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1、第六章 半导体二极管和三极管 6.1 半导体基础知识 导 体：电阻率小于10-4cm绝缘体：电阻率大于1010cm半导体：电阻率介于10-41010cm之间6.1.1 本征半导体 二个电子的共价键二个电子的共价键正离子+4电子电子空穴对的产生空穴对的产生共价键中原共价键中原来位置留下来位置留下一个空位一个空位受热挣脱共受热挣脱共价键束缚形价键束缚形成自由电子成自由电子形成电子形成电子空穴对空穴对在外电场作用下在外电场作用下空穴电流空穴电流两部分电流：两部分电流：本征激发的自由电子形成电子电流；本征激发的自由电子形成电子电流；空穴移动产生的空穴电流空穴移动产生的空穴电流自由电子与空穴都称为自由电
2、子与空穴都称为载流子载流子，在本征，在本征半导体中，自由电子和空穴的数目相同半导体中，自由电子和空穴的数目相同电子运动电子运动空穴运动空穴运动束缚电子：束缚电子：x2x1，x3 x2；相当于空穴：相当于空穴：x1x2x3外电场E6.1.2 杂质半导体杂质半导体 N型半导体（电子型半导体）和型半导体（电子型半导体）和P型半导体（空穴型半导体）型半导体（空穴型半导体）1N型半导体型半导体 掺入掺入五价五价杂质元素杂质元素 杂质原子提供多余的电子杂质原子提供多余的电子,电子是多数载流子电子是多数载流子空穴是少数载流子空穴是少数载流子2P型半导体型半导体 掺入掺入三价三价杂质元素杂质元素 杂质原子提供
3、空穴杂质原子提供空穴,空穴是多数载流子空穴是多数载流子电子是少数载流子电子是少数载流子6.1.3 PN结结 1PN结的形成 空穴扩散电子扩散载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动载流子在电场作用下的定向运动称为漂移运动 当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就稳定下来。当扩散和漂移达到动态平衡时，空间电荷区的宽度就稳定下来。PN结就处于相对稳定的状态结就处于相对稳定的状态 电位壁垒电位壁垒UD的大小，的大小，硅硅材料为材料为V，锗锗材料为材料为V 多数载流子的扩散多数载流子的扩散空间电荷区空间电荷区内电场内电场2PN结的单向导电性结的单向导电性(1)外加正向电压外加正向电压 外加电压外
4、加电压 PN，外电场，外电场削弱内电场削弱内电场，PN结的动态平衡被破坏，结的动态平衡被破坏，在外电场的作用下，在外电场的作用下，P区中的空穴进入空间电荷区，与一部分负离区中的空穴进入空间电荷区，与一部分负离子中和，子中和，N区中的自由电子进入空间电荷区与一部分正离子中和，区中的自由电子进入空间电荷区与一部分正离子中和，于是整个于是整个空间电荷区变窄空间电荷区变窄，从而使多子的，从而使多子的扩散运动增强扩散运动增强，形成较，形成较大的扩散电流，这个电流称为大的扩散电流，这个电流称为正向电流正向电流，其方向是从，其方向是从P区指向区指向N区。区。这种外加电压接法称为这种外加电压接法称为正向偏置正
5、向偏置(2)外加反向电压外加反向电压 外加电压外加电压 N P，这种情况，这种情况称为称为PN结结反向偏置反向偏置。这时，。这时，外电场增强内电场外电场增强内电场的作用。在的作用。在外电场的作用下，外电场的作用下，P区中的空区中的空穴和穴和N区中的自由电子各自背区中的自由电子各自背离空间电荷区运动，使离空间电荷区运动，使空间电空间电荷变宽荷变宽，从而，从而抑制了多子的扩抑制了多子的扩散散，加强了少子的漂移，形成，加强了少子的漂移，形成反向电流。由于少子的浓度很反向电流。由于少子的浓度很低，因此这个低，因此这个反向电流非常小，反向电流非常小，反向电流又称为反向饱和电流，反向电流又称为反向饱和电流
