第六章半導體二極管和晶體管YDH

1、模擬信號與模擬電路模擬信號與模擬電路1. 電子電路中信號的分類電子電路中信號的分類數(shù)字信號數(shù)字信號：離散性：離散性模擬信號：連續(xù)性。大多數(shù)物理量為模擬信號。模擬信號：連續(xù)性。大多數(shù)物理量為模擬信號。 2. 模擬電路模擬電路 模擬電路模擬電路是對模擬信號進行處理的電路。是對模擬信號進行處理的電路。 最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放最基本的處理是對信號的放大，有功能和性能各異的放大電路。大電路。 其它模擬電路多以放大電路為基礎。其它模擬電路多以放大電路為基礎?！?”的電的電壓當量壓當量“1”的倍數(shù)的倍數(shù)介于介于K與與K+1之之間時需根據(jù)閾值間時需根據(jù)閾值確定為確定為K或或K+1任何

2、瞬間的任何任何瞬間的任何值均是有意義的值均是有意義的電子信息系統(tǒng)的組成模擬電子電路模擬電子電路數(shù)字電子電路（系統(tǒng)）數(shù)字電子電路（系統(tǒng)）傳感器傳感器接收器接收器隔離、濾隔離、濾波、放大波、放大運算、轉運算、轉換、比較換、比較功放功放模擬模擬- -數(shù)字混合電子電路數(shù)字混合電子電路模擬電子系統(tǒng)模擬電子系統(tǒng)執(zhí)行機構執(zhí)行機構模擬電子技術基礎課的特點模擬電子技術基礎課的特點 1、工程性工程性 實際工程需要證明其可行性。實際工程需要證明其可行性。強調定性分析。強調定性分析。 實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許存實際工程在滿足基本性能指標的前提下總是容許存 在一定的誤差范圍的。在一定的誤差范圍的。 定

3、量分析為定量分析為“估算估算”。 近似分析要近似分析要“合理合理”。 功能、性能。功能、性能。 電子電路歸根結底是電路。電子電路歸根結底是電路。不同條件下構造不同模型。不同條件下構造不同模型。2. 實踐性實踐性 常用電子儀器的使用方法常用電子儀器的使用方法 電子電路的測試方法電子電路的測試方法 故障的判斷與排除方法故障的判斷與排除方法 EDA軟件的應用方法軟件的應用方法主要內容主要內容模擬信號下的模擬信號下的1、電子器件、電子器件2、電子電路及其應用、電子電路及其應用第六章半導體二極管和晶體管6.1 半導體基礎知識半導體基礎知識6.2 二極管二極管6.3 特殊二極管特殊二極管6.4 晶體管晶體

4、管6.1 6.1 半導體基礎知識半導體基礎知識一、本征半導體一、本征半導體二、雜質半導體二、雜質半導體三、三、PNPN結結6.1.16.1.1本征半導體本征半導體 導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。導電性介于導體與絕緣體之間的物質稱為半導體。1 1、什么是半導體？什么是本征半導體？、什么是半導體？什么是本征半導體？ 導體導體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電鐵、鋁、銅等金屬元素等低價元素，其最外層電子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。子在外電場作用下很容易產生定向移動，形成電流。 絕緣體絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電

5、子受原子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導子核的束縛力很強，只有在外電場強到一定程度時才可能導電。（橡膠手柄，耐壓電。（橡膠手柄，耐壓2500V） 半導體半導體硅（硅（Si）、鍺（）、鍺（Ge），均為四價元素，它們原），均為四價元素，它們原子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。子的最外層電子受原子核的束縛力介于導體與絕緣體之間。GeSi現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們現(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。的最外層電子（價電子）都是四個。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。本征半導體是純凈的晶體結構的半導體。無雜質無

6、雜質穩(wěn)定的結構穩(wěn)定的結構為什么用硅多用鍺少？在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，晶體點陣，每個原子都處在正四面體的中心，而其它四個原子位于四面體的頂點，每個原子而其它四個原子位于四面體的頂點，每個原子與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價與其相臨的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。電子。硅和鍺的晶體結硅和鍺的晶體結構：構：2 2、本征半導體的結構、本征半導體的結構由于熱運動，具有足夠能量由于熱運動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子而成為自由電子自由電子的產生使共價鍵中自由電

