電子技術(shù)-第1章-半導體二極管及應(yīng)用電路

本課程的主要內(nèi)容第1章半導體二極管及應(yīng)用電路第2章雙極型三極管及其放大電路第3章場效應(yīng)管及其放大電路第4章放大電路的頻率響應(yīng)第5章功率放大電路第6章集成運算放大器第7章負反饋放大電路第8章信號的運算、測量及處理電路第9章波形發(fā)生及變換電路第10章直流電源電氣與電子工程學院第1章半導體二極管及應(yīng)用電路1.1半導體的導電特性1.2PN結(jié)的形成及特性

1.3二極管1.4特殊二極管

電氣與電子工程學院1.1半導體的導電特性1.1.1本征半導體及其導電特性1.1.2N型半導體1.1.3P型半導體電氣與電子工程學院1.1半導體的導電特性

1.導體：電阻率

<10-4

·

cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。

2.絕緣體：電阻率

>109

·

cm物質(zhì)。如橡膠、塑料等。

3.半導體：導電性能介于導體和半導體之間的物質(zhì)。如硅、鍺、硒以及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物。

通常情況下純凈半導體的導電能力較差，但隨著外界條件改變，其導電能力會有較大改變

電氣與電子工程學院半導體具有以下特性：

(1)熱敏特性：當半導體受熱時，電阻率會發(fā)生變化，利用這個特性可制成熱敏元件。(2)光敏特性：當半導體受到光照時，電阻率會發(fā)生改變，利用這個特性制成光敏器件。(3)摻雜特性：在純凈的半導體中摻入某種微量的雜質(zhì)后，它的導電能力就可增加幾十萬乃至幾百萬倍。利用這種特性就做成了各種不同用途的半導體器件。電氣與電子工程學院1.1.1本征半導體及其導電特性

現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi電氣與電子工程學院電氣與電子工程學院硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)

4價元素的原子常常用+4電荷的正離子和周圍4個價電子表示。+4簡化模型電子器件所用的半導體具有晶體結(jié)構(gòu)，因此把半導體也稱為晶體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4

完全純凈的、不含其他雜質(zhì)且具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體稱為本征半導體。將硅或鍺材料提純便形成單晶體，它的原子結(jié)構(gòu)為共價鍵結(jié)構(gòu)。價電子共價鍵在絕對0度（T=0K），價電子被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴

當溫度升高或受光照時，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導體具有導電能力，但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。電氣與電子工程學院電氣與電子工程學院1.半導體中兩種載流子帶負電的自由電子帶正電的空穴

2.本征半導體中，自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，稱為電子-空穴對。

3.本征半導體中自由電子的濃度等于空穴的濃度

4.由于物質(zhì)的運動，自由電子和空穴不斷的產(chǎn)生又不斷的復合。在一定的溫度下，產(chǎn)生與復合運動會達到平衡，載流子的濃度就一定了。

5.載流子的濃度與溫度密切相關(guān)，它隨著溫度的升高，基本按指數(shù)規(guī)律增加。1.1.2N型半導體

雜質(zhì)半導體有兩種N型半導體P型半導體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、銻、砷等，即構(gòu)成N型半導體(或稱電子型半導體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、銻、砷等。在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。電氣與電子工程學院電氣與電子工程學院

本征半導體摻入5價元素后，原來晶體中的某些硅原子將被雜質(zhì)原子代替。雜質(zhì)原子最外層有5個價電子，其中4個與硅構(gòu)成共價鍵，多余一個電子只受自身原子核吸引，在室溫下即可成為自由電子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子

電子稱為多數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子

5價雜質(zhì)原子稱為施主原子。1.1.3P型半導體+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。

3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴電氣與電子工程學院說明：

1.摻入雜質(zhì)的濃度決定多數(shù)載流子濃度；溫度決定少數(shù)載流子的濃度。3.雜質(zhì)半導體總體上保持電中性。4.雜質(zhì)半導體的表示方法如下圖所示。

2.雜質(zhì)半導體載流子的數(shù)目要遠遠高于本征半導體，因而其導電能力大大改善。(a)N型半導體(b)P型半導體1.2PN結(jié)的形成及特性1.2.1PN結(jié)的形成

在一塊半導體單晶上一側(cè)摻雜成為P型半導體，另一側(cè)摻雜成為N型半導體，兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為PN結(jié)。PNPN結(jié)

PN結(jié)的形成電氣與電子工程學院一、PN結(jié)中載流子的運動耗盡層空間電荷區(qū)PN1.擴散運動

2.擴散運動形成空間電荷區(qū)電子和空穴濃度差形成多數(shù)載流子的擴散運動?！狿N結(jié)，耗盡層。PN3.空間電荷區(qū)產(chǎn)生內(nèi)電場PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場UD空間電荷區(qū)正負離子之間電位差UD

