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1、第1章晶体二极管现在学习的是第1页，共42页 物质按其导电能力可分为导体、物质按其导电能力可分为导体、绝缘体和半导体绝缘体和半导体 3 种。种。通常人们把容易导电的物质称为导体通常人们把容易导电的物质称为导体,如金、银、如金、银、铜等铜等;把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体把在正常情况下很难导电的物质称为绝缘体,如如陶瓷、云母、塑料、陶瓷、云母、塑料、橡胶等橡胶等;把导电能力介于导体和绝把导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体缘体之间的物质称为半导体,如硅和锗。导体、半导体如硅和锗。导体、半导体和绝缘体的划分和绝缘体的划分,严格地说是以物质的电阻率严格地说是以物质的电阻率的大小的大小
2、来确定的。来确定的。电阻率小于电阻率小于10-3cm的称为导体的称为导体;电阻率电阻率大于大于108cm的称为绝缘体的称为绝缘体;其电阻率介于导体的和绝其电阻率介于导体的和绝缘体的之间的物质称为半导体。缘体的之间的物质称为半导体。现在学习的是第2页，共42页 (1)热热敏敏性性:一一些些半半导导体体对对温温度度的的反反应应很很灵灵敏敏,其其电电阻阻率率随随着着温温度度的的上上升升而而明明显显地地下下降降,利利用用这这种种特特性性很很容容易易制制成成各各种种热热敏敏元元件件,如如热热敏敏电电阻阻、温度传感器等。温度传感器等。(2)光光敏敏性性:有有些些半半导导体体的的电电阻阻率率随随着着光光照照
3、的的增增强强而而明明显显地地下下降降,利用这种特性可以做成各种光敏元件利用这种特性可以做成各种光敏元件,如光敏电阻和光电管等。如光敏电阻和光电管等。(3)掺掺杂杂性性:半半导导体体的的电电阻阻率率受受掺掺入入的的“杂杂质质”影影响响极极大大,在在半半导导体体中中即即使使掺掺入入的的杂杂质质十十分分微微量量,也也能能使使其其电电阻阻率率大大大大地地下下降降,利利用用这这种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。种独特的性质可以制成各种各样的晶体管器件。半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题半导体为什么会具有上述特性呢？要回答这个问题,必须研究半导必须研究半导体的内部结构。体的内部结构。现在
4、学习的是第3页，共42页1.1 半导体物理基础知识半导体：半导体：指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。指导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。硅硅 、锗、锗 原子结构及简化模型：原子结构及简化模型：大多数半导体器件所用的主要材料是大多数半导体器件所用的主要材料是硅硅 (Si)、锗、锗(Ge)现在学习的是第4页，共42页1.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的、不含杂质的半导体称为纯净的、不含杂质的半导体称为本征半导体本征半导体（比如硅和锗（比如硅和锗的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。的单晶体）。它们是制造半导体器件的基本材料。+4+4+4+4+4+4+4+4硅和锗共价键结构示意图：硅
5、和锗共价键结构示意图：共价键共价键 共价键具有很共价键具有很强的结合力，当强的结合力，当T=0K及及无外界影无外界影响时，晶体中无自响时，晶体中无自由移动的电子。由移动的电子。现在学习的是第5页，共42页 本征激发本征激发q当当T升高或光线照射时升高或光线照射时产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。这种现象称这种现象称本征激发本征激发。当当原原子子中中的的价价电电子子在在光光照照或或温温度度升升高高时时获获得得能能量量挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子，原原子子中中留留下下空空位位（即即空空穴穴），（即即产产生生自自由由电电子子空空穴穴对对）同同时原子因失去价电子而
