴濃度):表示單位體積的空穴數(shù)。(pi)n(電子濃度):表示單位體積的自由電子數(shù)。（ni）(1-1)本征半導體中空穴的濃度當材料一定時：載流子的濃度主要取決于溫度；溫度增加使導電能力激增。溫度可人為控制。+4+4+4+4+4+4+4+4+4共價鍵(四)載流子的產(chǎn)生與復合空穴自由電子空穴A、本征激發(fā)—

電子、空穴對的產(chǎn)生B、電子與空穴的復合D、最后達到動態(tài)的平衡C、空穴是可以移動的，其實是共價鍵的電子依次填補空穴，形成空穴的移動(四)載流子的產(chǎn)生與復合ni（電子濃度）：是動態(tài)平衡值。g(載流子的產(chǎn)生率):每秒成對產(chǎn)生的電子空穴的濃度。R(載流子的復合率)：每秒復合的載流子的濃度。當g=R時(平衡時)：

R=rnipi

(1-2)其中r是和材料有關(guān)的系數(shù)三、雜質(zhì)半導體3.在N型半導體中：自由電子——為多數(shù)載流子空穴——為少數(shù)載流子+4+4+4+4+5+4+4+4+4（一）N型半導體1.在四價元素中摻入五價元素磷，五價元素與周圍四個原子形成共價鍵，余下一個電子成為自由電子。2.磷原子貢獻一個電子（在電場作用下成為自由電子）——施主雜質(zhì)（正離子）雜質(zhì)半導體3.在P型半導體中：空穴——為多數(shù)載流子自由電子——為少數(shù)載流子+4+4+4+4+3+4+4+4+4（二）P型半導體1.在四價元素中摻入三價元素硼：三價元素與周圍四個原子形成共價鍵，因缺少一個電子形成“空穴。2.硼原子在電場作用下接受一個電子——受主雜質(zhì)（負離子）在雜質(zhì)半導體中，盡管雜質(zhì)含量很少，但提供的載流子以數(shù)量計算仍遠大于本征半導體中載流子的數(shù)量。例如：T=300k時，鍺本征半導ni=2.5×1013/cm3,鍺原子密度為4.4×1022/cm3,若摻入砷原子是鍺原子密度的萬分之一。則施主雜質(zhì)濃度為：

ND=10-4×4.4×1022=4.4×1018/cm3

（比ni大十萬倍）（三）、雜質(zhì)半導體的載流子濃度在雜質(zhì)型半導體中：多子濃度比本征半導體的濃度大得多；載流子的濃度主要取決于多子（即雜質(zhì)），故使導電能力激增。結(jié)論半導體的熱敏性；半導體的光敏性特性；半導體的摻雜特性；是可人為控制的。結(jié)論為什么采用半導體材料作電子器件？空穴是一種載流子嗎？空穴導電時電子運動嗎？第二節(jié)PN結(jié)與晶體二極管(1).兩種半導體結(jié)合后，由于濃度差產(chǎn)生載流子的擴散運動結(jié)果產(chǎn)生空間電荷區(qū)耗盡層（多子運動）。+++++++++PN載流子要從濃度大區(qū)域向濃度小的區(qū)域擴散,稱載流子的擴散的運動(2).空間電荷區(qū)產(chǎn)生建立了內(nèi)電場產(chǎn)生載流子定向運動（漂移運動）(3).擴散運動產(chǎn)生擴散電流；漂移運動產(chǎn)生漂移電流。動態(tài)平衡時：擴散電流=漂移電流。

PN結(jié)內(nèi)總電流=0。PN結(jié)的寬度一定。把載流子在電場作用下的定向移動稱為漂移運動動畫三一.PN結(jié)的基本原理：（一）.PN結(jié)的形成：當擴散運動↑內(nèi)電場↑漂移運動↑擴散運動↓動態(tài)平衡。自由電子空穴++++++PN+++(2).接觸電位

V決定于材料及摻雜濃度：硅：V=0.7鍺：V=0.2++++++PNPN結(jié)的接觸電位V(二)PN結(jié)的接觸電位：(1).內(nèi)電場的建立，使PN結(jié)中產(chǎn)生電位差。從而形成接觸電位V(又稱為位壘)。(3).其電位差用表示+++(1).U↑q(V-U)位壘高度↓耗盡層變薄擴散運動(多子)↑擴散電流↑1.PN結(jié)加正向電壓時：

(內(nèi)電場)與U方向相反+PN+Q(V-U)擴散U動畫四（三）PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2).位壘高度↓