——電位壁壘；——

內(nèi)電場；內(nèi)電場阻止多子的擴散——

阻擋層。

4.漂移運動內(nèi)電場有利于少子運動—漂移。

少子的運動與多子運動方向相反

阻擋層5.擴散與漂移的動態(tài)平衡擴散運動使空間電荷區(qū)增大，擴散電流逐漸減?。浑S著內(nèi)電場的增強，漂移運動逐漸增加；當擴散電流與漂移電流相等時，PN結(jié)總的電流空間電荷區(qū)的寬度約為幾微米~幾十微米；等于零，空間電荷區(qū)的寬度達到穩(wěn)定。即擴散運動與漂移運動達到動態(tài)平衡。電壓壁壘UD，硅材料約為(0.6~0.8)V,鍺材料約為(0.2~0.3)V。電氣與電子工程學院

總結(jié):

在一塊本征半導體在兩側(cè)通過擴散不同的雜質(zhì),分別形成N型半導體和P型半導體。

因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場

內(nèi)電場促使少子漂移

內(nèi)電場阻止多子擴散

最后,多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡。多子的擴散運動

由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

1.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

1.PN外加正向電壓又稱正向偏置，簡稱正偏。外電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)VRI空間電荷區(qū)變窄，有利于擴散運動，電路中有較大的正向電流。PN電氣與電子工程學院形成正向電流多子向PN結(jié)移動空間電荷變窄內(nèi)電場減弱擴散運動大于漂移運動PN結(jié)在外加正向電壓時的情況外加電場與內(nèi)電場方向相反，削減內(nèi)電場的作用電氣與電子工程學院在PN結(jié)加上一個很小的正向電壓，即可得到較大的正向電流，為防止電流過大，可接入電阻R。2.PN結(jié)外加反向電壓(反偏)反向接法時，外電場與內(nèi)電場的方向一致，增強了內(nèi)電場的作用；外電場使空間電荷區(qū)變寬；不利于擴散運動，有利于漂移運動，漂移電流大于擴散電流，電路中產(chǎn)生反向電流I

；由于少數(shù)載流子濃度很低，反向電流數(shù)值非常小。空間電荷區(qū)反相偏置的PN結(jié)反向電流又稱反向飽和電流。對溫度十分敏感，隨著溫度升高，IS將急劇增大。PN外電場方向內(nèi)電場方向VRIS形成反向電流多子背離PN結(jié)移動空間電荷區(qū)變寬,內(nèi)電場增強漂移運動大于擴散運動PN結(jié)的外加反向電壓時的情況外加電場與內(nèi)電場方向一致，增強內(nèi)電場的作用綜上所述：當PN結(jié)正向偏置時，回路中將產(chǎn)生一個較大的正向電流，PN結(jié)處于導通狀態(tài)；當PN結(jié)反向偏置時，回路中反向電流非常小，幾乎等于零，PN結(jié)處于截止狀態(tài)?？梢姡琍N結(jié)具有單向?qū)щ娦?。電氣與電子工程學院1.2.3PN結(jié)的電容效應(yīng)PN結(jié)具有一定的電容效應(yīng)，它由兩方面的因素決定。一是勢壘電容CT,二是擴散電容CD1.勢壘電容CT

勢壘電容是由空間電荷區(qū)的離子薄層形成的。勢壘電容示意圖

擴散電容是由多子擴散后，在PN結(jié)的另一側(cè)面積累而形成的。因PN結(jié)正偏時，由N區(qū)擴散到P區(qū)的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區(qū)內(nèi)緊靠PN結(jié)的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。2.擴散電容CD

反之，由P區(qū)擴散到N區(qū)的空穴，在N區(qū)內(nèi)也形成類似的濃度梯度分布曲線。電氣與電子工程學院擴散電容示意圖

當外加正向電壓不同，擴散電流即外電路電流的大小也就不同。所以PN結(jié)兩側(cè)堆積的多子的濃度梯度分布也不同，這就相當電容的充放電過程。勢壘電容和擴散電容均是非線性電容。

勢壘、擴散電容都與結(jié)面積S成正比點接觸二極管的結(jié)面積很小，CT、CD都很小，只有0.5～幾pF。面結(jié)合型二極管中的整流管，因結(jié)面積大，CT、CD約在幾pF～200pF。在等效電路中，CT和CD是并聯(lián)的，總的結(jié)電容為兩者之和，即C=CT+CD。當PN結(jié)正偏時，擴散電容起主要作用，C≈CD，當PN結(jié)反偏時，勢壘電容起主要作用，C≈CT。電氣與電子工程學院1.3二極管1.3.1二極管的基本結(jié)構(gòu)1.3.2二極管的伏安特性1.3.3二極管的參數(shù)、型號及選擇1.3.4二極管的分析方法1.3.5二極管的應(yīng)用電氣與電子工程學院