6、带正电。时原子因失去价电子而带正电。现在学习的是第6页，共42页 本征激发本征激发注意：注意：空穴空穴的出现是半导体区别于导体的重要特征。的出现是半导体区别于导体的重要特征。当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（当邻近原子中的价电子释放能量不断填补这些空位时（自由电子与空穴的复合自由电子与空穴的复合）形成一）形成一种运动，该运动可等效地看作是种运动，该运动可等效地看作是空穴的运动空穴的运动。空穴运动方向与价电子填补方向相反。即空穴运动方向与价电子填补方向相反。即自由自由电子和空穴电子和空穴都能在晶格中都能在晶格中自由移动自由移动。因而统称它们为。因而统称它们为半导体的载流子半导体的载
7、流子。自由电子自由电子 带负电带负电半导体中有两种导电的载流子半导体中有两种导电的载流子空穴空穴 带正电带正电现在学习的是第7页，共42页本征半导体中本征半导体中本征激发本征激发产生产生自由电子空穴对。自由电子空穴对。电子和空穴相遇释放能量电子和空穴相遇释放能量复合。复合。温度一定时：温度一定时：激发与复合在某一热平衡值上达到激发与复合在某一热平衡值上达到动态平衡。动态平衡。T T导电能力导电能力载载流流子子或光照或光照热敏特性热敏特性光敏特性光敏特性 半导体除了上面提到的光敏性和热敏性外，还有一种重要的特性就是掺杂性，即在本征半导体中加入微量杂质元素后，半导体的导电性能会大大增强。加杂质后的
8、半导体称为杂质半导体。根据加入杂质元素的不同可分为N N型半导体型半导体型半导体型半导体和P型半导体型半导体型半导体型半导体。实际上制造晶体管的材料都是杂质半导实际上制造晶体管的材料都是杂质半导实际上制造晶体管的材料都是杂质半导实际上制造晶体管的材料都是杂质半导体。体。体。体。现在学习的是第8页，共42页1.1.2 杂质半导体杂质半导体vN型半导体：型半导体：本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量五价五价元素构成。元素构成。+4+4+5+4+4简化模型：简化模型：N型半型半导体导体多子多子自由电子自由电子少子少子空穴空穴自由自由电子电子 常温情况下，常温情况下，杂质杂质元素全元素全部部电离电
9、离为为自由电子自由电子和和正离子正离子，正离子在晶格中不能移动，正离子在晶格中不能移动，不参与导电。不参与导电。（杂质电离（杂质电离（多数）（多数）和本征激发产生）和本征激发产生）（本征激发产生）本征激发产生）现在学习的是第9页，共42页 常温情况下，常温情况下，杂质杂质元素全部元素全部电离电离为为空穴空穴和和负离子负离子，负离子，负离子在晶格中不能移动，不参与导在晶格中不能移动，不参与导电。电。+4+4+3+4+4v P型半导体：型半导体：简化模型：简化模型：P P型半导体型半导体少子少子自由电子自由电子多子多子空穴空穴本征半导体中掺入少量本征半导体中掺入少量三价三价元素构成。元素构成。杂质
10、半导体呈电中性杂质半导体呈电中性少子浓度取决于温度。少子浓度取决于温度。多子浓度主要取决于掺杂浓度。多子浓度主要取决于掺杂浓度。空穴空穴（杂质电离（杂质电离（多数）（多数）和本征激发产生）和本征激发产生）（本征激发产生）（本征激发产生）现在学习的是第10页，共42页1.1.3 1.1.3 两种导电机理两种导电机理漂移和扩散漂移和扩散 载流子在电场作用下的运动运动称载流子在电场作用下的运动运动称漂移运动，漂移运动，所形所形成的电流称成的电流称漂移电流。漂移电流。漂移与漂移电流漂移与漂移电流 载流子在浓度差作用下的运动称载流子在浓度差作用下的运动称扩散运动，扩散运动，所形所形成的电流称成的电流称扩