6、，通常用通常用Is表示表示。结论结论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性：PN结结正向偏置正向偏置时，回路中有较大的正向时，回路中有较大的正向电流，电流，PN结呈现的电阻很小，结呈现的电阻很小，PN结结处于导通状态处于导通状态；当；当PN结结反向偏置反向偏置时，时，回路中的电流非常小，回路中的电流非常小，PN结呈现的结呈现的电阻非常高，电阻非常高，PN结处于截止状态结处于截止状态。6.2 半导体二极管半导体二极管 6.2.1 二极管的结构与特性二极管的结构与特性 PN结面积小，结电容小，适用于高频和小功率结面积小，结电容小，适用于高频和小功率，用，用作高频检波和脉冲开关作高频检波和脉冲开关
7、点接触型点接触型：面接触型：面接触型：PN结面积大，可通过较大的电流，电容效应明显。结面积大，可通过较大的电流，电容效应明显。不能用于高频，常用作低频整流不能用于高频，常用作低频整流。二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线 二极管方程二极管方程 UT=kT/q为温度电压当量。在常为温度电压当量。在常温（温（T=300K）下，）下，UT26mV。当二极管加正向电压时，若当二极管加正向电压时，若UUT，则，则，电流与电压基本上为指数关系。电流与电压基本上为指数关系。当二极管加反向电压时，当二极管加反向电压时，UUT，则，则，IIs。Uth称为称为死区电压死区电压或或门坎电压门坎电压。UthV，V
8、；V，V。UBR称为称为反向击穿电压反向击穿电压6.2.2 二极管的主要参数二极管的主要参数 1最大整流电流最大整流电流IF最大整流电流是指二极管长时间工作时，允许流过二极管的最大最大整流电流是指二极管长时间工作时，允许流过二极管的最大正向平均电流，它由正向平均电流，它由PN结的结面积和散热条件决定。结的结面积和散热条件决定。2最大反向工作电压最大反向工作电压UR它是二极管加反向电压时为防止击穿所取的安全电压，一般将反它是二极管加反向电压时为防止击穿所取的安全电压，一般将反向击穿电压向击穿电压UBR的一半定为最大反向工作电压的一半定为最大反向工作电压UR。3反向电流反向电流IRIR是指二极管加
9、上最大反向工作电压是指二极管加上最大反向工作电压UR时的反向电流。时的反向电流。IR愈小，愈小，二极管的单向导电性就愈好。此外，由于反向电流是由少数载流二极管的单向导电性就愈好。此外，由于反向电流是由少数载流子形成的，所以，温度对子形成的，所以，温度对IR的的 影响很大影响很大 4最高工作频率最高工作频率fMfM主要由主要由PN结电容的大小决定，结电容愈大，则结电容的大小决定，结电容愈大，则fM就越低。若工就越低。若工作频率超过作频率超过fM，则二极管的单向导电性就变差，甚至无法使用。，则二极管的单向导电性就变差，甚至无法使用。二极管主要是利用其二极管主要是利用其单向导电性单向导电性，通常用于
10、整流、检波、限幅、，通常用于整流、检波、限幅、元件保护等，在数字电路中常作为开关元件。元件保护等，在数字电路中常作为开关元件。在图示电路中，输入电压在图示电路中，输入电压ui=10sintV，试画出电路的输出电压，试画出电路的输出电压波形。设二极管为理想二极管，正向导通时压降为零，反向偏置波形。设二极管为理想二极管，正向导通时压降为零，反向偏置时，反向电流为零。时，反向电流为零。解解：对图：对图 a所示电路，所示电路，由于二极管具有单向导由于二极管具有单向导电性，在电性，在ui的正半周，的正半周，D导通，导通，uo1=ui；在；在ui的的负半周，负半周，D截止，截止，i=0，uo1=0。对图对图b所示电路，当所示电路，当ui5V时，时，D导通，导通，uo2=5V；当；当ui5V时，时，D截止，截止，i=0,uR=0，故故uo2=ui-uR=ui。例:求图所示电路中OV。两个二极管都能导通，由于A点电位比B点高，所以D1优先导通，D1导通后，此时D2上加的是反向电压，故D2载止。在这里D1起钳位作用，即把O点的电位钳住在2.3V，而D2起隔离作用，把输入端B和输出端O隔离开来。解：课堂练习：课堂练习：6.7 题 图(a)V，输入电压的波形如图(b)所示，试画出输出电压波形。