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1、第2章二极管第1页，共74页，编辑于2022年，星期一第一节第一节 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、绝缘体和物质按导电性能可分为导体、绝缘体和半导体。物质的导电特性取决于原子结半导体。物质的导电特性取决于原子结构。构。导体导体:可在电场作用下流动自由电荷的物体。可在电场作用下流动自由电荷的物体。金属和合金一般都是导体，如金、银、铜、金属和合金一般都是导体，如金、银、铜、铁、铝、钨、镍铬等。铁、铝、钨、镍铬等。绝缘体绝缘体:不容易导电的物体叫绝缘体不容易导电的物体叫绝缘体。如惰。如惰性气体、橡胶、陶瓷等。性气体、橡胶、陶瓷等。半导体半导体:导电特性处于导体和绝缘体之导电特性
2、处于导体和绝缘体之间的物体。间的物体。半导体在室温下电阻率约在半导体在室温下电阻率约在1010-5-510107 7 m m 之间。之间。氖氖铝铝硅硅1.1 导体、绝缘体和半导体导体、绝缘体和半导体第2页，共74页，编辑于2022年，星期一表述：表述：纯净的具有晶体结构的半导体称为纯净的具有晶体结构的半导体称为 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；物理结构上呈单晶体结构。物理结构上呈单晶体结构。1.2 本征半导体本征半导体第3页，共74页，编辑于2022年，星期一1.3.本征半导体导电方式本征半导体导电方式 锗和硅的原子结构锗和硅的原子结构硅单晶中的共价键结构硅单
3、晶中的共价键结构现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子数现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子数都是四个。把硅或锗材料制成单晶体时，原子组成都是四个。把硅或锗材料制成单晶体时，原子组成金刚石晶体结构金刚石晶体结构，每个原子周围有四个最邻近的原子每个原子周围有四个最邻近的原子。这四个原子处于正四面体的顶角上，这四个原子处于正四面体的顶角上，任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为这任一顶角上的原子和中心原子各贡献一个价电子为这两个原子所共有两个原子所共有，并形成稳定的并形成稳定的共价键结构共价键结构。硅晶体结构硅晶体结构共价键共用电子对第4页，共74页，编
4、辑于2022年，星期一(1)(1)自由电子和空穴自由电子和空穴的形成的形成当本征半导体当本征半导体受热或光照时受热或光照时，使其共价键中的价电子获得足够的能量后，使其共价键中的价电子获得足够的能量后，电子脱离共价键的束缚，成为电子脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子(带负电带负电)，共价键中留下一个，共价键中留下一个空位，称为空位，称为“空穴空穴”。这种现象称为这种现象称为本征激发本征激发(热热“激发激发”)。空穴空穴共价键共用共价键共用电子对电子对束缚电子束缚电子自由电子自由电子自由电子与空穴自由电子与空穴成对出现，二者成对出现，二者数目相等。数目相等。第5页，共74页，编辑于2022年，
5、星期一(2)(2)本征半导体中电流的形成本征半导体中电流的形成电子电流：电子电流：自由电子作定向运动所形成的电流；自由电子作定向运动所形成的电流；空穴电流：空穴电流：由于空穴的存在，由于空穴的存在，价电子价电子将按一定的方向依将按一定的方向依次填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价次填补空穴，就好像空穴在运动。而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运正电荷的运动动。空穴空穴自由电子自由电子本征半导体结构示意图本征半导体结构示意图空穴空穴空穴空穴第6页，共74页，编辑于2022年，星期一本征半导体中电流由两部分组成：本征
6、半导体中电流由两部分组成：1.1.自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。2.2.空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。本征半导体的本征半导体的载流子载流子 自由电子自由电子空穴空穴导体的载流子：自由电子导体的载流子：自由电子载流子：运载电荷的粒子载流子：运载电荷的粒子第7页，共74页，编辑于2022年，星期一自由电子自由电子在运动的过程中如果与在运动的过程中如果与空穴空穴相遇就会填补相遇就会填补空穴，这种现象称为空穴，这种现象称为复合复合。在一定温度下，本征激发产生的载流子和在一定温度下，本征激发产生的载流子和复合的复合的载流子载流子，最终会达到最终会达到动态平衡动态平衡，使，使本