7、子的產生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴留有一個空位置，稱為空穴 自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復合。共價鍵共價鍵 一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，一定溫度下，自由電子與空穴對的濃度一定；溫度升高，熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對熱運動加劇，掙脫共價鍵的電子增多，自由電子與空穴對的濃度加大。（本征濃度）的濃度加大。（本征濃度）動態(tài)平衡動態(tài)平衡本征激發(fā)兩種載流子兩種載流子 外加電場時，帶負電的自由電外加電場時，帶負電的自由電子和帶正電的空穴均參與導電，子和帶正電的空穴均參與導電，且運動方向相反。由于載流子數(shù)且運動方向相

8、反。由于載流子數(shù)目很少，故導電性很差。目很少，故導電性很差。為什么要將半導體變成導電性很差的本征半導體？3 3、本征半導體中的兩種載流子、本征半導體中的兩種載流子運載電荷的粒子稱為載流子。運載電荷的粒子稱為載流子。 溫度升高，熱運動加劇，載溫度升高，熱運動加劇，載流子濃度增大，導電性增強。流子濃度增大，導電性增強。 熱力學溫度熱力學溫度0K時不導電。時不導電。二、雜質半導體二、雜質半導體 1. 1. N N型半導體型半導體5磷（磷（P） 雜質半導體主要靠多數(shù)載流雜質半導體主要靠多數(shù)載流子導電。摻入雜質越多，多子子導電。摻入雜質越多，多子濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)濃度越高，導電性越強，實現(xiàn)導電性

9、可控。導電性可控。多數(shù)載流子多數(shù)載流子 空穴比未加雜質時的數(shù)目多空穴比未加雜質時的數(shù)目多了？少了？為什么？了？少了？為什么？導電性能人為可控N型半導體呈電中性，只是導電性提高少數(shù)載流子少數(shù)載流子2. 2. P型半導體型半導體3硼（硼（B）多數(shù)載流子多數(shù)載流子 P型半導體主要靠空穴導電，型半導體主要靠空穴導電，摻入雜質越多，空穴濃度越高，摻入雜質越多，空穴濃度越高，導電性越強，導電性越強， 在雜質半導體中，溫度變化時，在雜質半導體中，溫度變化時，載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多載流子的數(shù)目變化嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子變化的數(shù)目相同嗎？少子與多子濃度的變化相同嗎？子濃度的變化相同嗎？

10、少數(shù)載流子少數(shù)載流子P型半導體呈電中性，只是導電性提高3 3. 漂移電流和漂移電流和擴散電流擴散電流載流子定向運動，才能形成定向電流。載流子定向運動，才能形成定向電流。1、電場作用下，載流子產生定向遷移運動漂移電流I漂漂正比于電場強度（正比于電場強度（電位差電位差）和載流子濃度。）和載流子濃度。2、由于載流子分布不均勻，載流子從濃度高向濃度、由于載流子分布不均勻，載流子從濃度高向濃度低處擴散低處擴散擴散電流擴散電流I擴擴正比于正比于濃度差濃度差漂移運動漂移運動擴散運動擴散運動三、三、PN結結擴散運動擴散運動P區(qū)空穴區(qū)空穴濃度遠高濃度遠高于于N區(qū)。區(qū)。N區(qū)自由電區(qū)自由電子濃度遠高子濃度遠高于于P

11、區(qū)。區(qū)。 擴散運動使靠近接觸面擴散運動使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產生內電場。區(qū)的自由電子濃度降低，產生內電場。在一塊本征半導體兩側，通過摻入不同的雜質，分別形成在一塊本征半導體兩側，通過摻入不同的雜質，分別形成N型型和和P型半導體型半導體PN 結的形成結的形成 因電場作用所產因電場作用所產生的運動稱為漂移生的運動稱為漂移運動。運動。 參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)參與擴散運動和漂移運動的載流子數(shù)目相同，達到動態(tài)平衡，就形成了平衡，就形成了PN結。結。漂移運動漂移運動 由于擴散運動使由于擴散運動使P區(qū)與區(qū)與N區(qū)

12、的交界面缺少多數(shù)載流子，形成區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從內電場，從而阻止擴散運動的進行。內電場使空穴從N區(qū)向區(qū)向P區(qū)、自由電子從區(qū)、自由電子從P區(qū)向區(qū)向N 區(qū)運動。區(qū)運動。PN結加正向電壓導通：結加正向電壓導通： 耗盡層變窄，擴散運動加耗盡層變窄，擴散運動加劇，由于外電源的作用，形劇，由于外電源的作用，形成擴散電流，成擴散電流，PNPN結處于導通結處于導通狀態(tài)。狀態(tài)。PN結加反向電壓截止：結加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴散運動，耗盡層變寬，阻止擴散運動，有利于漂移運動，形成漂移電有利于漂移運動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似流。由于電

