第一章電路和電路元件下演示文稿

第一章電路和電路元件下演示文稿1現(xiàn)在是1頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日優(yōu)選第一章電路和電路元件下現(xiàn)在是2頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、耗電少等特點(diǎn)，是組成各種電子電路的核心器件，在當(dāng)今的電子技術(shù)中占有主導(dǎo)地位。因此，了解半導(dǎo)體器件是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

§1.4電子器件

引言GaAs-AlGaAs諧振腔發(fā)光二極管Ge二極管Si二極管

3現(xiàn)在是3頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日半導(dǎo)體器件具有體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、耗電少等特點(diǎn)，是組成各種電子電路的核心器件，在當(dāng)今的電子技術(shù)中占有主導(dǎo)地位。因此，了解半導(dǎo)體器件是學(xué)習(xí)電子技術(shù)的基礎(chǔ)。

§1.4電子器件

引言GaAs-AlGaAs諧振腔發(fā)光二極管Ge二極管Si二極管

4現(xiàn)在是4頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

1.4.1半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)依照導(dǎo)電性能，可以把媒質(zhì)分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，常見的有銅、鋁等金屬材料；絕緣體基本上不能導(dǎo)電，常見的有玻璃、陶瓷等材料；半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，常見的有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等材料。媒質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力會(huì)隨溫度、光照的變化或因摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化，這些特點(diǎn)決定了半導(dǎo)體在電子線路中的廣泛用途。銅導(dǎo)線(左上)、玻璃絕緣體(左下)和硅晶體(上)§1.4電子器件5現(xiàn)在是5頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

1.4.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性一、本征半導(dǎo)體指純單晶，理想化的。

現(xiàn)代電子學(xué)中，用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價(jià)電子）都是四個(gè)。結(jié)構(gòu)：

GeSi§1.4電子器件6現(xiàn)在是6頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日A、純B、單晶只有一種元素，沒有雜質(zhì)的東西（材料）常用Si

溶化后結(jié)晶，晶體的形狀結(jié)構(gòu)相同。特征：

通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。

在硅和鍺晶體中，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對(duì)價(jià)電子共價(jià)鍵：共價(jià)鍵就是相鄰兩個(gè)原子中的價(jià)電子為共用電子對(duì)而形成的相互作用力?！?.4電子器件7現(xiàn)在是7頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱?！?.4電子器件8現(xiàn)在是8頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

輻射方法

加熱

本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性能比金屬導(dǎo)體差很多。但它具有熱敏、光敏的特性。

如何導(dǎo)電？

強(qiáng)能量的量子撞擊共價(jià)鍵?

光照是一般采用的方法。

分子振動(dòng)

破壞結(jié)構(gòu)電子掉下來，引起自由電子——空穴動(dòng)畫§1.4電子器件9現(xiàn)在是9頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

幾個(gè)概念（1）本征激發(fā)：當(dāng)本征半導(dǎo)體的溫度升高或受到光照時(shí)，某些共價(jià)鍵中的價(jià)電子從外界獲得能量而掙脫共價(jià)鍵的束縛，離開原子而成為自由電子的同時(shí)，在共價(jià)鍵中會(huì)留下數(shù)量相同的空位子→→→空穴。這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。

本征激發(fā)形成:電子-空穴對(duì)（2）自由電子：價(jià)電子獲得外部能量后掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，帶負(fù)電荷。（3）空穴：價(jià)電子成為自由電子后在共價(jià)鍵中留下的空位，帶正電荷。（4）電子-空穴對(duì)：本征激發(fā)形成電子-空穴對(duì)?！?.4電子器件10現(xiàn)在是10頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日（5）漂移電流：自由電子在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為漂移電流。（6）空穴電流：空穴在電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成的電流稱為空穴電流。因?yàn)橄鄬?duì)于電子電流，價(jià)電子填補(bǔ)空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于帶正電荷的空穴在與價(jià)電子運(yùn)動(dòng)相反的方向運(yùn)動(dòng)，因而空穴相對(duì)來說帶正電荷，故其運(yùn)動(dòng)形成空穴電流。（7）復(fù)合：自由電子在熱運(yùn)動(dòng)過程中和空穴相遇而釋放能量，造成電子-空穴對(duì)消失，這一過程稱為復(fù)合?！?.4電子器件11現(xiàn)在是11頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理：當(dāng)本征半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流，即自由電子定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電子電流和價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的空穴電流。自由電子和空穴成對(duì)產(chǎn)生的同時(shí)又不斷復(fù)合，在一定的溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

本征半導(dǎo)體中載流子的數(shù)目很少，其導(dǎo)電能力很弱。12現(xiàn)在是12頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日結(jié)論

一般來說：本征半導(dǎo)體，在熱力學(xué)溫度T=0k（開爾文）和沒有外界影響如：光照、加熱、外加電場(chǎng)等的條件下，其價(jià)電子均被束縛在共價(jià)鍵中，不存在自由運(yùn)動(dòng)的電子，所以不帶電?！?.4電子器件13現(xiàn)在是13頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

在半導(dǎo)體中存在兩種載流子（運(yùn)動(dòng)電荷的載體）即：自由電子→→帶負(fù)電；

空穴→→帶正電。在電場(chǎng)作用下，電子的運(yùn)動(dòng)將形成電子電流，而空穴的運(yùn)動(dòng)則形成空穴電流，在同一電場(chǎng)作用下，兩種載流子的運(yùn)動(dòng)方向相反，是因?yàn)樗鼈兯鶐У碾姾蓸O性也相反，所以兩種電流的實(shí)際方向是相同的。電子電流與空穴電流的總和即半導(dǎo)體中的電流。14現(xiàn)在是14頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日當(dāng)本征激發(fā)和復(fù)合處于平衡時(shí)，本征載流子的濃度為從上式可知，本征載流子濃度ni與溫度有關(guān)，能隨溫度升高而迅速增大，這一點(diǎn)在今后的學(xué)習(xí)中非常重要。注意：ni的數(shù)值雖然很大，但它僅占原子密度很小的百分?jǐn)?shù)，比如：硅的原子密度為4.96×1022cm-3

因此，nisi僅為它的三萬億分之一，可見本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力是很低的（本征硅的電阻率約為2.2×105Ωcm）。15現(xiàn)在是15頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日雜質(zhì)半導(dǎo)體：摻雜后的半導(dǎo)體，包括N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體。