1.3.1二極管的基本結(jié)構(gòu)

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)分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(1)點接觸型二極管PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(a)點接觸型

二極管的結(jié)構(gòu)示意圖電氣與電子工程學院(3)平面型二極管

往往用于集成電路制造工藝中。PN結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。(2)面接觸型二極管PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。(b)面接觸型(c)平面型(4)二極管的代表符號電氣與電子工程學院半導體二極管圖片電氣與電子工程學院電氣與電子工程學院電氣與電子工程學院在二極管的兩端加上電壓，測量流過管子的電流，i=f

(u

)之間的關(guān)系曲線。604020–0.002–0.00400.51.0–25–50i/mAu/V正向特性擊穿電壓U(BR)反向特性

1.3.2二極管的伏安特性導通壓降:硅管0.6-0.7V鍺管0.2-0.3V死區(qū)電壓:硅管0.5V鍺管0.1V電氣與電子工程學院硅二極管和鍺二極管的伏安特性曲線硅管特性曲線鍺管特性曲線電氣與電子工程學院1.正向特性當正向電壓比較小時，正向電流很小，幾乎為零。相應(yīng)的電壓叫死區(qū)電壓。范圍稱死區(qū)。死區(qū)電壓與材料和溫度有關(guān)，硅管約0.5V左右，鍺管約0.1V左右。正向特性死區(qū)電壓60402000.40.8I/mAU/V當正向電壓超過死區(qū)電壓后，隨著電壓的升高，正向電流迅速增大。2.反向特性–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性

當電壓超過零點幾伏后，反向電流不隨電壓增加而增大，即飽和,稱反向飽和電流

二極管加反向電壓，反向電流很小；如果反向電壓繼續(xù)升高，大到一定數(shù)值時，反向電流會突然增大；反向飽和電流

這種現(xiàn)象稱擊穿，對應(yīng)電壓叫反向擊穿電壓。擊穿電壓U(BR)3.反向擊穿特性電氣與電子工程學院雪崩擊穿：雪崩擊穿和齊納擊穿形成電子空穴對（碰撞電離）通過PN結(jié)的少子獲得能量大與晶體中原子碰撞使共價鍵的束縛電荷掙脫共價鍵PN結(jié)反向高場強載流子倍增效應(yīng)電氣與電子工程學院齊納擊穿：形成電子空穴對直接將PN結(jié)中的束縛電荷從共價鍵中拉出來PN結(jié)電場很大很大反向電流齊納擊穿需要很高的場強：2×105V/cm只有雜質(zhì)濃度高，PN結(jié)窄時才能達到此條件——齊納二極管（穩(wěn)壓管）電氣與電子工程學院

電擊穿:當反向電流與電壓的乘積不超過PN結(jié)容許的耗散功率時,稱為電擊穿，是可逆的。即反壓降低時,管子可恢復原來的狀態(tài)。熱擊穿:若反向電流與電壓的乘積超出PN結(jié)的耗散功率,則管子會因為過熱而燒毀,形成熱擊穿——不可逆。熱擊穿和電擊穿

雪崩擊穿、齊納擊穿——可逆電氣與電子工程學院4.伏安特性的數(shù)學表達式(二極管方程)從二極管伏安特性曲線可以看出，二極管的電壓與電流變化不呈線性關(guān)系，其內(nèi)阻不是常數(shù)，所以二極管屬于非線性器件。

式中IS為反向飽和電流，U為二極管兩端的電壓降，UT=kT/q

稱為溫度的電壓當量，k為玻耳茲曼常數(shù)，q

為電子電荷量，T為熱力學溫度。對于室溫（相當T=300K），則有UT=26mV。電氣與電子工程學院1.3.3二極管的參數(shù)、型號及選擇(1)最大整流電流IF

二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。(2)最高反向工作電壓UR工作時允許加在二極管兩端的反向電壓值。通常將擊穿電壓UBR的一半定義為UR。(3)反向電流IR

反向電流IR是指在室溫條件下，二極管兩端加上規(guī)定的反向電壓時，流過管子的反向電流值,通常希望IR

值愈小愈好。1.二極管的參數(shù)(4)最高工作頻率fM

是二極管工作的上限截止頻率

,fM值主要決定于PN結(jié)結(jié)電容的大小。結(jié)電容愈大，二極管允許的最高工作頻率愈低。2.半導體二極管的型號2AP7用數(shù)字代表同類型器件的序號用字母代表器件的類型，P代表普通管A代表N型Ge，B代表P型Ge，C代表N型Si，D代表P型Si2代表二極管，3代表三極管2AP7代表N型Ge材料普通二極管電氣與電子工程學院3.選擇二極管的一般原則(1)要求導通后正向壓降小時選鍺管；要求反向電流小時選硅管。(2)要求工作電流大時選面接觸型；要求工作頻率高時選點接觸型。(3)要求反向擊穿電壓高時選硅管。(4)要求溫度特性好或耐高溫時選硅管。電氣與電子工程學院1.3.4二極管的分析方法