13、流很小，故可近似認為其截止。認為其截止。必要嗎？必要嗎？PN 結的單向導電性結的單向導電性四、四、PN 結的電容效應結的電容效應1. 勢壘電容 PN結外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變結外加電壓變化時，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2. 擴散電容 PN結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子結外加的正向電壓變化時，在擴散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴

14、散電容過程，其等效電容稱為擴散電容Cd。dbjCCC結電容：結電容： 結電容不是常量！若結電容不是常量！若PN結外加電壓頻率高到一定程度，結外加電壓頻率高到一定程度，則失去單向導電性！則失去單向導電性！問題問題 為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制為什么將自然界導電性能中等的半導體材料制成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，成本征半導體，導電性能極差，又將其摻雜，改善導電性能？改善導電性能？ 為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還為什么半導體器件的溫度穩(wěn)定性差？是多子還是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？是少子是影響溫度穩(wěn)定性的主要因素？ 為什么半導體器件有最高工作頻率？為什么半導體器件

15、有最高工作頻率？6.2 6.2 二極管二極管一、二極管的結構一、二極管的結構二、二極管的伏安特性及電流方程二、二極管的伏安特性及電流方程三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路四、二極管的主要參數(shù)四、二極管的主要參數(shù) 一、二極管的結構一、二極管的結構將將PN結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。結封裝，引出兩個電極，就構成了二極管。小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管點接觸型：結面積小，點接觸型：結面積小，結電容小，故結允許結電容小，故結允許的電流小，最高工作的電流小，最高工作頻率高。頻率高。高頻檢波和高頻檢波和脈沖開關脈沖開關 面接觸型：結

16、面積大，面接觸型：結面積大，結電容大，故結允許結電容大，故結允許的電流大，最高工作的電流大，最高工作頻率低。頻率低。低頻整流低頻整流 平面型：擴散工藝，平面型：擴散工藝，結面積可小、可大，結面積可小、可大，小的工作頻率高，大小的工作頻率高，大的結允許的電流大。的結允許的電流大。材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A)(ufi mV)26( ) 1e (TSTUIiUu常溫下溫度的溫度的電壓當量電壓當量二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二極管的電流與其端電壓的關系稱為伏安特性。二、二極管的

17、伏安特性二、二極管的伏安特性OU/VI/mAUBRIS反向特性死區(qū)電壓正向特性0.51.01020Uth擊穿擊穿電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流開啟開啟電壓電壓從二極管的伏安特性可以反映出：從二極管的伏安特性可以反映出： 1. 單向導電性單向導電性TeSTUuIiUu，則若正向電壓) 1e (TSUuIi2. 伏安特性受溫度影響伏安特性受溫度影響T（）在電壓不變情況下電流增加在電壓不變情況下電流增加 反向飽和電流反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移正向特性左移，反向特性下移，反向特性下移正向特性為正向特性為指數(shù)曲線指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線反向特性為橫軸的平行線增大增大1倍倍/

18、10STIiUu，則若反向電壓材料材料開啟電壓開啟電壓導通電壓導通電壓反向飽和電流反向飽和電流硅硅Si0.5V0.50.8V1A以下鍺鍺Ge0.1V0.10.3V幾十A開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓PN結的擊穿：結的擊穿：齊納擊穿：齊納擊穿：UBR大多小于大多小于4V ,摻雜濃度高摻雜濃度高PN結較薄，共價鍵電子被結較薄，共價鍵電子被拉出。拉出。雪崩擊穿：雪崩擊穿：UBR大多大于大多大于6V ,摻雜濃度低摻雜濃度低PN結較厚（碰撞幾率大），結較厚（碰撞幾率大），電場使得動能大，把電子撞出來，一個撞一個越撞越多。電場使得動能大，把電子撞出來，一個撞一個越撞越多。以上為電

19、擊穿，為可逆擊穿，熱擊穿不可逆，一定要串聯(lián)電阻，以上為電擊穿，為可逆擊穿，熱擊穿不可逆，一定要串聯(lián)電阻，涉及功率發(fā)熱涉及功率發(fā)熱P=UI三、二極管的等效電路三、二極管的等效電路理想理想二極管二極管近似分析近似分析中最常用中最常用理想開關理想開關導通時導通時 UD0截止時截止時IS0導通時導通時UDUon截止時截止時IS0導通時導通時i與與u成線性關系成線性關系應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！應根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！將伏安特性折線化？100V？5V？1V？四、四、 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 1最大整流電流最大整流電流IF最大整流電流是指二極管長時間工作時，允許流過二極管的最大