N型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素(磷、砷、銻)等，每個(gè)雜質(zhì)原子(施主原子)提供一個(gè)自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。

P型半導(dǎo)體：在本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素(硼、鋁、銦)等，每個(gè)雜質(zhì)原子(受主原子)提供一個(gè)空穴，從而大量增加空穴數(shù)量。

N型半導(dǎo)體中自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度，為多數(shù)載流子(多子)，空穴為少數(shù)載流子(少子)。

P型半導(dǎo)體中空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度，為多數(shù)載流子(多子)，自由電子為少數(shù)載流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子

+4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴§1.4電子器件

§1.4.2半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-雜質(zhì)半導(dǎo)體16現(xiàn)在是16頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法：－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等。17現(xiàn)在是17頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日結(jié)論

不論P(yáng)型或N型半導(dǎo)體，摻雜越多，摻雜濃度越大，多子數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子數(shù)目越少，其濃度也小。摻雜后，多子濃度都將遠(yuǎn)大于少子濃度，且即使是少量摻雜，載流子都會(huì)有幾個(gè)數(shù)量級(jí)的增加，表明其導(dǎo)電能力顯著增大。在雜質(zhì)半導(dǎo)體中，多子濃度近似等于摻雜濃度，其值與溫度幾乎無關(guān)，而少子濃度也將隨溫度升高而顯著增大，直到少子濃度增大與多子濃度相當(dāng)（不絕對(duì)相等），雜質(zhì)半導(dǎo)體又回復(fù)到類似的本征半導(dǎo)體。18現(xiàn)在是18頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

注意：在今后的分析中，我們會(huì)遇到這樣的問題：少子濃度的溫度敏感特性是導(dǎo)致半導(dǎo)體器件溫度特性變差的主要原因。而摻入不同的雜質(zhì)，就能改變雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電類型，這也是制造PN結(jié)和半導(dǎo)體器件的一種主要方法。19現(xiàn)在是19頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日本節(jié)小結(jié)1、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。

2、在一定溫度下，本征半導(dǎo)體因本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子和空穴對(duì)，故其有一定的導(dǎo)電能力。

3、本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。

4、P型半導(dǎo)體中空穴是多子，自由電子是少子。N型半導(dǎo)體中自由電子是多子，空穴是少子。

5、半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力與溫度、光強(qiáng)、雜質(zhì)濃度和材料性質(zhì)有關(guān)。20現(xiàn)在是20頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日思考題：1.電子導(dǎo)電與空穴導(dǎo)電有什么區(qū)別？空穴電流是不是自由電子遞補(bǔ)空穴所形成的？2.雜質(zhì)半導(dǎo)體中的多數(shù)載流子和少數(shù)載流子是怎么產(chǎn)生的？3.N型半導(dǎo)體中的自由電子多于空穴，P型半導(dǎo)體中的空穴多于自由電子，是否N型半導(dǎo)體帶負(fù)電，P型半導(dǎo)體帶正電？21現(xiàn)在是21頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體有機(jī)地結(jié)合在一起時(shí)，因?yàn)镻區(qū)一側(cè)空穴多，N區(qū)一側(cè)電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會(huì)向N區(qū)擴(kuò)散，并在N區(qū)被電子復(fù)合。而N區(qū)中的電子也會(huì)向P區(qū)擴(kuò)散，并在P區(qū)被空穴復(fù)合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動(dòng)的受主負(fù)離子和施主正離子。上述過程如圖(a)所示。結(jié)果在界面的兩側(cè)形成了由等量正、負(fù)離子組成的空間電荷區(qū)，如圖(b)所示。P

(

a

)

N

(

b

)

U

---------------+++++++++++++++P

N

---------------+++++++++++++++空間電荷區(qū)

內(nèi)電場(chǎng)

B

PN結(jié)的形成

§1.4.3

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦浴?.4電子器件PN結(jié)形成時(shí)，其內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)主要是由于濃度差引起的，22現(xiàn)在是22頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

開始時(shí)，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)占優(yōu)勢(shì)，隨著擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的不斷進(jìn)行，界面兩側(cè)顯露出的正、負(fù)離子逐漸增多，空間電荷區(qū)展寬，使內(nèi)電場(chǎng)不斷增強(qiáng)，于是漂移運(yùn)動(dòng)隨之增強(qiáng)，而擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)相對(duì)減弱。最后，因濃度差而產(chǎn)生的擴(kuò)散力被電場(chǎng)力所抵消，使擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。這時(shí)，雖然擴(kuò)散和漂移仍在不斷進(jìn)行，但通過界面的凈載流子數(shù)為零。平衡時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度一定，UB也保持一定，如圖(b)所示。

由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)(層)。又因?yàn)榭臻g電荷區(qū)的內(nèi)電場(chǎng)對(duì)擴(kuò)散有阻擋作用，好像壁壘一樣，所以又稱它為阻擋區(qū)或勢(shì)壘區(qū)。

§1.4.3

PN結(jié)及其單向?qū)щ娦浴?.4電子器件23現(xiàn)在是23頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日幾個(gè)重要概念：①擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)

——

P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時(shí)，由于交界面（接觸界）兩側(cè)多子和少子的濃度有很大差別，N區(qū)的電子必然向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，P區(qū)的空穴也向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，這種由于濃度差而引起的運(yùn)動(dòng)稱為擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。②漂移運(yùn)動(dòng)

——

在擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)同時(shí)，PN結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成電荷區(qū)，（或稱阻擋層，耗盡區(qū)等），在空間電荷區(qū)在內(nèi)部形成電場(chǎng)的作用下，少子會(huì)定向運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生漂移，即N區(qū)空穴向P區(qū)漂移，P區(qū)的電子向N區(qū)漂移。24現(xiàn)在是24頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日③空間電荷區(qū)

——

在PN結(jié)的交界面附近，由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子與空穴復(fù)合，多子的濃度下降，則在P

