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1、第二篇第二篇电子技术电子技术第第第第8 8章章章章 晶体二极管及整流电路晶体二极管及整流电路晶体二极管及整流电路晶体二极管及整流电路第第第第9 9章章章章 晶体管放大电路晶体管放大电路晶体管放大电路晶体管放大电路第第第第1010章章章章 运算放大电路运算放大电路运算放大电路运算放大电路第第第第1111章章章章 晶闸管晶闸管晶闸管晶闸管第第第第1212章章章章 门电路与组合逻辑电路门电路与组合逻辑电路门电路与组合逻辑电路门电路与组合逻辑电路第第第第1313章章章章 触发器和时序逻辑电路触发器和时序逻辑电路触发器和时序逻辑电路触发器和时序逻辑电路第第第第1414章章章章 数数数数/模和模模和模模和
2、模模和模/数转换器数转换器数转换器数转换器第一篇第一篇第1页/共37页8.18.1半导体的基本知识半导体的基本知识半导体的基本知识半导体的基本知识8.38.3整流电路整流电路整流电路整流电路8.48.4滤波电路滤波电路滤波电路滤波电路8.58.5稳压电路稳压电路稳压电路稳压电路8.28.2半导体二极管半导体二极管半导体二极管半导体二极管第第1页页第第第第8 8章章章章 晶体二极管及其整流电路晶体二极管及其整流电路晶体二极管及其整流电路晶体二极管及其整流电路第2页/共37页物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和物质
3、按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体绝缘体绝缘体绝缘体3 3类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝类。日常生活中接触到的金、银、铜、铝等金属都是良好的导体，它们的电导率在等金属都是良好的导体，它们的电导率在等金属都是良好的导体，它们的电导率在等金属都是良好的导体，它们的电导率在10105 5ScmScm-1-1量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质量级；而像塑料、云母、陶瓷等几乎不导电的物质称为绝缘体，它们的电导率在称为绝缘体
4、，它们的电导率在称为绝缘体，它们的电导率在称为绝缘体，它们的电导率在1010-22-221010-14-14ScmScm-1-1量级；量级；量级；量级；导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，导电能力介于导体和绝缘体之间的物质称为半导体，它们的电导率在它们的电导率在它们的电导率在它们的电导率在1010-9-910102 2ScmScm-1-1量级。自然界中属于量级。自然界中属于量级。自然界中属于量级。自然界中属于半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体
5、器半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器半导体的物质有很多种类，目前用来制造半导体器件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅件的材料大多是提纯后的单晶型半导体，主要有硅(Si)(Si)、锗、锗、锗、锗(Ge)(Ge)和砷化镓（和砷化镓（和砷化镓（和砷化镓（GaAs)GaAs)等。等。等。等。8.1 半导体的基本知识半导体的基本知识第第3页页第3页/共37页 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性：半导体的导电特性：半导体的导电特性：半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成
6、温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变能力明显改变能力明显改变(可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）光敏性：光敏性：光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明
7、显变化当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化(可做可做可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等管、光敏三极管等)。热敏性：热敏性：热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强第4页/共37页 由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导
8、体有所不由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不由此可以看出：半导体不仅仅是电导率与导体有所不同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，同，而且具备上述特有的性能，正是利用这些特性，使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。使今天的半导体器件取得了举世瞩目的发展。2.2.2.2.本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体本征半导体与杂质半导体（1 1）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为）天然的