7、征半导体内载流子浓度处于本征半导体内载流子浓度处于某一某一热平衡值热平衡值。温度升高温度升高热运动加剧热运动加剧载流子浓度升高载流子浓度升高导电性增强导电性增强温度下降温度下降导电性减弱导电性减弱第8页，共74页，编辑于2022年，星期一1.4 1.4 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。的导电性能发生显著变化。由此制造出人们所期望的由此制造出人们所期望的各种性能的半导体器件。各种性能的半导体器件。根据掺入的杂质元素的种类，可以分为根据掺入的杂质元素的种类，可以分为N N型半导体和型半导体和P
8、P型半导体。型半导体。控制掺入的杂质元素的浓度，可以控制杂质半导体的控制掺入的杂质元素的浓度，可以控制杂质半导体的导电性能导电性能第9页，共74页，编辑于2022年，星期一在硅在硅(或锗或锗)的晶体中掺入的晶体中掺入少量少量的的五价五价元素元素(如磷元素如磷元素)，原来晶原来晶体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有体中的某些硅原子位置将被杂质原子代替。磷原子最外层有 5 5 个价电子，其中个价电子，其中4 4个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，原子核吸引，在室温下即可成为自由电子，使得半导体中的自使得半
9、导体中的自由电子数目大量增加，于是有：由电子数目大量增加，于是有：自由电子数自由电子数 空穴数空穴数 多数载流子多数载流子 少数载流子少数载流子 1.4.1 1.4.1 N N型半导体型半导体 磷原子的结构磷原子的结构硅晶体掺磷后出现自由电子硅晶体掺磷后出现自由电子磷原子成为不磷原子成为不能移动的带正能移动的带正电的离子。电的离子。第10页，共74页，编辑于2022年，星期一表述：表述：以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子半导体或以自由电子导电作为主要导电方式的半导体，称为电子半导体或 N N型半导体型半导体。N N型半导体型半导体杂质原子中的空位由于释杂质原子中的空位由于释放出了
10、电子，成为不能移放出了电子，成为不能移动的动的带正电带正电的离子。的离子。自由电子自由电子施主施主原子原子第11页，共74页，编辑于2022年，星期一在硅或锗的晶体中掺入在硅或锗的晶体中掺入少量的少量的三价元素三价元素(如硼元素如硼元素)，原来晶体原来晶体中的某些硅原子被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电中的某些硅原子被硼原子代替。硼原子的最外层有三个价电子，与相邻硅原子形成共价键时，将产生一个子，与相邻硅原子形成共价键时，将产生一个空位（空位为电空位（空位为电中性）中性）。硅原子的外层电子填补空位时，共价键中产生。硅原子的外层电子填补空位时，共价键中产生空穴空穴。于是在半导体中就形成了大量
11、空穴。于是在半导体中就形成了大量空穴。自由电子数自由电子数 空穴数空穴数少数载流子少数载流子 多数载流子多数载流子1.4.2 P1.4.2 P型半导体型半导体 硼原子的结构硼原子的结构硅晶体掺硼后出现空穴硅晶体掺硼后出现空穴空位空位硼原子成为不能硼原子成为不能移动的带负电的移动的带负电的离子。离子。第12页，共74页，编辑于2022年，星期一P P型半导体型半导体表述：表述：以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半以空穴导电作为主要导电方式的半导体，称为空穴半导体导体 或或 P P型半导体。型半导体。杂质原子中的空位由于杂质原子中的空位由于接接受受了电子，成为不能移动了电子，成为不能移动
12、的的带负电带负电的离子。的离子。空穴空穴受主受主原子原子第13页，共74页，编辑于2022年，星期一多子的浓度取决于多子的浓度取决于掺入的杂质元素的浓度，受温度掺入的杂质元素的浓度，受温度影响很小；影响很小；少子的浓度少子的浓度取决于温度取决于温度(热热“激发激发”)。nN N型半导体型半导体多数载流子：多数载流子：自由电子自由电子少数载流子：少数载流子：空穴空穴nP P型半导体型半导体多数载流子：多数载流子：空穴空穴少数载流子：少数载流子：自由电子自由电子第14页，共74页，编辑于2022年，星期一1.5 1.5 PN结的形成结的形成PNPN结的形成过程结的形成过程 空间空间电荷区电荷区+N