區(qū)和N區(qū)分別出現(xiàn)了由不能移動(dòng)的帶電離子構(gòu)成的區(qū)域，這就是空間電荷區(qū)，又稱為阻擋層，耗盡層，墊壘區(qū)。④內(nèi)部電場(chǎng)——由空間電荷區(qū)（即PN結(jié)的交界面兩側(cè)的帶有相反極性的離子電荷）將形成由N區(qū)指向P區(qū)的電場(chǎng)E，這一內(nèi)部電場(chǎng)的作用是阻擋多子的擴(kuò)散，加速少子的漂移。⑤耗盡層——在無外電場(chǎng)或外激發(fā)因素時(shí)，PN結(jié)處于動(dòng)態(tài)平衡沒有電流，內(nèi)部電場(chǎng)E為恒定值，這時(shí)空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，故稱為耗盡層。25現(xiàn)在是25頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日PN結(jié)內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)過程如下：（無外加電場(chǎng)作用時(shí)）

｛N區(qū)電子→→P區(qū)｝IDPN結(jié)兩端摻雜濃度不均→→擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)→→｛｝→→→ ｛P區(qū)空穴→→N區(qū)｝

｛P區(qū)：電子→與空穴復(fù)合→→空間電荷區(qū)↑寬｝復(fù)合→→｛ ｝→→→ ｛N區(qū)：空穴→與電子復(fù)合→→內(nèi)部電場(chǎng)Uho↑｝｛P區(qū)電子→N區(qū)→→空間電荷區(qū)↓窄｝漂移→→→｛｝→→→少子的漂移運(yùn)動(dòng)｛N區(qū)空穴→P區(qū)→→內(nèi)部電場(chǎng)Uho↓｝

26現(xiàn)在是26頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

｛擴(kuò)散↑ID=IT ｛是動(dòng)態(tài)平衡｛→→→→趨于平衡→→｛｛電場(chǎng)↑｛擴(kuò)散電流ID等于漂移電流IT｛流過空間電荷區(qū)的總電流為0→→→→｛｛即：PN結(jié)中的凈電流為0。

結(jié)論：

在無外激發(fā)因素（光照、加熱、電場(chǎng)作用）時(shí)，PN結(jié)內(nèi)部的擴(kuò)散與漂移運(yùn)動(dòng)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，擴(kuò)散電流ID=漂移電流IT，但方向相反，故此時(shí)PN結(jié)中無電流通過，形成一定的寬度的耗盡層。27現(xiàn)在是27頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加正向電壓或正向偏置(簡(jiǎn)稱正偏)，如圖1-9所示。+內(nèi)電場(chǎng)

U

U

B

－

U

＋

－

R

E

圖1–9正向偏置的PN結(jié)

P

N

---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)

使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結(jié)加反向電壓或反向偏置(簡(jiǎn)稱反偏)，如圖1-10所示。圖1–10反向偏置的PN結(jié)

內(nèi)電場(chǎng)

U

U

B

＋

U

－

＋

R

E

P

N

---------------+++++++++++++++耗盡區(qū)

§1.4.3

PN結(jié)單向?qū)щ娞匦浴?.4電子器件28現(xiàn)在是28頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日理論分析證明，流過PN結(jié)的電流i與外加電壓u之間的關(guān)系為

式中，

IS為反向飽和電流，其大小與PN結(jié)的材料、制作工藝、溫度等有關(guān)；UT=kT/q，稱為溫度的電壓當(dāng)量或熱電壓。在T=300K(室溫)時(shí)，

UT=26mV。這是一個(gè)今后常用的參數(shù)。§1.4電子器件

§1.4.3

PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?9現(xiàn)在是29頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日由式可知，加正向電壓時(shí)，u只要大于UT幾倍以上，i≈Iseu/UT，即i隨u呈指數(shù)規(guī)律變化；加反向電壓時(shí)，|u|只要大于UT幾倍以上，則i≈–IS(負(fù)號(hào)表示與正向參考電流方向相反)。因此，式(1–4)的結(jié)果與上述的結(jié)論完全一致。由式(1–4)可畫出PN結(jié)的伏安特性曲線，如圖所示。圖中還畫出了反向電壓大到一定值時(shí)，反向電流突然增大的情況。

u

i

0

T

T

－

U

BR

PN結(jié)的伏安特性

§1.4電子器件

§1.4.3

PN結(jié)單向?qū)щ娞匦?0現(xiàn)在是30頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日UI死區(qū)電壓硅管0.6V,鍺管0.2V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBRPN結(jié)的伏安特性

31現(xiàn)在是31頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

一、PN結(jié)的擊穿特性

由圖1–11看出，當(dāng)反向電壓超過UBR后稍有增加時(shí)，反向電流會(huì)急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)擊穿，并定義UBR為PN結(jié)的擊穿電壓。PN結(jié)發(fā)生反向擊穿的機(jī)理可以分為兩種。

1雪崩擊穿

在輕摻雜的PN結(jié)中，當(dāng)外加反向電壓時(shí)，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時(shí)被加速，動(dòng)能增大。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子，會(huì)與中性原子的價(jià)電子相碰撞，將其撞出共價(jià)鍵，產(chǎn)生電子、空穴對(duì)。新產(chǎn)生的電子、空穴被強(qiáng)電場(chǎng)加速后，又會(huì)撞出新的電子、空穴對(duì)。

2齊納擊穿

在重?fù)诫s的PN結(jié)中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強(qiáng)的電場(chǎng)。當(dāng)反向電壓大到一定值時(shí)，強(qiáng)電場(chǎng)足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場(chǎng)致?lián)舸?。一般來說，對(duì)硅材料的PN結(jié)，UBR>7V時(shí)為雪崩擊穿；

UBR<5V時(shí)為齊納擊穿；

UBR介于5~7V時(shí)，兩種擊穿都有。

§1.4電子器件

§1.4.3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)特性32現(xiàn)在是32頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日二、PN結(jié)的電容特性

PN結(jié)具有電容效應(yīng)，它由勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容兩部分組成。

1勢(shì)壘電容

從PN結(jié)的結(jié)構(gòu)看，在導(dǎo)電性能較好的P區(qū)和N區(qū)之間，夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似。當(dāng)外加電壓增大時(shí)，多子被推向耗盡區(qū)，使正、負(fù)離子減少，相當(dāng)于存貯的電荷量減少；當(dāng)外加電壓減小時(shí)，多子被推離耗盡區(qū)，使正、負(fù)離子增多，相當(dāng)于存貯的電荷量增加。

因此，耗盡區(qū)中存貯的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應(yīng)，并稱為勢(shì)壘電容，用CT表示。經(jīng)推導(dǎo)，CT可表示為

§1.4電子器件

§1.4.3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)特性33現(xiàn)在是33頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日(1–5)