漂移運動（少子）↓漂移電流↓(3).正向電流決定于擴散電流。此時PN結(jié)導通。I漂移(1).U↑q(V+U)位壘高度↑

耗盡層變厚擴散運動(多子)↓

擴散電流↓2.PN結(jié)加反向電壓時：

(內(nèi)電場)與U方向相同+PN+Q(V+U)擴散U動畫五(2).位壘高度↑

漂移運動（少子）↑漂移電流↑(3).反向電流決定于漂移電流此時PN結(jié)截止。I漂移Is

飽和電流;UT=kT/q為溫度電壓當量。k波爾茲曼常數(shù)；(T=300k;時

UT=26mv)二.PN結(jié)的電流方程：由半導體物理可推出：當加正向電壓時：當加反向電壓時：

I-IsIUIs播放動畫（1，2，3，4，5）1.晶體二極管的結(jié)構(gòu)類型:三、晶體二極管的結(jié)構(gòu)和伏安特性在PN結(jié)上加上引線和封裝，就成為一個二極管二極管按結(jié)構(gòu)分點接觸型面接觸型平面型PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路可用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，常用于高頻整流和開關(guān)電路中。2.晶體二極管的理想伏安特性：是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關(guān)系。由PN結(jié)電流方程求出理想的伏安特性曲線IU1.當加正向電壓時PN結(jié)電流方程為：2.當加反向電壓時I隨U↑，呈指數(shù)規(guī)率↑I=-Is

基本不變1.正向起始部分存在一個死區(qū)或門坎，稱為門限電壓。硅：Ur=0.5-0.7v;鍺：Ur=0.1-0.2v2.加反向電壓時相同溫度下：

Is硅(nA,10-9)<Is鍺(A,10-6)

硅管比鍺管穩(wěn)定.3.當反向電壓增大到UB時再增加，反向激增，發(fā)生反向擊穿，UB稱為反向擊穿電壓。3.實測伏安特性:①②③正向電壓時：(1).OQ斜率的倒數(shù)是正向電阻R。(2).R與Q有關(guān)，Q不同,R也不同反向電壓時：I很小，R很大。IDUDD0IUQUDID為非線性電阻：用靜態(tài)電阻和動態(tài)電阻描述(一).直流電阻：四.晶體二極管的電阻：定義為：R=UD/ID;工作點tg=ID/UD=1/R二極管的正向伏安特性(2).MN的斜率:tg=I/U=-1/RL0UIIDEDDRLUDEDMED/

RLN(1).MN為直流負載線。UD=ED-IDRL;ID=f(UD)兩條曲線的交點為靜態(tài)工作點Q：(二).靜態(tài)工作點：Q(3).則求出直流電阻:R=UD/IDQUDID作Q的切線，則有:r=U/I;

或r=dU/dI因為：

I=Ise

U/nUT;交流電導：

g=dI/dU=I/(nUT)交流電阻：r=1/g=

nUT/I若室溫下n=1：UT=26mv交流電阻：r=26mv/ID(mA)UEDDRLiDIQ0UUI

二極管工作時既有直流，又有交流。(三).交流電阻：(一).反向擊穿現(xiàn)象:

反向電壓超過一定值時導致二極管擊穿，分為電擊穿、熱擊穿1.電擊穿:(1).雪崩擊穿：當U↑，載流子獲得能量高速運動，產(chǎn)生碰撞電離，形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流I↑。(2).齊鈉擊穿：當U↑，強電場直接破壞共價鍵。將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流I↑。2.熱擊穿:

當U↑時,耗散功率超過PN結(jié)的極限值,使溫度升高,導致PN結(jié)過熱燒毀.五.PN結(jié)的反向擊穿和穩(wěn)壓二極管：（二）穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管：是應用在反向擊穿區(qū)的特殊二極管。穩(wěn)壓特性：在反向擊穿時，電流急增而PN結(jié)兩端的電壓基本保持不變。正向部分與普通二極管相同。特點：工作區(qū)在反向擊穿區(qū)。RZUZ特性參數(shù)：1.穩(wěn)定電壓UZ:反向擊穿電壓。2.最大工作電流Izmax:受耗散功率的限制，使用時必須加限流電阻（二）穩(wěn)壓二極管(3)最小穩(wěn)定電流IZmin,

穩(wěn)壓二極管正常工作時

IZ>

IZmin..IZmin約為幾mA以上

(4)動態(tài)電阻rz

動態(tài)電阻是反映穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓性能好壞的重要參數(shù)，rz越小，反向擊穿區(qū)曲線越陡，穩(wěn)壓效果就越好。(一).勢壘電容CT:

把PN結(jié)看成平板電容器，加正向電壓或反向電壓時像電容的充放電。（此電容效應為勢壘電容）

(二).擴散電容CD:

擴散電容是由載流子在擴散過程中的積累引起的電容。

(三).