13、P内电场内电场U0PNPN结平衡状态下的电位分布结平衡状态下的电位分布第15页，共74页，编辑于2022年，星期一综上可简述为：综上可简述为：多子扩散多子扩散形成形成PN结结产生内电场产生内电场 U0加大少子漂移运动加大少子漂移运动减少多子扩散运动减少多子扩散运动漂移及扩散运动漂移及扩散运动达到动态平衡达到动态平衡形成稳定的形成稳定的PN结结PNPN结的形成过程结的形成过程第16页，共74页，编辑于2022年，星期一PN结加正向电压结加正向电压空间电荷区变窄空间电荷区变窄多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动形成正向电流形成正向电流 IF PN 结导通结导通（PN 结呈现结呈现 R)
14、1.6 PN1.6 PN结的单向导电性结的单向导电性内电场内电场 加正向电压加正向电压(1)(1)PN PN 结加结加正向电压正向电压IFNP内电场内电场U0U0-UF外电场外电场第17页，共74页，编辑于2022年，星期一(2)PN(2)PN结加结加反向电压反向电压 PN结加反向电压结加反向电压加反向电压加反向电压内电场内电场空间电荷区变宽空间电荷区变宽多子扩散运动多子扩散运动少子漂移运动少子漂移运动反向电流反向电流 IR PN 结截止结截止（PN 结反向结反向 R)NPU0IR内电场内电场U0+UF外电场外电场第18页，共74页，编辑于2022年，星期一1.PN1.PN结具有结具有单向导电
15、性单向导电性。2.2.加加正向正向电压电压PNPN结结导通导通 较大的正向电流较大的正向电流 结电阻很低。结电阻很低。3.3.加加反向反向电压电压PNPN结结截止截止 很小的反向电流漂移很小的反向电流漂移 结电阻很高。结电阻很高。*结论：结论：第19页，共74页，编辑于2022年，星期一 二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，二极管加正向电压时导通，伏安特性很陡，压降很小（压降很小（硅管：硅管：0.7V0.7V，锗管，锗管0.3V0.3V），可以近），可以近似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电似看作是一个闭合的开关。二极管加反向电压时截止，截止后的伏安特性具有饱和特性压时截止，截止后的伏安特
16、性具有饱和特性（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）（反向电流几乎不随反向电压的增大而增大）且反向电流很小（且反向电流很小（nAnA级级），可以近似看作是一），可以近似看作是一个断打开的开关。个断打开的开关。第20页，共74页，编辑于2022年，星期一1.7 1.7 PNPN结的电压与电流关系结的电压与电流关系1.7.1 1.7.1 PNPN结的结的U-IU-I关系式关系式 式中：式中：IS 反向饱和电流反向饱和电流 UT 热电压，热电压，UT=kT/q，当当T=300K时，时，UT26mV。REiuNPPN结结第21页，共74页，编辑于2022年，星期一1.7.2 1.7.2 PNPN结的
17、结的U-IU-I特性特性 当当u=0时，时，i=0；当当u 0，且，且u UT时，时，当当u UT时，时，i-IS，PN结反向截止结反向截止。PNPN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线I IS S:反向饱和电流，反向饱和电流，越小越好越小越好开启电压开启电压开启电压（死区电压）开启电压（死区电压）,是由于是由于外加电场很小，还不足以克服外加电场很小，还不足以克服内电场的阻碍作用。此时多子内电场的阻碍作用。此时多子的扩散还受到抑制作用，因此的扩散还受到抑制作用，因此不能形成电流。不能形成电流。第22页，共74页，编辑于2022年，星期一1.7.3 1.7.3 温度特性温度特性：二极管的特性对温度很
18、敏感二极管的特性对温度很敏感,温度温度升高升高,正向特性曲线向正向特性曲线向左移左移,反向特反向特性曲线向性曲线向下移下移。其规律是：在室温附近其规律是：在室温附近,在同一电流下在同一电流下,温度每升高温度每升高,正向压降减小正向压降减小-.V V；温度每升高；温度每升高,反向电反向电流约增大流约增大1 1倍。倍。第23页，共74页，编辑于2022年，星期一1.7.4 1.7.4 击穿特性击穿特性 当反向电压超过反向击穿电压当反向电压超过反向击穿电压U UB B时，反向电时，反向电流将急剧增大，而流将急剧增大，而PNPN结的反向电压值却变化不结的反向电压值却变化不大，此现象称为大，此现象称为P