式中：CT0為外加電壓u=0時(shí)的CT值，它由PN結(jié)的結(jié)構(gòu)、摻雜濃度等決定；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結(jié)的制作工藝有關(guān)，一般在1/3~6之間。

2擴(kuò)散電容

正向偏置的PN結(jié)，由于多子擴(kuò)散，會(huì)形成一種特殊形式的電容效應(yīng)。下面利用圖1-12中P區(qū)一側(cè)載流子的濃度分布曲線來說明。

§1.4電子器件

§1.4.3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)特性34現(xiàn)在是34頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

同理，在N區(qū)一側(cè)，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的增加量ΔQp。這種外加電壓改變引起擴(kuò)散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應(yīng)，稱為擴(kuò)散電容，用CD表示。

如果引起ΔQn,Δ

Qp的電壓變化量為Δu，則(1–6)對(duì)PN+結(jié)，可以忽略ΔQp/Δu項(xiàng)。經(jīng)理論分析可得§1.4電子器件

§1.4.3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)特性35現(xiàn)在是35頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

式中：τn為P區(qū)非平衡電子的平均命；I為PN結(jié)電流，由式(1–4)確

由式(1–5)、(1–6)可知，CT、CD都隨外加電壓的變化而變化，所以勢(shì)壘電容和擴(kuò)散電容都是非線性電容。

由于CT和CD均等效地并接在PN結(jié)上，因而，PN結(jié)上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=CT+CD

。正偏時(shí)以CD為主，

Cj

≈

CD

，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時(shí)以CT為主，

Cj

≈

CT,其值通常為幾至幾十pF。因?yàn)镃T和CD并不大，所以在高頻工作時(shí)，才考慮它們的影響?！?.4電子器件

§1.4.3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)特性36現(xiàn)在是36頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

三、

PN結(jié)的溫度特性

PN結(jié)特性對(duì)溫度變化很敏感，反映在伏安特性上即為：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，如圖1–11中虛線所示。具體變化規(guī)律是：保持正向電流不變時(shí)，溫度每升高1℃，結(jié)電壓減小約2~2.5mV，即

Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃(1–7)

溫度每升高10℃，反向飽和電流IS增大一倍。如果溫度為T1時(shí)，

IS=IS1；溫度為T2時(shí)，

IS=IS2，則(1–8)

當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度有可能超過摻雜濃度，使雜質(zhì)半導(dǎo)體變得與本征半導(dǎo)體一樣，這時(shí)PN結(jié)就不存在了。因此，為了保證PN結(jié)正常工作，它的最高工作溫度有一個(gè)限制，對(duì)硅材料約為(150~200)℃，對(duì)鍺材料約為(75~100)℃。

§1.4電子器件

§1.4.3半導(dǎo)體物理基礎(chǔ)知識(shí)-PN結(jié)特性37現(xiàn)在是37頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日結(jié)論P(yáng)N結(jié)具有單向?qū)щ娦裕赫珜?dǎo)通，呈小電阻，電流較大;

反偏截止，電阻很大，電流近似為零。38現(xiàn)在是38頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日PN結(jié)的伏安特性

反向飽和電流溫度的電壓當(dāng)量電子電量玻爾茲曼常數(shù)Ou

/VI

/mA正向特性反向擊穿當(dāng)T=300(27C)：UT

=26mVi≈–IS加正向電壓時(shí)加反向電壓時(shí)39現(xiàn)在是39頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日晶體二極管是由PN結(jié)加上電極引線和管殼構(gòu)成的，其結(jié)構(gòu)示意圖和電路符號(hào)分別如圖1-13(a),(b)所示。符號(hào)中，接到P型區(qū)的引線稱為正極(或陽(yáng)極)，接到N型區(qū)的引線稱為負(fù)極(或陰極)。

利用PN結(jié)的特性，可以制作多種不同功能的晶體二極管，例如普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管等。其中，具有單向?qū)щ娞匦缘钠胀ǘO管應(yīng)用最廣。本節(jié)主要討論普通二極管及其基本應(yīng)用電路。另外，簡(jiǎn)要介紹穩(wěn)壓二極管及其穩(wěn)壓電路。

P

N

正極

負(fù)極

(

a

)

負(fù)極

正極

(

b

)

圖1–13晶體二極管結(jié)構(gòu)示意圖及電路符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號(hào)§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管40現(xiàn)在是40頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管41現(xiàn)在是41頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日普通二極管的典型伏安特性曲線如圖1–14所示。實(shí)際二極管由于引線的接觸電阻、P區(qū)和N區(qū)體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與PN結(jié)的伏安特性略有差異。由圖可以看出，實(shí)際二極管的伏安特性有如下特點(diǎn)：

一、正向特性正向電壓只有超過某一數(shù)值時(shí)，才有明顯的正向電流。這一電壓稱為導(dǎo)通電壓或死區(qū)電壓，用UD(on)表示。室溫下，硅管的UD(on)=(0.5~0.6)V，鍺管的UD(on)=(0.1~0.2)V。二、反向特性于表面漏電流影響，二極管的反向電流要比理想PN結(jié)的IS大得多。而且反向電壓加大時(shí)，反向電流也略有增大。盡管如此，對(duì)于小功率二極管，其反向電流仍很小，硅管一般小于0.1μA，鍺管小于幾十微安。u

/

V

0

i

/

mA

10

20

30

－

5

－

10

－

0.

5

0.5

圖1–14二極管伏安特性曲線§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-伏安特性42現(xiàn)在是42頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-伏安特性伏安特性（VAR）：與PN結(jié)的VAR差不多，二極管的VAR也服從PN結(jié)方程：

I=IS(eU/UT-1)其他特性：由于一只二極管就是一個(gè)PN結(jié)，故二極管的特性與PN結(jié)的特性差不多，也同樣具有：?jiǎn)蜗驅(qū)щ娦浴囟忍匦?、反向擊穿特?3現(xiàn)在是43頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日下面介紹晶體二極管的主要參數(shù)及其意義：一、直流電阻RDRD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即

RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。

RD的幾何意義見圖1–15(a)，即Q(ID,UD)點(diǎn)到原點(diǎn)直線斜率的倒數(shù)。顯然，圖中Q1點(diǎn)處的RD小于Q2點(diǎn)處的RD

。

(1–9)