11、散电流。扩散电流。扩散与扩散电流扩散与扩散电流现在学习的是第11页，共42页概概 述述1.2 半导体二极管半导体二极管1.2.1 PN结的形成结的形成1.2.2 PN结的基本特性结的基本特性1.2.3 二极管二极管 晶体二极管晶体二极管晶体二极管晶体二极管、三极管的、三极管的、三极管的、三极管的基本结构基本结构基本结构基本结构为为为为PNPN结结结结，他们的特性与，他们的特性与，他们的特性与，他们的特性与PNPN结结结结有关。有关。有关。有关。现在学习的是第12页，共42页1.2.1 PN结的形成结的形成 利用掺杂工利用掺杂工艺，把艺，把P型半导体型半导体和和N型半导体在原型半导体在原子级上紧
12、密结合。子级上紧密结合。PN结形成的物理过程结形成的物理过程:因多子浓度差因多子浓度差产生空间电荷区产生空间电荷区引起多子扩散引起多子扩散出现内建电场出现内建电场阻止多子扩散阻止多子扩散利于少子漂移利于少子漂移最终达动态平衡最终达动态平衡P型型掺杂掺杂N型型E内内现在学习的是第13页，共42页注意：注意：PN结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流结处于动态平衡时，扩散电流与漂移电流 相抵消，即通过相抵消，即通过PN结的电流为零。结的电流为零。室温时室温时锗管锗管 VB 0.2 0.3V硅管硅管 VB 0.5 0.7V现在学习的是第14页，共42页1.2.2 PN结的特性结的特性 PNPN结结结结
13、的的基本特性基本特性基本特性基本特性为为单向导电性单向导电性（即正向导通，反向截止）；除了单（即正向导通，反向截止）；除了单向导电性外还有向导电性外还有反向击穿特性反向击穿特性、温度特性温度特性、电容特性电容特性。正偏正偏：是正向偏置的简称，正向偏置是指给是正向偏置的简称，正向偏置是指给PN结的结的P端端接电源的接电源的“+”极极，N端接端接电源的电源的“-”极极的一种的一种接法。而接法。而PN结的正偏特性就是给结的正偏特性就是给PN结加正偏电压时所结加正偏电压时所表现出的特性。表现出的特性。反偏反偏：是反向偏置的简称，反向偏置是指给是反向偏置的简称，反向偏置是指给PN结的结的P端端接电源的接
14、电源的“-”极极，N端端接电源的接电源的“+”极极的一种的一种接法。而接法。而PN结的反偏特性就是给结的反偏特性就是给PN结加反偏电压时所结加反偏电压时所表现出的特性。表现出的特性。现在学习的是第15页，共42页PNPN结的单向导电性结的单向导电性（即正向导通，反向截止）（即正向导通，反向截止）（即正向导通，反向截止）（即正向导通，反向截止）一、正偏特性一、正偏特性一、正偏特性一、正偏特性E外外IPN结结正正偏偏阻挡层阻挡层变薄变薄内建电内建电场减弱场减弱多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散形成形成较大较大的正向电的正向电流流IPNPN结导通结导通电压电压V V 电流电流I I P
15、NPN结呈小电阻特性，理想情况下相当于结呈小电阻特性，理想情况下相当于结呈小电阻特性，理想情况下相当于结呈小电阻特性，理想情况下相当于开关闭合开关闭合开关闭合开关闭合。现在学习的是第16页，共42页二、反偏特性二、反偏特性E外外PN结结反反偏偏阻挡层阻挡层变宽变宽内建电内建电场增强场增强少子漂移少子漂移多子扩散多子扩散少子少子漂移漂移形形成成微小微小的反的反向电流向电流ISPNPN结截止结截止I IS S与与V V 近似无关。近似无关。温度温度T T 电流电流I IS SISPNPN结呈大电阻特性，理想情况下相当于结呈大电阻特性，理想情况下相当于结呈大电阻特性，理想情况下相当于结呈大电阻特性，
16、理想情况下相当于开关断开开关断开开关断开开关断开。现在学习的是第17页，共42页结论：结论：PN结具有单方向导电特性。结具有单方向导电特性。即正向导通，反向截止。即正向导通，反向截止。二极管（二极管（PN结）结）的伏安特性方程式的伏安特性方程式其中：其中：IS为反向饱和电流（其为反向饱和电流（其值很小，近似为值很小，近似为0 0），其值与外），其值与外加电压近似无关，但受温度影响很大。加电压近似无关，但受温度影响很大。正偏时：正偏时：反偏时：反偏时：（非线性关系）（非线性关系）现在学习的是第18页，共42页PN结结伏安特性曲线伏安特性曲线ID(mA)V(V)VD(on)-ISSiGeVD(on