19、NPN结的反向击穿。结的反向击穿。雪崩击穿：雪崩击穿：反向电压较高时反向电压较高时(U6V)(U6V)，PNPN结中结中内电场较强，内电场较强，参加漂移的少子受到加速，与中参加漂移的少子受到加速，与中性原子相碰，使价电子受激发产生新的电子空穴性原子相碰，使价电子受激发产生新的电子空穴对，对，它们也被加速。形成链式反应，载流子浓度它们也被加速。形成链式反应，载流子浓度骤增，反向电流随之增大。骤增，反向电流随之增大。第24页，共74页，编辑于2022年，星期一齐纳击穿：齐纳击穿：对掺杂浓度高的半导体，对掺杂浓度高的半导体，PNPN结的耗尽层很薄，只要加结的耗尽层很薄，只要加入不大的反向电压入不大的
20、反向电压(U4V)(U00时，这个电压有利于时，这个电压有利于将发射区扩散到基区的电子收集将发射区扩散到基区的电子收集到集电极到集电极。U UCECE U UBEBE，三极管处于放大状态。，三极管处于放大状态。特性右移。特性右移。U UCECE增大到一定值时增大到一定值时(1V)(1V)，特性曲线不再明显移动，基本，特性曲线不再明显移动，基本重合重合。(因集电结已经收集了大部分的非平衡少子因集电结已经收集了大部分的非平衡少子)第62页，共74页，编辑于2022年，星期一2.输出特性对应于一个对应于一个IB就有一条就有一条iC随随uCE变化的曲线。变化的曲线。为什么为什么uCE较小时较小时iC随
21、随uCE变化很变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？横轴的平行线？饱和区饱和区放大区放大区截止区截止区第63页，共74页，编辑于2022年，星期一1 1、截止区：、截止区：发射结电压发射结电压 开启开启电压，且集电结反偏电压，且集电结反偏。I IB B=0=0，i iC CI ICEOCEO，i iC C002 2、放大区：、放大区：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。特点：各条输出特性曲线比较特点：各条输出特性曲线比较平坦，且等间隔。平坦，且等间隔。集电极电流集电极电流和基极电流体现放大作用和基极电流体现放大作用。3 3、饱和区：、饱
22、和区：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。特点：特点：I IC C基本上不随基本上不随I IB B而变化，在饱和区三极管失去放大作用。当而变化，在饱和区三极管失去放大作用。当 U UCECE=U UBEBE，即，即U UCBCB=0=0 时，称时，称临界饱和临界饱和，U UCECE UE)，T处于导通电流放大状态。处于导通电流放大状态。截止区截止区(UBE 0、UBUC)，T处处于截止状态于截止状态;输出特性曲线输出特性曲线发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结正偏发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏发射结反偏，集电结反偏第65页，共74页，编辑于2
23、022年，星期一晶体管的三个工作区域晶体管的三个工作区域 晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流晶体管工作在放大状态时，输出回路的电流 iC几乎仅仅决定于输入几乎仅仅决定于输入回路的电流回路的电流 iB，即可将输出回路等效为电流，即可将输出回路等效为电流 iB 控制的电流源控制的电流源iC。状态状态uBEiCuCE截止截止UonICEOVCC放大放大 UoniB uBE饱和饱和 UoniB uBE第66页，共74页，编辑于2022年，星期一思考题思考题:用万用表直流电压档测得电路中三极管（均为用万用表直流电压档测得电路中三极管（均为NPN硅管硅管)各电极的对地电位如图所示，试判断各三极管各电极