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-參數(shù)44現(xiàn)在是44頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日二、交流電阻rD

rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即(1–10)

rD的幾何意義見圖1–15(b)，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。

rD可以通過對(duì)式(1–4)求導(dǎo)得出，即(1–11)

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-參數(shù)45現(xiàn)在是45頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

可見rD與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關(guān)。室溫條件下(T=300K):

通過對(duì)二極管交、直流電阻的分析可知，由于二極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點(diǎn)處的交、直流電阻不同，同一點(diǎn)處交流和直流電阻也不相同。

(1–12)§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-參數(shù)46現(xiàn)在是46頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日0

U

D

u

I

D

D

u

(

a

)

i

Q

1

Q

2

0

u

(

b

)

i

Q

|

i

圖1–15二極管電阻的幾何意義

(a)直流電阻RD；

(b)交流電阻rD§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-參數(shù)47現(xiàn)在是47頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日三、最大整流電流IF

IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，流過二極管的平均電流不能超過此值。四、最大反向工作電壓URM

URM指二極管工作時(shí)所允許加的最大反向電壓，超過此值容易發(fā)生反向擊穿。通常取UBR的一半作為URM

。五、反向電流IR

IR指二極管未擊穿時(shí)的反向電流。IR越小，單向?qū)щ娦阅茉胶谩R與溫度密切相關(guān)，使用時(shí)應(yīng)注意IR的溫度條件。六、最高工作頻率fM

fM是與結(jié)電容有關(guān)的參數(shù)。工作頻率超過fM時(shí)，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹?/p>

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-參數(shù)48現(xiàn)在是48頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管-參數(shù)二極管的選擇

①要求導(dǎo)通電壓低時(shí)選鍺管，要求反向電流小時(shí)選硅管。②要求導(dǎo)通電流大時(shí)選平面型，要求反向工作頻率高時(shí)選點(diǎn)接觸型。③要求反向擊穿電壓高時(shí)選硅管；④要求耐高溫時(shí)選硅管。49現(xiàn)在是49頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日50現(xiàn)在是50頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。一、穩(wěn)壓二極管的特性

穩(wěn)壓二極管的電路符號(hào)及伏安特性曲線如圖1–21所示。由圖可見，它的正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時(shí)(IZmin<I<IZmax)，其兩端電壓幾乎不變。這表明，穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，能通過調(diào)整自身電流實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管擊穿后，電流急劇增大，使管耗相應(yīng)增大。因此必須對(duì)擊穿后的電流加以限制，以保證穩(wěn)壓二極管的安全。

(

a

)

u

i

0

I

Zmin

I

Zmax

U

Z

(

b

)

圖1-21穩(wěn)壓二極管及其特性曲線(a)電路符號(hào)；(b)伏安特性曲線§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管51現(xiàn)在是51頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ

UZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。由于制作工藝的原因，即使同型號(hào)的穩(wěn)壓二極管，

UZ的分散性也較大。使用時(shí)可通過測(cè)量確定其準(zhǔn)確值。2.額定功耗PZ

PZ是由管子結(jié)溫限制所限定的參數(shù)。

PZ與PN結(jié)所用的材料、結(jié)構(gòu)及工藝有關(guān)，使用時(shí)不允許超過此值。

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管52現(xiàn)在是52頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日3.穩(wěn)壓電流IZ

IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時(shí)的參考電流。工作電流小于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果差，大于此值時(shí)，穩(wěn)壓效果好。穩(wěn)定電流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作電流不允許超過此值，否則會(huì)燒壞管子。另外，工作電流也有最小值IZmax的限制，小于此值時(shí)，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。4.動(dòng)態(tài)電阻rZ

rZ是穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點(diǎn)處切線斜率的倒數(shù)。

rZ隨工作電流增大而減小。

rZ的數(shù)值一般為幾歐姆到幾十歐姆。5.溫度系數(shù)α

α是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù)，用單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對(duì)變化量表示。通常，

UZ<5V時(shí)具有負(fù)溫度系數(shù)(因齊納擊穿具有負(fù)溫系數(shù))；UZ>7V時(shí)具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù))；而UZ在5V到7V之間時(shí)，溫度系數(shù)可達(dá)最小§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管53現(xiàn)在是53頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路如圖1–22所示。圖中Ui為有波動(dòng)的輸入電壓，并滿足Ui>UZ。R為限流電阻，RL為負(fù)載。

V

Z

U

i

＋

－

U

o

＋

－

R

R

L

I

L

I

Z

圖1–22穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管54現(xiàn)在是54頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

下面來說明限流電阻R的選擇方法。由圖1–21可知，當(dāng)Ui,RL變化時(shí)，IZ應(yīng)始終滿足Izmin<IZ<IZmax。設(shè)Ui的最小值為Uimin，最大值為Uimax；RL最小時(shí)IL的最大值為UZ/RLmin,RL最大時(shí)IL的最小值為UZ/RLmin

。由圖1–22可知，當(dāng)Ui=Uimin,RL=RLmin時(shí)，IZ最小。這時(shí)應(yīng)滿足

即

當(dāng)Ui=Uimax,RL=RLmax時(shí)，IZ最大。這時(shí)應(yīng)滿足(1–13)§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體穩(wěn)壓二極管由式(1–13)、(1–14)，可得限流電阻的取值范圍是即

(1–14)(1–15)若出現(xiàn)Rmin>Rmax的結(jié)果，則說明在給定條件下，已超出了VZ管的穩(wěn)壓工作范圍。這時(shí)，需要改變使用條件或重新選擇大容量穩(wěn)壓二極管，以滿足Rmin<Rmax

。

55現(xiàn)在是55頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日使用穩(wěn)壓二極管要注意：1、穩(wěn)壓二極管幾乎都是硅管；2、連接電路時(shí)應(yīng)反接；+-3、穩(wěn)壓管需串入一個(gè)電阻。該電阻的作用一是限流，保護(hù)穩(wěn)壓管；二是當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流變化時(shí)，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號(hào)以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。VC56現(xiàn)在是56頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件負(fù)載電阻。要求當(dāng)輸入電壓由正常值發(fā)生20%波動(dòng)時(shí)，負(fù)載電壓基本不變。uoiZDZRiLiuiRL穩(wěn)壓管的技術(shù)參數(shù):解：令輸入電壓達(dá)到上限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmax。求：電阻R和輸入電壓ui的正常值?！匠?