17、)=0.7VIS=(10-910-16)A硅硅PNPN结结VD(on)=0.25V锗锗PNPN结结IS=(10-610-8)AV VD(on)时时 随着随着V 正向正向R很小很小 I PNPN结导通结导通；V VD(on)时时 IR很小很小(IR -IS)反向反向R很大很大 PNPN结截止结截止。温度每升高温度每升高10，IS约增加一倍。约增加一倍。温度每升高温度每升高1，VD(on)约减小约减小2.5mV。PNPNPNPN结受温度影响大结受温度影响大结受温度影响大结受温度影响大（温度特性）（温度特性）（温度特性）（温度特性）现在学习的是第19页，共42页三、三、PN结（二极管）的击穿特性结（
18、二极管）的击穿特性|V反反|=V(BR)时时，IR急剧急剧 PNPN结反向击穿结反向击穿。V(BR)ID(mA)V(V)反向击穿分：反向击穿分：反向击穿分：反向击穿分：雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿雪崩击穿和和齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿齐纳击穿两种。这两种击穿两种。这两种击穿两种。这两种击穿两种。这两种击穿都是可逆的。都是可逆的。都是可逆的。都是可逆的。但若但若但若但若PNPNPNPN结上电流过大，时间过长而产生过热就会产生结上电流过大，时间过长而产生过热就会产生结上电流过大，时间过长而产生过热就会产生结上电流过大，时间过长而产生过热就会产生热击穿热击穿而烧坏管子。（应避免）而烧坏管子。（应避免）而烧
19、坏管子。（应避免）而烧坏管子。（应避免）利用利用利用利用PNPNPNPN结的反向击穿特性可制成结的反向击穿特性可制成结的反向击穿特性可制成结的反向击穿特性可制成稳压二极管稳压二极管稳压二极管稳压二极管。现在学习的是第20页，共42页稳压管稳压管稳压管稳压管 稳压二极管稳压二极管UZID(mA)U(V)IZminIZmax+-VZ Z 利用利用PN结结的的反向击穿特性反向击穿特性，可，可制成稳压二极管。制成稳压二极管。要求要求：Izmin Iz Cb，则则 Cj Cd即即以扩散电容为主以扩散电容为主 PNPN结反偏结反偏时时，CT CD，则则 Cj CT即即以势垒电容为主以势垒电容为主现在学习的
20、是第23页，共42页1.2.3 半导体二极管半导体二极管一、晶体二极管结构及电路符号：一、晶体二极管结构及电路符号：一、晶体二极管结构及电路符号：一、晶体二极管结构及电路符号：PN正极正极负极负极二、晶体二极管的基本特性二、晶体二极管的基本特性二、晶体二极管的基本特性二、晶体二极管的基本特性（与与与与PNPN结类似结类似结类似结类似）：单向导电特性单向导电特性单向导电特性单向导电特性二极管的二极管的二极管的二极管的伏安特性关系式伏安特性关系式：二极管的二极管的伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线伏安特性曲线：VD(on)0.7(V)(Si0.7(V)(Si管）管）管）管）0.2(V)(Ge管）
21、管）说明二极管是说明二极管是说明二极管是说明二极管是非线性器件非线性器件非线性器件非线性器件V(V)V(BR)ID(mA)VD(on)现在学习的是第24页，共42页半导体二极管图片半导体二极管图片现在学习的是第25页，共42页1.3 1.3 晶体二极管电路分析方法晶体二极管电路分析方法 晶晶体体二二极极管管的的内内部部结结构构就就是是一一个个PNPN结结。因因而而它它们们的的伏伏安安特特性性相相似似，它它有有不不同同的的表表示示方方法法，或或者者表表示示为不同形式的模型：为不同形式的模型：适于任一工作状态的适于任一工作状态的通用曲线模型通用曲线模型 便于计算机辅助分析的便于计算机辅助分析的数学