9、硅和锗提纯后形成单晶体，称为）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为）天然的硅和锗提纯后形成单晶体，称为本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体一般情况下，本征半导体中的载流子浓度一般情况下，本征半导体中的载流子浓度很小，其导电能力较弱，且受温度影响很很小，其导电能力较弱，且受温度影响很大，不稳定，因此其用途还是很有限的。大，不稳定，因此其用途还是很有限的。硅和锗硅和锗的简化的简化原子模原子模型。型。这是硅和锗构成的这是硅和锗构成的共价键结构示意图共价键结构示意图晶体结构中的晶体结构中的共价键具有很强的共价键具有很强的结合力，在热力学结合力，在热力学零度和没有外界能零度和没有外界能量激发时，价电子
10、量激发时，价电子没有能力挣脱共价没有能力挣脱共价键束缚，这时晶体键束缚，这时晶体中几乎没有自由电中几乎没有自由电子，因此不能导电子，因此不能导电第第3页页第5页/共37页当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中当半导体的温度升高或受到光照等外界因素的影响时，某些共价键中的价电子的价电子因热激发因热激发而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为而获得足够的能量，因而能脱离共价键的束缚成为自由自由自由自由电子电子电子电子，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为，同时在原来的共价键中留下一个空位，称为“空穴空穴空穴空穴”。空穴空穴自由自由电子电子本征半导体中产生电子本征半导体中
11、产生电子空穴对的现象称为空穴对的现象称为本征激发。本征激发。本征激发。本征激发。显然在外电场的作用下，半导体中将出现两显然在外电场的作用下，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向运动形成的部分电流：一是自由电子作定向运动形成的电子电子电子电子电流电流电流电流，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由，一是仍被原子核束缚的价电子（不是自由电子）递补空穴形成的电子）递补空穴形成的空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流。共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价共价键中失去电子出现空穴时，相邻原子的价电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空电子比较容易离开它所在的共价键填补到这个空穴中来，使该价电子原来
12、所在的共价键中又出现穴中来，使该价电子原来所在的共价键中又出现一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填一个空穴，这个空穴又可被相邻原子的价电子填补，再出现空穴，如右图所示。补，再出现空穴，如右图所示。在半导体中同时存在在半导体中同时存在自由电子自由电子自由电子自由电子和和空穴空穴空穴空穴两种两种载流子载流子载流子载流子参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有参与导电，这种导电机理和金属导体的导电机理具有本质上的区别。本质上的区别。第第3页页第6页/共37页 在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等在纯净的硅（或锗）中掺入微量的磷或砷等五价元五价元素素，杂质原子就替代杂质原子就替代了共价键
13、中了共价键中某些硅原子的位置某些硅原子的位置，杂，杂质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下质原子的四个价电子与周围的硅原子结成共价键，剩下的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的的一个价电子处在共价键之外，很容易挣脱杂质原子的束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电束缚被激发成自由电子。同时杂质原子由于失去一个电子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构子而变成带正电荷的离子，这个正离子固定在晶体结构中，不能移动，所以它不参与导电中，不能移动，所以它不参与导电。杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，杂质离子产生的自由电子不是共价键中的价电子，因此与本征激发
14、不同，它不会产生空穴因此与本征激发不同，它不会产生空穴。由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子由于多余的电子是杂质原子提供的，故将杂质原子称为称为施主原子施主原子施主原子施主原子。掺入五价元素的杂质半导体，其掺入五价元素的杂质半导体，其自由电子的浓度远远大于空穴的浓度自由电子的浓度远远大于空穴的浓度，因此称，因此称为为电子型电子型电子型电子型半导体半导体，也叫做，也叫做N N型型型型半导体半导体。在在N N型型型型半导体中，半导体中，自由电子为多数自由电子为多数自由电子为多数自由电子为多数载流子载流子（简称多子），（简称多子），空穴为少数空穴为少数空穴为少数空穴为少数载载流子流子（简称少