§1.4.4穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例57現(xiàn)在是57頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.4穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用舉例令輸入電壓降到下限時(shí)，流過穩(wěn)壓管的電流為Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL聯(lián)立方程1、2，可解得：58現(xiàn)在是58頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日二極管的最重要的應(yīng)用是作為“開關(guān)”。由此而引申出來的有整流、限幅及電平選擇等諸多方面的應(yīng)用。在任何應(yīng)用電路中，最核心的問題是如何判斷二極管是處于導(dǎo)通或是截止?fàn)顟B(tài)。如果是導(dǎo)通的，二極管即可視為短路或0.7V(鍺材料為0.3V)，反之，是截止的，即可視為為開路?！?.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用59現(xiàn)在是59頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日一、二極管整流電路

把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個(gè)簡(jiǎn)單的二極管半波整流電路如圖1–17(a)所示。若二極管為理想二極管，當(dāng)輸入一正弦波時(shí)，由圖可知：正半周時(shí)，二極管導(dǎo)通(相當(dāng)開關(guān)閉合)，uo=ui；負(fù)半周時(shí)，二極管截止(相當(dāng)開關(guān)打開)，

uo=0。其輸入、輸出波形見圖1–17(b)。整流電路可用于信號(hào)檢測(cè)，也是直流電源的一個(gè)組成部分。

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用60現(xiàn)在是60頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日t

t

u

o

0

u

i

0

(

b

)

V

u

i

＋

－

u

o

＋

－

R

L

(

a

)

圖1–17二極管半波整流電路及波形(a)電路；

(b)輸入、輸出波形關(guān)系

§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用61現(xiàn)在是61頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日二、二極管限幅電路

限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性如圖1–18所示

.u

i

0

U

IL

u

o

U

omax

U

omin

U

IH

圖1–18限幅電路的傳輸特性§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用62現(xiàn)在是62頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

一個(gè)簡(jiǎn)單的上限幅電路如圖1–19(a)所示。利用圖1–16(c)的二極管模型可知，當(dāng)ui≥E+UD(on)=2.7V時(shí)，V導(dǎo)通，uo=2.7V，即將ui的最大電壓限制在2.7V上；當(dāng)ui<2.7V時(shí)，V截止，二極管支路開路，

uo=ui

。圖1–19(b)畫出了輸入一5V的正弦波時(shí)，該電路的輸出波形。可見，上限幅電路將輸入信號(hào)中高出2.7V的部分削平了。

t

V

u

i

＋

－

u

o

＋

－

R

(

a

)

E

2V

u

i

/

V

0

(

b

)

5

-5

t

u

o

/

V

0

-5

2.7

圖1–19二極管上限幅電路及波形(a)電路；

(b)輸入、輸出波形關(guān)系§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用63現(xiàn)在是63頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日三、二極管電平選擇電路

從多路輸入信號(hào)中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。一種二極管低電平選擇電路如圖1–20(a)所示。設(shè)兩路輸入信號(hào)u1,u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能導(dǎo)通，但實(shí)際上若u1<u2

，則V1導(dǎo)通后將把uo限制在低電平u1上，使V2截止。反之，若u2<u1

，則V2導(dǎo)通，使V1截止。只有當(dāng)u1=u2時(shí)，

V1,V2才能都導(dǎo)通。

可見，該電路能選出任意時(shí)刻兩路信號(hào)中的低電平信號(hào)。圖1–20(b)畫出了當(dāng)u1,u2為方波時(shí)，輸出端選出的低電平波形。如果把高于2.3V的電平當(dāng)作高電平，并作為邏輯1，把低于0.7V的電平當(dāng)作低電平，并作為邏輯0，由圖1–20(b)可知，輸出與輸入之間是邏輯與的關(guān)系。因此，當(dāng)輸入為數(shù)字量時(shí)，該電路也稱為與門電路?！?.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用64現(xiàn)在是64頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日V

1

u

1

＋

－

u

o

(

a

)

V

2

E

R

u

2

t

t

t

(

b

)

u

o

/

V

0

3.7

u

1

V

3

0

u

2

/

V

3

0

0.7

圖1–20二極管低電平選擇電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關(guān)系§1.4電子器件

§1.4.4半導(dǎo)體二極管應(yīng)用65現(xiàn)在是65頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日例．試判斷圖中二極管是導(dǎo)通還是截止？并求出AO兩端電壓ＶA0。設(shè)二極管為理想的。

解：

分析方法：（1）將D1、D2從電路中斷開，分別出D1、D2兩端的電壓；

（2）根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦裕O管承受正向電壓則導(dǎo)通，反之則截止。若兩管都承受正向電壓，則正向電壓大的管子優(yōu)先導(dǎo)通，然后再按以上方法分析其它管子的工作情況。本題中：Ｖ12=12V，Ｖ34=12+4=16V，所以D2優(yōu)先導(dǎo)通，此時(shí)，Ｖ12=-4V，所以D1管子截止。ＶA0=-4V。66現(xiàn)在是66頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

一、變?nèi)荻O管

如前所述，PN結(jié)加反向電壓時(shí)，結(jié)上呈現(xiàn)勢(shì)壘電容，該電容隨反向電壓增大而減小。利用這一特性制作的二極管，稱為變?nèi)荻O管。它的電路符號(hào)如圖1–23所示。變?nèi)荻O管的結(jié)電容與外加反向電壓的關(guān)系由式(1–5)決定。它的主要參數(shù)有：變?nèi)葜笖?shù)、結(jié)電容的壓控范圍及允許的最大反向電壓等。圖1–23變?nèi)荻O管符號(hào)§1.4電子器件

§1.4.4其他二極管簡(jiǎn)介67現(xiàn)在是67頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

二、

肖特基二極管

當(dāng)金屬與N型半導(dǎo)體接觸時(shí)，在其交界面處會(huì)形成勢(shì)壘區(qū)，利用該勢(shì)壘制作的二極管，稱為肖特基二極管或表面勢(shì)壘二極管。它的原理結(jié)構(gòu)圖和對(duì)應(yīng)的電路符號(hào)如圖1–24所示。N

型

半導(dǎo)體

(

a

)

金屬

(

b

)

圖1–24肖特基二極管結(jié)構(gòu)與符號(hào)(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)電路符號(hào)+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

§1.4電子器件

§1.4.4其他二極管簡(jiǎn)介68現(xiàn)在是68頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