24、的对地电位如图所示，试判断各三极管分别工作于什么状态分别工作于什么状态.6V1V1.2V(a)3.3V3V3.7V(b)6V0V0.7V(c)放大放大饱和饱和截止截止第67页，共74页，编辑于2022年，星期一 若两个若两个PNPN结对接，相当基区很厚，将没有电流放结对接，相当基区很厚，将没有电流放大作用大作用，基区从厚变薄，两，基区从厚变薄，两个个PNPN结演变为三极管，结演变为三极管，发射发射区掺杂浓度高，基区掺杂浓度较低且很薄，区掺杂浓度高，基区掺杂浓度较低且很薄，是三极管是三极管能够实现电流放大的关键。能够实现电流放大的关键。第68页，共74页，编辑于2022年，星期一5.5 5.5
25、三极管的主要参数三极管的主要参数共射直流电流放大倍数：共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管工作于动态的三极管，信号是，信号是叠加在直流上的交流信号叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化。基极电流的变化量为量为 I IB B，相应的集电极电流变化为，相应的集电极电流变化为 I IC C则交流电流放大倍数为：则交流电流放大倍数为：例：例：U UCECE=6V=6V时时：I IB B=40=40 A,A,I IC C=1.5mA=1.5mA；I IB B=60=60 A,A,I IC C=2.3mA=2.3mA。解：解：电流放大系数太小放大能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般电流放大系数太小放大
26、能力弱，太大易使管子性能不稳定。一般大功率大功率管为管为10-3010-30，小功率管为小功率管为60-30060-300为宜。为宜。第69页，共74页，编辑于2022年，星期一 （2 2）集电极发射极间的穿透电流）集电极发射极间的穿透电流I ICEOCEO基极开路时，集电极到发射极间的电流基极开路时，集电极到发射极间的电流穿透电流穿透电流 其大小与温度有关。其大小与温度有关。2 2、反向饱和电流反向饱和电流（1 1）集电极基极间反向饱和电流）集电极基极间反向饱和电流I ICBOCBO 发射极开路时，在集电结上加反向电压，发射极开路时，在集电结上加反向电压，得到反向电流。实际上就是得到反向电流
27、。实际上就是PNPN结的反向电结的反向电流。它流。它与温度与温度有关。有关。锗管：锗管：I I CBO CBO为微安数量级，硅管：为微安数量级，硅管：I I CBO CBO为纳安数量级为纳安数量级。+ICBOecbICEO选择管子时，选择管子时，I ICBOCBO和和 I ICEOCEO 越小越好越小越好第70页，共74页，编辑于2022年，星期一3 3、极限参数、极限参数1 1）集电极最大允许电流）集电极最大允许电流I ICMCM三极管工作时，集电极电流三极管工作时，集电极电流I IC C上升到上升到一定程度会导致三极管一定程度会导致三极管 值下降值下降。I IC C超超过过I ICMCM，
28、明显下降。明显下降。2 2）集电极最大允许耗散功率）集电极最大允许耗散功率P PCMCM P PCMCMi iC Cu uCECE=常数常数3 3）极间反向击穿电压）极间反向击穿电压管子管子某一电极开路某一电极开路时，其余两个电极时，其余两个电极之间所允许加的之间所允许加的最高反向电压最高反向电压。当电。当电压越过此值时，管子将发生电击穿，并压越过此值时，管子将发生电击穿，并可能导致热击穿损坏管子。可能导致热击穿损坏管子。第71页，共74页，编辑于2022年，星期一4、温度对晶体管特性的影响、温度对晶体管特性的影响晶体管的输入特性曲线晶体管的输入特性曲线输入特性曲线输入特性曲线随温度随温度升高
29、而左移升高而左移温度每升高温度每升高1010 ，I ICBOCBO约增加一倍，因约增加一倍，因此此输出特性曲线随温度升高而上移。输出特性曲线随温度升高而上移。温度每升高温度每升高,值增大值增大0.5%-10.5%-1。在输出特性曲线图上在输出特性曲线图上,曲线间的距离曲线间的距离随温度升高而增大。随温度升高而增大。第72页，共74页，编辑于2022年，星期一PNP PNP 型三极管型三极管 放大原理与放大原理与 NPN NPN 型基本相同，但为了保证发射结型基本相同，但为了保证发射结正偏，集电结反偏，外加电源的极性与正偏，集电结反偏，外加电源的极性与 NPN NPN 正好相反。正好相反。其各种参数与其各种参数与NPN NPN 型相同。型相同。NPN 型型VCCVBBRCRb N NP+uouiPNP 型型VCCVBBRCRb+uoui第73页，共74页，编辑于2022年，星期一分别判断所示各电路中晶体管是否有可能工作在放大状态。解：解：（a）可能 （b）可能 （c）不能（d）不能，T的发射结会因电流过大而损坏。（e）可能第74页，共74页，编辑于2022年，星期一