15、子）；不能移动的（简称少子）；不能移动的离子带正电离子带正电离子带正电离子带正电。（2 2）杂质半导体）杂质半导体）杂质半导体）杂质半导体相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。相对金属导体而言，本征半导体中载流子数目极少，因此导电能力仍然很低。在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些在如果在其中掺入微量的杂质，将使半导体的导电性能发生显著变化，我们把这些掺入杂质的半导体称为掺入杂质的半导体称为杂质半导体杂质半导体杂质半导体杂质半导体。杂质半导体可以分为杂质半导体可以分为N N型型型型和和和和P P型型型型两大类。两大类。N N型半导
16、体型半导体型半导体型半导体第第3页页第7页/共37页不论是不论是N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的都有一种载流子占多数，但晶体中带电粒子的正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。正、负电荷数相等，仍然呈电中性而不带电。应注意：应注意：应注意：应注意：P P型半导体型半导体型半导体型半导体在在P型半导体中，由于杂质原子可以型半导体中，由于杂质原子可以接收一接收一接收一接收一个价电子个价电子个价电子个价电子而成为而成为不能移动不能移动不能移动不能移动的负离子，故称为的负离子，故称为受受受受主原子主原子主原子主原子。掺入三价元素的杂质半导
17、体，其空穴的浓掺入三价元素的杂质半导体，其空穴的浓度远远大于自由电子的浓度，因此称为度远远大于自由电子的浓度，因此称为空穴型空穴型空穴型空穴型半导体半导体，也叫做，也叫做P P型型型型半导体半导体。在硅（或锗）晶体中掺入微量的在硅（或锗）晶体中掺入微量的三价元素三价元素三价元素三价元素杂质硼（或其他），硼原子杂质硼（或其他），硼原子在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成在取代原晶体结构中的原子并构成共价键时，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能一个空穴。当相邻共价键上的电子受到热振动或在其他激发条件下获得能量时，就有
18、可能填补这个空穴，使硼原子量时，就有可能填补这个空穴，使硼原子得电子得电子而成为而成为不能移动的负离子不能移动的负离子；而原来的硅原子共价键则因而原来的硅原子共价键则因缺少缺少一个电子，出现一个一个电子，出现一个空穴空穴。于是半导体中。于是半导体中的空穴数目大量增加。的空穴数目大量增加。空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流空穴成为多数载流子，而自由电子则成为少数载流子子。第第3页页第8页/共37页正负空间电荷在交界面两侧形成一个由正负空间电荷在交界面两侧形成一个由N区指向区指向P区的电场，称为区的电场，称为内电场内电场，它，它对多对多数载流子的扩散运动起阻挡作用数载流子的扩散运动起阻挡
19、作用，所以空间电荷区又称为，所以空间电荷区又称为阻挡层阻挡层。同时，内电场对少。同时，内电场对少数载流子起推动作用，把数载流子起推动作用，把少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动漂移运动漂移运动漂移运动。3.PN3.PN结结结结P型和型和N型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在型半导体并不能直接用来制造半导体器件。通常是在N型或型或P型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为型半导体的局部再掺入浓度较大的三价或五价杂质，使其变为P型或型或N型型半导体，在半导体，在P型和型和N型半导体的交界面就会形成型半导体的交界面就会形成P
20、N结。结。PNPN结是构成各种半导体器件的基础结是构成各种半导体器件的基础结是构成各种半导体器件的基础结是构成各种半导体器件的基础。左图所示的是一块晶片，两边分别形成左图所示的是一块晶片，两边分别形成P型和型和N型半导体。为便于理解，图中型半导体。为便于理解，图中P区仅区仅画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的画出空穴（多数载流子）和得到一个电子的三价杂质负离子，三价杂质负离子，N区仅画出自由电子（多区仅画出自由电子（多数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离数载流子）和失去一个电子的五价杂质正离子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的子。根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区区向向N区扩散，自由电子要从
21、浓度高的区扩散，自由电子要从浓度高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区成载流子极少的正负空间电荷区如图中间区域，这就是域，这就是PNPN结结结结，又叫，又叫耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层。第第3页页第9页/共37页空间电荷区空间电荷区PN结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的结中的扩散和漂移是相互联系，又是相互矛盾的。在一定条件。在一定条件（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流（例如温度一定）下，多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间