三、

光電二極管

光電二極管是一種將光能轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體器件，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，只是管殼上留有一個(gè)能入射光線的窗口。圖1–25示出了光電二極管的電路符號(hào)，其中，受光照區(qū)的電極為前級(jí)，不受光照區(qū)的電極為后級(jí)。前級(jí)

后級(jí)

圖1–25光電二極管符號(hào)

§1.4電子器件

§1.4.4其他二極管簡(jiǎn)介69現(xiàn)在是69頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

1．N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體是本征半導(dǎo)體分別加入五價(jià)元素和三價(jià)元素的雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中，電子是多子而空穴是少子；P型半導(dǎo)體中，空穴是多子而電子是少子。多子濃度由摻雜濃度決定，少子濃度很小且隨溫度的變化而變化。

2．P型和N型半導(dǎo)體結(jié)合，在交界面處形成PN結(jié)。PN結(jié)是構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基本單元，它具有單向?qū)щ娞匦浴舸┨匦院碗娙萏匦浴?/p>

3．晶體二極管由PN結(jié)構(gòu)成。大信號(hào)運(yùn)用時(shí)表現(xiàn)為開關(guān)特性，即正偏時(shí)導(dǎo)通，反偏時(shí)截止。理想情況下，相當(dāng)于開關(guān)閉合與斷開。二極管的主要應(yīng)用電路有整流、限幅及電平選擇等。

4．利用PN結(jié)的擊穿特性可制作穩(wěn)壓二極管。用穩(wěn)壓二極管構(gòu)成穩(wěn)壓電路時(shí)，首先應(yīng)保證穩(wěn)壓管反向擊穿，另外必須串接限流電阻。當(dāng)輸入電壓波動(dòng)或負(fù)載電阻改變時(shí)，穩(wěn)壓二極管通過調(diào)整自身電流的大小以維持其端電壓基本穩(wěn)定?！?.4電子器件

§1.4.4小結(jié)70現(xiàn)在是70頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極性晶體管雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導(dǎo)體構(gòu)成的器件。它有三個(gè)電極，所以又稱為半導(dǎo)體三極管、晶體三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體管。2907APNP雙極性晶體管

大功率達(dá)林頓晶體管100GHz銦磷/釤銦砷異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管的電子掃描顯微圖片71現(xiàn)在是71頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-結(jié)構(gòu)

晶體管的原理結(jié)構(gòu)如圖2–1(a)所示。由圖可見，組成晶體管的三層雜質(zhì)半導(dǎo)體是N型—P型—N型結(jié)構(gòu)，所以稱為NPN管。P

集電極

基極

發(fā)射極

集電結(jié)

發(fā)射結(jié)

發(fā)射區(qū)

集電區(qū)

(

a

)

NPN

c

e

b

PNP

c

e

b

b

基區(qū)

e

c

(

b

)

N

＋

襯底

N

型外延

P

N

＋

c

e

b

SiO

2

絕緣層

集電結(jié)

基區(qū)

發(fā)射區(qū)

發(fā)射結(jié)

集電區(qū)

(

c

)

N

N

圖2–1晶體管的結(jié)構(gòu)與符號(hào)(a)NPN管的示意圖；(b)電路符號(hào)；(c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖72現(xiàn)在是72頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-工作原理

當(dāng)晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)情況可用圖2--2說明。我們按傳輸順序分以下幾個(gè)過程進(jìn)行描述。圖2–2晶體管內(nèi)載流子的運(yùn)動(dòng)和各極電流c

I

C

e

I

E

N

P

N

I

B

R

C

U

CC

U

BB

R

B

I

CBO

15V

b

I

BN

I

EP

I

EN

I

CN

73現(xiàn)在是73頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日

（1）因?yàn)榘l(fā)射結(jié)正偏，所以發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子，形成了擴(kuò)散電流IEN

。同時(shí)從基區(qū)向發(fā)射區(qū)也有空穴的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，形成的電流為IEP。但其數(shù)量小，可忽略。所以發(fā)射極電流IE≈

IEN

。

（2）發(fā)射區(qū)的電子注入基區(qū)后，變成了少數(shù)載流子。少部分遇到的空穴復(fù)合掉，形成IBN。所以基極電流IB≈

IBN。大部分到達(dá)了集電區(qū)的邊緣。1．BJT內(nèi)部的載流子傳輸過程74現(xiàn)在是74頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日（3）因?yàn)榧娊Y(jié)反偏，收集擴(kuò)散到集電區(qū)邊緣的電子，形成ICN

。

另外，集電結(jié)區(qū)的少子形成漂移電流ICBO。75現(xiàn)在是75頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日2．電流分配關(guān)系三個(gè)電極上的電流關(guān)系:76現(xiàn)在是76頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-工作原理小結(jié)1.在晶體管中，不僅IC比IB大很多；當(dāng)IB有微小變化時(shí)還會(huì)引起IC的較大變化2.晶體管放大的外部條件－發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置3.放大作用的內(nèi)部條件－基區(qū)很薄且摻雜濃度很低。77現(xiàn)在是77頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-伏安特性

三極管的伏安特性反映了三極管電極之間電壓和電流的關(guān)系。要正確使用三極管必須了解其伏安特性。輸入特性輸出特性78現(xiàn)在是78頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件§1.4.5雙極型晶體管-輸入特性

三極管的輸入特性是在三極管的集電極與發(fā)射極之間加一定電壓，即：UCE=常數(shù)時(shí)，基極電流IB和基極與發(fā)射極之間的電壓UBE之間的關(guān)系。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V與二極管正向特性一致。79現(xiàn)在是79頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件§1.4.5雙極型晶體管-輸入特性放大狀態(tài)時(shí)，硅NPN管UBE=0.6~0.7V；鍺PNP管UBE=–0.2~–0.3V。

對(duì)硅管來說，當(dāng)UCE1V時(shí)，集電結(jié)已處于反向偏置，發(fā)射結(jié)正向偏置所形成電流的絕大部分將形成集電極電流，但I(xiàn)B與UBE的關(guān)系依然與PN結(jié)的正向類似。(當(dāng)UCE更小，IB才會(huì)明顯增加)硅管的死區(qū)電壓為0.5V，鍺管的死區(qū)電壓不超過0.2V。00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V80現(xiàn)在是80頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-輸出特性輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時(shí)，輸出電路(集電極電路)中集電極電流IC與集-射極電壓UCE之間的關(guān)系曲線。在不同的IB下，可得到不同的曲線，即晶體管的輸出特性曲線是一組曲線(見下圖)。81現(xiàn)在是81頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-輸出特性