1.理想模型

二極管承受正向電壓時，其管壓降為零，相當于開關(guān)閉合

二極管承受反向電壓時，其電流為零，阻抗為無窮，相當于開關(guān)的斷開電氣與電子工程學院2．恒壓降模型

二極管承受正向電壓導通時，其管壓降為恒定值，且不隨電流而變化，具有這種特性的二極管也叫做實際二極管

二極管承受反向電壓時，其電流為零，阻抗為無窮，相當于開關(guān)的斷開0.2V電氣與電子工程學院例1.3.1

電路如圖1.3.7(a)所示，二極管采用硅管，電阻R＝1kΩ，E＝3V

(1)試分別用理想模型和恒壓降模型求UR的值。

(2)當二極管VD反接，電路如圖1.3.7(b)所示，試分別用兩種模型求UR的值。1.3.7(a)1.3.7(b)電氣與電子工程學院例1.3.2

電路如圖1.3.9所示，其中El＝7V，E2＝5V，E3＝6V，設(shè)二極管的導通電壓0.6V。分別估算開關(guān)S在位置1和位置2的輸出電壓Uo的值。

開關(guān)S置于位置1時UO=E3＝6V開關(guān)S置于位置2UO=E2+0.6＝(5+0.6)V=5.6V電氣與電子工程學院1.3.5二極管的應(yīng)用1．整流電路2．二極管限幅電路電氣與電子工程學院3.在數(shù)字電路的應(yīng)用(1)uA=3V，uB=0VuY=uA－0.7V=2.3V(2)uA=3V，uB=3VVD1、VD2都導通，uY=uA－0.7V=2.3VVD1先導通VD2截止(3)uA=0V，uB=0VVD1、VD2都導通，uY=－0.7V。電氣與電子工程學院1.4特殊二極管

1.4.1穩(wěn)壓二極管

1.4.2光敏二極管

1.4.3發(fā)光二極管

1.4.4變?nèi)荻O管電氣與電子工程學院1.4.1穩(wěn)壓二極管

一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。

I/mAU/VO+

正向

+反向

U(b)穩(wěn)壓管符號(a)穩(wěn)壓管伏安特性+

I1．穩(wěn)壓管的伏安特性電氣與電子工程學院2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù)(1)穩(wěn)定電壓UZ(3)動態(tài)電阻rZ(2)穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)時的穩(wěn)定工作電壓。

正常工作的參考電流。I<IZ時，管子的穩(wěn)壓性能差；I>IZ

，只要不超過額定功耗即可。

rZ愈小愈好。對于同一個穩(wěn)壓管，工作電流愈大，rZ值愈小。IZ=5mArZ

16

IZ=20mArZ

3IZ/mA(4)電壓溫度系數(shù)

U穩(wěn)壓管電流不變時，環(huán)境溫度每變化1℃引起穩(wěn)定電壓變化的百分比。

1)

UZ>7V,

U>0；UZ<4V，

U<0；

2)

UZ

在4~7V之間，

U

值比較小，性能比較穩(wěn)定。

2CW17：UZ=9~10.5V，

U=0.09

%/℃

2CW11：UZ=3.2~4.5V，

U=-(0.05~0.03)%/℃

電氣與電子工程學院(5)額定功耗PZ額定功率決定于穩(wěn)壓管允許的溫升。PZ=UZIZ注意:穩(wěn)壓二極管通常工作在反向擊穿區(qū)，使用時應(yīng)串入一個電阻，電阻起限流作用，以保證穩(wěn)壓管正常工作，此電阻被稱為限流電阻。

[例]

求通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？R是限流電阻，其值是否合適？IZVDZ+20VR=1.6k

+

UZ=12V-

IZM=18mAIZ

<IZM

，電阻值合適。[解]VDZR使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個問題：穩(wěn)壓管電路UOIO+IZIRUI+

1.

外加電源的正極接管子的N區(qū)，電源的負極接P區(qū)，保證管子工作在反向擊穿區(qū)；RL

2.

穩(wěn)壓管應(yīng)與負載電阻RL

并聯(lián)；

3.

必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，不能超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。1.4.2光敏二極管

光敏二極管又稱光電二極管，特點是PN結(jié)的面積大，管殼上有透光的窗口便于接收光的照射，光敏二極管的外型電氣與電子工程學院1.光敏二極管的特性曲線

光敏二極管工作時，在電路中處于反向偏置,在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流與光照度E成正比關(guān)系

當無光照射時，伏安特性和普通二極管一樣，其反向電流很小