22、电荷区的宽子的漂移运动则逐渐增强，最后两者达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，度基本稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。结就处于相对稳定的状态。+PNPN结的形成演示结的形成演示结的形成演示结的形成演示根据扩散原理，空穴要从浓度高的根据扩散原理，空穴要从浓度高的P区向区向N区扩散，自由电子要从浓度区扩散，自由电子要从浓度高的高的N区向区向P区扩散，并在交界面发生复合区扩散，并在交界面发生复合(耗尽），形成载流子极少的正负耗尽），形成载流子极少的正负空间电荷区（如上图所示），也就是空间电荷区（如上图所示），也就是PNPN结结结结，又叫，又叫耗尽层耗尽层耗尽层耗尽层。P区N区空间电荷区空
23、间电荷区第第3页页第10页/共37页少子少子漂移漂移 扩散与漂移达到动态平衡扩散与漂移达到动态平衡形成一定宽度的形成一定宽度的PN结结多子多子扩散扩散 形成空间电荷区形成空间电荷区产生内电场产生内电场 促使促使阻止阻止第第3页页第11页/共37页扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散运动和漂移运动相互联系又相互矛盾，扩散使空间电扩散使空间电扩散使空间电扩散使空间电荷区加宽，促使内电场增强荷区加宽，促使内电场增强荷区加宽，促使内电场增强荷区加宽，促使内电场增强，同时，同时对多数载流子的继续扩散阻对多数载流子的继续扩散阻力增大力增大，但，但使少数载流子漂移增强使少数载流子漂移增强；漂移使空间电
24、荷区变窄，漂移使空间电荷区变窄，漂移使空间电荷区变窄，漂移使空间电荷区变窄，电场减弱电场减弱电场减弱电场减弱，又，又促使多子的扩散容易进行促使多子的扩散容易进行。继续讨论继续讨论当漂移运动达到和扩散运动相等时，当漂移运动达到和扩散运动相等时，PN结便处于结便处于动态平衡动态平衡动态平衡动态平衡状态。可状态。可以想象，在平衡状态下，电子从以想象，在平衡状态下，电子从N区到区到P区扩散电流必然等于从区扩散电流必然等于从P区到区到N区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即区的漂移电流，同样，空穴的扩散电流和漂移电流也必然相等。即总的总的总的总的多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二
25、者方向相反多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反多子扩散电流等于总的少子漂移电流，且二者方向相反。在无外电场或其他因素激发时，在无外电场或其他因素激发时，在无外电场或其他因素激发时，在无外电场或其他因素激发时，PNPN结处于平衡状态，没有电流通过，结处于平衡状态，没有电流通过，结处于平衡状态，没有电流通过，结处于平衡状态，没有电流通过，空间电荷区的宽度一定。空间电荷区的宽度一定。空间电荷区的宽度一定。空间电荷区的宽度一定。由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩散过来的由于空间电荷区内，多数载流子或已扩散到对方，或被对方扩
26、散过来的多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为多数载流子复合掉了，即多数载流子被耗尽了，所以空间电荷区又称为耗耗耗耗尽层，其电阻率很高，为高阻区尽层，其电阻率很高，为高阻区尽层，其电阻率很高，为高阻区尽层，其电阻率很高，为高阻区。扩散作用越强，耗尽层越宽。扩散作用越强，耗尽层越宽。PNPN结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移结具有电容效应。结电容是由耗尽层引起的。耗尽层中有不能移动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电
27、动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电动的正、负离子，各具有一定的电量，当外加电压使耗尽层变宽时，电荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层荷量增加，反之，外加电压使耗尽层变窄时，电荷量减小。这样耗尽层中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。中的电荷量随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。中的电荷量
28、随外加电压变化而改变时，就形成了电容效应。第第3页页第12页/共37页PN结的单向导电性结的单向导电性1.PN1.PN结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN结变窄结变窄P接正、接正、N接负接负外电场外电场IF内电场被内电场被内电场被内电场被削弱，多子削弱，多子削弱，多子削弱，多子的扩散加强，的扩散加强，的扩散加强，的扩散加强，形成较大的形成较大的形成较大的形成较大的扩散电流。扩散电流。扩散电流。扩散电流。PNPN结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较结变窄，正向电