當(dāng)IB一定時(shí)，UCE超過約1V以后就將形成IC，當(dāng)UCE繼續(xù)增加時(shí)，IC的增加將不再明顯。這是晶體管的恒流特性。

當(dāng)IB增加時(shí)，相應(yīng)的IC也增加，曲線上移，而且IC比IB增加得更明顯。這是晶體管的電流放大作用。通常將晶體管的輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：82現(xiàn)在是82頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件(1)放大區(qū)特性曲線進(jìn)于水平的區(qū)域。在放大區(qū)，也稱線性區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。(2)截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域。IB=0時(shí)IC=ICEO。對(duì)于硅管當(dāng)UBE<0.5V時(shí)即開始截止。為了可靠截止常使UBE0。(3)飽和區(qū)當(dāng)UCE<UBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IB的變化對(duì)IC影響較小，失去放大作用。即：飽和時(shí)，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏即截止時(shí)兩個(gè)PN結(jié)都反向偏置83現(xiàn)在是83頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-伏安特性各態(tài)偏置情況截止放大飽和發(fā)射結(jié)反偏正偏正偏集電結(jié)反偏反偏正偏

放大區(qū)－－此時(shí)發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。

截止區(qū)－－即截止時(shí)兩個(gè)PN結(jié)都反向偏置

飽和區(qū)－－飽和時(shí)，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏84現(xiàn)在是84頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件截止放大飽和85現(xiàn)在是85頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日例：測(cè)量三極管三個(gè)電極對(duì)地電位如圖

03.09所示，試判斷三極管的工作狀態(tài)。

圖03.09三極管工作狀態(tài)判斷

放大截止飽和86現(xiàn)在是86頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)

晶體管的特性不僅可用特性曲線表示，還可用一些數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，即晶體管參數(shù)。它是設(shè)計(jì)電路和選用器件的依據(jù)。電流放大系數(shù)β，集-基極反向飽和電流ICBO集-射極反向飽和電流ICEO集電極最大允許電流ICM集-射極反向擊穿電壓

U(BR)CEO集電極最大允許耗散功率PCM87現(xiàn)在是87頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)電流放大系數(shù)β當(dāng)三極管接成共發(fā)射極電路時(shí)，在靜態(tài)（無輸入信號(hào)）時(shí)，集電極電流（輸出電流）與基極電流（輸入電流）的比值稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)。

當(dāng)三極管工作在動(dòng)態(tài)（有輸入信號(hào)）時(shí)，由基極電流的變化量引起的集電極電流的變化量與基點(diǎn)電流的變化量的比值成為動(dòng)態(tài)電流（交流）放大系數(shù)。88現(xiàn)在是88頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)

靜態(tài)電流放大系數(shù)和動(dòng)態(tài)電流放大系數(shù)的意義不同，但大多數(shù)情況下近似相等，可以借用進(jìn)行定量估算。晶體管的輸出特性曲線是非線性的，只有在曲線的等距平直部分才有較好的線性關(guān)系，IC與IB成正比，β也可認(rèn)為是基本恒定的由于制造工藝的原因，晶體管的參數(shù)具有一定的離散性，即使是同一型號(hào)的晶體管，也不可能具有完全相同的參數(shù)。常用晶體管的β值在20~100之間。近年來由于生產(chǎn)工藝的提高，β值在100~300之間的晶體管也具有很好的特性。89現(xiàn)在是89頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)集-基極反向飽和電流ICBO

ICBO是當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)的集電極電流。它受溫度影響很大，在室溫下鍺管的ICBO約為10A數(shù)量級(jí)、硅管的ICBO在1A以下數(shù)量級(jí)。90現(xiàn)在是90頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)集-射極反向飽和電流ICEOICEO是當(dāng)基極開路時(shí)的集電極電流，常稱為穿透電流。盡管基極開路，由于集電結(jié)反偏仍有ICBO形成，它將通過發(fā)射結(jié)到發(fā)射極，這時(shí)將有IC=(1+)ICBO=ICEO處于放大狀態(tài)的晶體管有IC=IB+ICEO91現(xiàn)在是91頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)集電極最大允許電流ICM在IC很大時(shí)，輸出待性曲線變密，β值減小。一般把β減小到額定值的2／3時(shí)的IC值，稱為集電極最大允許電流ICM。當(dāng)IC超過ICM時(shí)，β值顯著下降，甚至有燒壞管子的可能。92現(xiàn)在是92頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO

它是基極開路時(shí)，C-E間的最大允許電壓。當(dāng)UCE>U(BR)CEO時(shí)，ICEO突變，晶體管會(huì)被擊穿損壞。93現(xiàn)在是93頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件

§1.4.5雙極型晶體管-主要參數(shù)集電極最大允許耗散功率PCMIC流經(jīng)集電結(jié)時(shí)將產(chǎn)生熱量使結(jié)溫上升，從而引起晶體管參數(shù)的變化。在參數(shù)變化不超過允許值時(shí)集電極所消耗的功率稱為PCM。因此PCM主要受結(jié)溫T

j制約。94現(xiàn)在是94頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日95半導(dǎo)體三極管的型號(hào)第二位：A鍺PNP管、B鍺NPN管、

C硅PNP管、D硅NPN管

第三位：X低頻小功率管、D低頻大功率管、

G高頻小功率管、A高頻大功率管、K開關(guān)管用字母表示材料用字母表示器件的種類用數(shù)字表示同種器件型號(hào)的序號(hào)用字母表示同一型號(hào)中的不同規(guī)格三極管國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)半導(dǎo)體器件型號(hào)的命名舉例如下：3DG110B現(xiàn)在是95頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日1：EMITTER2：BASE3：COLLECTOR96現(xiàn)在是96頁(yè)\一共有109頁(yè)\編輯于星期日§1.4電子器件§1.4.6絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)晶體管-結(jié)構(gòu)工作原理場(chǎng)效應(yīng)管是利用電場(chǎng)效應(yīng)來控制半導(dǎo)體中的載流子，使流過半導(dǎo)體內(nèi)的電流大小隨電場(chǎng)強(qiáng)弱的改變而變化的電壓控制電流的放大器件。其英文名稱為：MetalOxideSem