變?nèi)荻O管：利用結(jié)勢壘電容CT隨外電壓U的變化而變化的特點制成的二極管。六.晶體二極管的電容和變?nèi)荻O管：符號第三節(jié)光電二極管與發(fā)光二極管二.發(fā)光二極管：定義：當管子加正向電壓時，在正向電流激發(fā)下，管子發(fā)光。類型：發(fā)光的顏色有紅，黃，綠，藍，紫。用途：主要用于顯示。符號符號光電器件可分為兩大類：1.光敏器件：把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件。2.發(fā)光器件：光輻射器件，把電能轉(zhuǎn)變成光能的器件。一.光電二極管：定義：有光照射時，就有電流產(chǎn)生的二極管。類型：有PN結(jié)型，PIN結(jié)型，雪崩型。用途:光電池（光電二極管其PN結(jié)工作在反偏置狀態(tài)）什么是N型半導體？什么是P型半導體？將兩種半導體制作在一起時會產(chǎn)生什么現(xiàn)象？PN結(jié)上所加端電壓與電流符合歐姆定律嗎？為什么具有單向?qū)щ娦?？兩種半導體制作在一起時會產(chǎn)生電流嗎？在PN結(jié)加反向電壓時真沒有電流嗎？~220Ve2iDuL一、整流電路整流電路是最基本的將交流轉(zhuǎn)換為直流的電路，（一）半波整流:e2E2m+-iDuL整流電路中的二極管是作為開關(guān)運用，具有單向?qū)щ娦?。~220Ve2iDuL+-二極管的應用輸入交流電壓：e2=Em2sint

經(jīng)整流；直流輸出電壓為：（平均值）=Em2/=0.318Em2≈0.45E2

E2為e2的有效值優(yōu)點：電路簡單缺點：輸出直流電壓低二極管應用~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLe2’e2-+-+e2uL（二）全波整流:輸入交流電壓：e2=Em2sint

經(jīng)整流后，為半波的兩倍。Udc=2Udc(半)=0.9E2E2為e2的有效值優(yōu)點：輸出電壓高缺點：變壓器需要抽頭~220Ve2uL+-~220Ve2uL+-e2uL（三）橋式整流:二極管應用輸入交流電壓：e2=Em2sint

經(jīng)整流直流輸出電壓：Udc=2Udc(半)=0.9E2E2為e2的有效值與全波整流相同：優(yōu)點：輸出電壓高，二極管承受的反壓小。變壓器不需要抽頭。缺點：電路復雜（五）電容濾波電路:1.對直流信號:

C的容抗無窮(相當于開路)

2.對交流信號:

依靠電容的充放電作用可減小紋波：當電壓小于電容兩端電壓時，電容向負載放電。二極管應用二.限幅與箝位電路1）限幅電路限幅電路顧名思義就是限制輸出幅度的電路，通常用于有選擇的輸出任意波形的一部分，或用來保護某些電路元件。原理:設(shè)D為理想二極管;當輸入電壓ui<UR時，D截止，uo=ui；當輸入電壓ui>UR時，D導通，uo=UR,即輸出波形被限幅。圖2—32限幅電路分析URDRUiuououiuR2）箝位電路箝位電路是指能把一個周期信號轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗虻模ㄖ挥姓蚧蛑挥胸撓颍┗虔B加在某一直流電平上，而不改變它的波形的電路。在箝位電路中，電容是不可缺少的元件

工作原理:設(shè)t=0ˉ時電容上的初始電壓為零;t=0+時，ui=Um,電容也被充上了大小為Um的電壓，極性如圖。此刻uo=0并且uo=0將一直保持到t=t1，uiDR+—+tuouiUm2Umt1t2t2t1+-C此后，ui突降到–Um,二極管截止，如果電阻和電容再足夠大，RC時間常數(shù)遠大與輸入信號周期,則C上的充電電壓一直保持Um,于是輸出電壓為uo=ui–Um=–2Um,并一直保持到t2;顯然，輸出信號總不會是正值，所以稱為正箝位電路。三.穩(wěn)壓電路：1.輸入電壓變化時:

Ui↑Uo↑IZ↑IR↑UR↑Uo

↓2.當負載變化時：