29、流较结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PNPN结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。结处于导通状态。内电场内电场PN+第13页/共37页2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场PP接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 内电场内电场内电场内电场P PN N+第14页/共37页PNPN结变宽结变宽结变宽结变宽2.PN 2.PN 结加反向电压结加反向电压结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外
30、电场外电场外电场外电场内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IRPP接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。+PNPN结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，反向电阻较大，反向
31、电阻较大，反向电阻较大，PNPN结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场内电场内电场P PN N+第15页/共37页3.PN3.PN结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性结的单向导电性PNPN结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由结具有单向导电的特性，也是由PNPN结构成的半结构成的半结构成的半结构成的半导体器件的主要工作机理。导体器件的主要工作机理。导体器件的主要工作机理。导体器件的主要工作机理。uuPNPN结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：结外
32、加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：结外加正向电压（也叫正向偏置）时，如左下图所示：uu正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子正向偏置时外加电场与内电场方向相反，内电场被削弱，多子的扩散运动大大超过少子的漂移运动，的扩散运动大大超过少子的漂移运动，的扩散运动大大超过少子的漂移运动，的扩散运动大大超过少子的漂移运动，N N区的电子不断扩散到区的电子不断扩散到区的电子不断扩散到区的电子不断扩散到P P区，区，区，区，P P区的空穴也不断扩散到区的空穴也不断扩散到区的空
33、穴也不断扩散到区的空穴也不断扩散到N N区，形成较大的区，形成较大的区，形成较大的区，形成较大的正向电流正向电流正向电流正向电流，这时，这时，这时，这时称称称称PNPN结处于结处于结处于结处于导通导通导通导通状态状态状态状态。第第3页页第16页/共37页uuP P端引出极接电源负极，端引出极接电源负极，端引出极接电源负极，端引出极接电源负极，N N端引出极电源正极的接法称为反向端引出极电源正极的接法称为反向端引出极电源正极的接法称为反向端引出极电源正极的接法称为反向偏置；偏置；偏置；偏置；uu反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使
34、多反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多反向偏置时内、外电场方向相同，因此内电场增强，致使多子的扩散难以进行，即子的扩散难以进行，即子的扩散难以进行，即子的扩散难以进行，即PNPN结对反向电压呈高阻特性；反偏时结对反向电压呈高阻特性；反偏时结对反向电压呈高阻特性；反偏时结对反向电压呈高阻特性；反偏时少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流少子的漂移运动虽然被加强，但由于数量极小，反向电流 I IR R一般情况下可忽略不计，此时称一般情况下可忽略不计，此时称一般情况下可忽略
35、不计，此时称一般情况下可忽略不计，此时称PNPN结处于结处于结处于结处于截止截止截止截止状态。状态。状态。状态。PNPN结的结的结的结的“正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断正偏导通，反偏阻断”称为其单向称为其单向称为其单向称为其单向导电性质，这正是导电性质，这正是导电性质，这正是导电性质，这正是PNPN结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。结构成半导体器件的基础。第第3页页第17页/共37页讨论题讨论题 半导体的导电机理与金属导体的导电机理有本质的区别：金金属导体中只有一种载流子属导体中只有一种载流子自由自由电子参与导电，半导体中有两种电子