22、模型数学模型直流简化电路模型直流简化电路模型交流小信号电路模型交流小信号电路模型 电路分析时采用的电路分析时采用的现在学习的是第26页，共42页1.3.1 1.3.1 晶体二极管的模型晶体二极管的模型数学模型数学模型伏安特性方程式伏安特性方程式理想模型：理想模型：修正模型：修正模型：rS 体电阻体电阻+引线接触电阻引线接触电阻+引线电阻引线电阻其中：其中：n 非理想化因子非理想化因子I 正常时正常时:n 1I 过小或过大时过小或过大时:n 2注意：注意：考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流考虑到阻挡层内产生的自由电子空穴对及表面漏电流的影响，实际的影响，实际IS理想理想IS。现在学习
23、的是第27页，共42页曲线模型曲线模型伏安特性曲线伏安特性曲线V(BR)I(mA)V(V)VD(on)-IS当当V VD(on)时时 二极管二极管导通导通当当V 0，则管子导通；反之截止。，则管子导通；反之截止。实际二极管：若实际二极管：若VVD(on)，管子导通；反之截止。，管子导通；反之截止。当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子当电路中存在多个二极管时，正偏电压最大的管子 优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。优先导通。其余管子需重新分析其工作状态。现在学习的是第34页，共42页例例2 2：设二极管是理想的，求：设二极管是理想的，求VAO值。值。图图(a)(a)，假设假设D开路开
24、路，则则D两端电压两端电压：VD=V1V2=6 12=18 0V，VD2=V2(V1)=15V 0V 由于由于VD2 VD1 ，则则D2优先导通优先导通。此时此时VD1=6V 2V时，时，D导通，则导通，则vO O=vivi 2V时，时，D截止，则截止，则vO O=2V由此可画出由此可画出vO的波形。的波形。+-D+-+-2V100Rvo ovit620vi(V)vO O(V)t026现在学习的是第36页，共42页小信号分析法小信号分析法 即即将将电电路路中中的的二二极极管管用用小小信信号号电电路路模模型型代代替替，利利用用得得到到的小信号等效电路分析电压或电流的变化量。的小信号等效电路分析电
25、压或电流的变化量。分析步骤：分析步骤：将直流电源短路，画交流通路。将直流电源短路，画交流通路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。用小信号电路模型代替二极管，得小信号等效电路。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。利用小信号等效电路分析电压与电流的变化量。Page28 Page28 例例3 3现在学习的是第37页，共42页1.4 晶体二极管的应用晶体二极管的应用电源设备组成框图：电源设备组成框图：电电电电 源源源源变压器变压器变压器变压器整流整流整流整流电路电路电路电路滤波滤波滤波滤波电路电路电路电路稳压稳压稳压稳压电路电路电路电路vivO Otvitv1tv2tv3tvO O现
26、在学习的是第38页，共42页1.4.1 整流与稳压电路整流与稳压电路 整流电路整流电路D+-+-RvO Ovi当当vi 0V时，时，D导通，则导通，则vO=vi当当vi 0V时，时，D截止，则截止，则vO=0V由由此此，利利用用二二极极管管的的单单向向导导电电性性，实现了实现了半波整流半波整流。若输入信号为正弦波：若输入信号为正弦波：平均值：平均值：VOt0vit0vO O现在学习的是第39页，共42页 V2vi0,V201.4.2 1.4.2 限幅电路限幅电路(或削波电路）或削波电路）现在学习的是第40页，共42页作作 业业v1-13v1-16(a)v1-17*现在学习的是第41页，共42页教教 学学 要要 求求现在学习的是第42页，共42页