36、参与导电，半导体中有两种载流子载流子自由电子和空穴参与导自由电子和空穴参与导电，电，而且这两种载流子的浓度可以通过在纯净半导体中加入少量的有用杂质加以控制。半导体导电机理半导体导电机理和导体的导电机和导体的导电机理有什么区别？理有什么区别？杂质半导体中的多子和少子杂质半导体中的多子和少子性质取决于杂质的外层价电子。性质取决于杂质的外层价电子。若掺杂的是五价元素，则由于多电子形成N型半导体：多子是电子，少子是空穴；如果掺入的是三价元素，就会由于少电子而构成P型半导体。P型半导体的共价键结构中空穴多于电子，且这些空穴很容易让附近的价电子跳过来填补，因此价电子填补空穴的空穴运动是主要形式，所以多子是
37、空穴，少子是电子。杂质半导体中的多数载流杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎样产子和少数载流子是怎样产生的？为什么生的？为什么P型半导体型半导体中的空穴多于电子？中的空穴多于电子？N型半导体中具有多数载流子电子，同时型半导体中具有多数载流子电子，同时还有与电子数量相同的正离子及由本征激还有与电子数量相同的正离子及由本征激发的电子发的电子空穴对，因此整块半导体中正空穴对，因此整块半导体中正负电荷数量相等，呈电中性而不带电。负电荷数量相等，呈电中性而不带电。N型半导体中的多数载型半导体中的多数载流子是电子，能否认为流子是电子，能否认为这种半导体就是带负电这种半导体就是带负电的？为什么？的？为什
38、么？空间电荷区的电阻空间电荷区的电阻率为什么很高？率为什么很高？何谓何谓PN结的单向导结的单向导电性？电性？第第3页页第18页/共37页2.半导体在热（或光照等半导体在热（或光照等）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本）作用下产生电子、空穴对，这种现象称为本征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会征激发；电子、空穴对不断激发产生的同时，运动中的电子又会“跳进跳进”另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子另一个空穴，重新被共价键束缚起来，这种现象称为复合，即复合中电子空穴对被空穴对被“吃掉吃掉”。在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不在一定的温度
39、下，电子、空穴对的产生和复合都在不在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不在一定的温度下，电子、空穴对的产生和复合都在不停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定停地进行，最终处于一种平衡状态，平衡状态下半导体中载流子浓度一定。1.半导体中的少子虽然浓度很低半导体中的少子虽然浓度很低，但少子对温度非，但少子对温度非常敏感，即常敏感，即温度对半导体器件的性能影响很大温度对半导体器件的性能影响很大温度对半导体器件的性能影响很大温度对半导体器件的
40、性能影响很大。而多子因。而多子因浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影浓度基本上等于杂质原子的浓度，所以基本上不受温度影响。响。4.PN结的单向导电性是指：结的单向导电性是指：PNPN结的正向电阻很小，因此正向偏结的正向电阻很小，因此正向偏结的正向电阻很小，因此正向偏结的正向电阻很小，因此正向偏置时电流极易通过；同时置时电流极易通过；同时置时电流极易通过；同时置时电流极易通过；同时PNPN结的反向电阻很大，反向偏置时电流结的反向电阻很大，反向偏置时电流结的反向电阻很大，反向偏置时电流结的反向电阻很大，反向偏置时电流基本为零。基本为零。基本为零。基本为零。问题探讨问题探讨问题探讨问题
41、探讨3.空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电空间电荷区的电阻率很高，是指它的内电场总是阻碍多数载流子（电流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就流）的扩散运动作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过，也就是说，是说，空间电荷区对扩散电流呈现高阻空间电荷区对扩散电流呈现高阻空间电荷区对扩散电流呈现高阻空间电荷区对扩散电流呈现高阻。第第3页页第19页/共37页8.2 半导体二极管半导体二极管1.1.二极管的结构和类型二极管的结构和类型二极管的结构和类型二极管的结构和类型一一个个PN结结加加上上相相应应的的电电极极引引线线并并用用管管壳壳封封装装起
42、起来来，就就构构成成了了半半导导体体二二极极管管，简简称称二二极极管管，接接在在P型型半半导导体体一一侧侧的的引引出出线线称称为为阳阳极；接在极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。型半导体一侧的引出线称为阴极。半导体二极管按其结构不同可分为半导体二极管按其结构不同可分为点接触型点接触型点接触型点接触型和和面接触型面接触型面接触型面接触型两类。两类。点点接接触触型型二二极极管管PNPN结结结结面面面面积积积积很很很很小小小小，因因因因而而而而结结结结电电电电容容容容小小小小，适适适适用用用用于于于于高高高高频频频频几几几几百百百百兆兆兆兆赫赫赫赫兹兹兹兹下下下下工工工工作作作作，但但但但不不不
43、不能能能能通通通通过过过过很很很很大大大大的的的的电电电电流流流流。主主要要应应用用于于小小电电流流的的整整流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。流和高频时的检波、混频及脉冲数字电路中的开关元件等。面面接接触触型型二二极极管管PN结结面面积积大大，因因而而能能通通过过较较大大的的电电流流，但但其其结结电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。电容也小，只适用于较低频率下的整流电路中。参看二极管参看二极管参看二极管参看二极管的实物图的实物图的实物图的实物图第20页/共37页跳转到第一页2 2、伏安特性、伏安特性、伏安特性、伏安特性硅管硅管硅管硅管0.5V,0.5V,锗管锗管锗管锗管
44、0 0.1V.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降导通压降导通压降 外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压外加电压大于死区电压二极管才能导通。二极管才能导通。二极管才能导通。二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击外加电压大于反向击外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。失去单向导电性。失去单向导电性。失去单向导电性。正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性特点：非线性特点：非线性特点：非线性特点：非线性硅硅硅硅0 0 0 0.60.8V.60.8V锗锗锗锗0
45、 0.2.20.3V0.3VUI死区电压死区电压死区电压死区电压PN+PN+反向电流反向电流反向电流反向电流在一定电压在一定电压在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持范围内保持范围内保持常数。常数。常数。常数。第21页/共37页二极管二极管的单向导电性的单向导电性1.1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负极接负极接负极接负）时，）时，）时，）时，二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态，二极管正二极管处于正向导通状态
46、，二极管正向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。向电阻较小，正向电流较大。2.2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正极接正极接正极接正）时，）时，）时，）时，二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。向电阻较大，反向电流很小。3.3.3.3.外加电压大于反向击穿电
47、压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。去单向导电性。去单向导电性。去单向导电性。4.4.4.4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。向电流愈大。向电流愈大。向电流愈大。第22页/共37页 二极管电路分析举例二极管电路分析举例二极管电路分析举例二极管电路分析举例 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管
48、压降否则，正向管压降否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅硅硅0 0 0 0.60.7V.60.7V锗锗锗锗0 0.2.20.3V0.3V分析方法：分析方法：分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压的高低或所加电压的高低或所加电压的高低或所加电压U UD D的正负。的正负。的正负。的正负。若若若若 V V阳阳阳阳 VV阴阴阴阴或或或或 U UD D为正为正为正为正(正向偏置正向偏置正向偏置正向偏置)，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V阳阳阳阳 V
49、VV阴阴阴阴 二极管导通二极管导通二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB=6V6V否则，否则，否则，否则，U UABAB低于低于低于低于6V6V一个管压降，为一个管压降，为一个管压降，为一个管压降，为6.36.3或或或或6.7V6.7V例例1：取取取取 BB点作参考点，点作参考点，点作参考点，点作参考点，断开二极管，分析二断开二极管，分析二断开二极管，分析二断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电极管阳极和阴极的电位。位。位。位。在这里，二
50、极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3k BAUAB+第24页/共37页普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造普通二极管被击穿后，由于反向电流很大，一般都会造成成“热击穿热击穿”，热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿热击穿不同于齐纳击穿和雪崩击穿，这两种击，这两种击穿不会从根本上损坏二极管，而穿不会从根本上损坏二极管，而热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏热击穿将使二极管永久性损坏。热击穿问题热击穿问题热击穿问题热击穿问