20、正向平均電流，最大整流電流是指二極管長時間工作時，允許流過二極管的最大正向平均電流，它由它由PN結的結面積和散熱條件決定。結的結面積和散熱條件決定。 2最大反向工作電壓最大反向工作電壓UR它是二極管加反向電壓時為防止擊穿所取的安全電壓，一般將反向擊穿電壓它是二極管加反向電壓時為防止擊穿所取的安全電壓，一般將反向擊穿電壓UBR的一半定為最大反向工作電壓的一半定為最大反向工作電壓UR。 3反向電流反向電流IRIR是指二極管加上最大反向工作電壓是指二極管加上最大反向工作電壓UR時的反向電流。時的反向電流。IR愈小，二極管的單向愈小，二極管的單向導電性就愈好。此外，由于反向電流是由少數(shù)載流子形成的，所

21、以，溫度對導電性就愈好。此外，由于反向電流是由少數(shù)載流子形成的，所以，溫度對IR的的 影響很大影響很大 4最高工作頻率最高工作頻率fMfM主要由主要由PN結電容的大小決定，結電容愈大，則結電容的大小決定，結電容愈大，則fM就越低。若工作頻率超過就越低。若工作頻率超過fM，則二極管的單向導電性就變差，甚至無法使用。則二極管的單向導電性就變差，甚至無法使用。 二極管主要是利用其單向導電性，通常用于整流、檢波、限幅、元件保護等，二極管主要是利用其單向導電性，通常用于整流、檢波、限幅、元件保護等，在數(shù)字電路中常作為開關元件。在數(shù)字電路中常作為開關元件。 6.3 6.3 特殊二極管特殊二極管一、穩(wěn)壓二極

22、管一、穩(wěn)壓二極管二、變容二極管二、變容二極管三、光電二極管三、光電二極管四、發(fā)光二極管四、發(fā)光二極管一、穩(wěn)壓二極管一、穩(wěn)壓二極管1. 伏安特性進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流進入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流不至于損壞的最大電流 由一個由一個PN結組結組成，反向擊穿后成，反向擊穿后在一定的電流范在一定的電流范圍內端電壓基本圍內端電壓基本不變，為穩(wěn)定電不變，為穩(wěn)定電壓。壓。 若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！流的限流電阻

23、！限流電阻限流電阻斜率？斜率？特殊工藝制造的面接觸型特殊工藝制造的面接觸型硅二極管硅二極管1穩(wěn)壓值穩(wěn)壓值UZ 穩(wěn)壓管在正常工作時管子兩端的電壓穩(wěn)壓管在正常工作時管子兩端的電壓 2穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ 能使穩(wěn)壓管正常工作的最小電流。能使穩(wěn)壓管正常工作的最小電流。 IIZ時穩(wěn)壓效果較差。時穩(wěn)壓效果較差。4動態(tài)電阻動態(tài)電阻rZ（ rZ愈愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好）小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好） rZ指穩(wěn)壓管兩端電壓與電流的變化量之比，定義式為：指穩(wěn)壓管兩端電壓與電流的變化量之比，定義式為： ZZZIUr5電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù)u %100TUu對硅穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值在對硅穩(wěn)壓管，穩(wěn)壓值在4V以下的，以

24、下的，u為負值，為負值，6V以上的，以上的，u為正為正值，穩(wěn)壓值在值，穩(wěn)壓值在4V到到6V之間，之間，u最小，最小，u一般不超過一般不超過0.1%/。 3額定功耗額定功耗PZ穩(wěn)壓管允許的最大平均功率穩(wěn)壓管允許的最大平均功率,有的給出最大穩(wěn)定電流有的給出最大穩(wěn)定電流IZM，PZ=IZMUZ2.穩(wěn)壓管的主要參數(shù) UZZUZIOU/VI/mA穩(wěn)壓管和限流電阻穩(wěn)壓管和限流電阻串聯(lián)即構成簡單的穩(wěn)壓電路，限流電阻串聯(lián)即構成簡單的穩(wěn)壓電路，限流電阻R是穩(wěn)壓是穩(wěn)壓電路不可缺少的組成元件。當輸入電壓有波動或負載電流變化時，電路不可缺少的組成元件。當輸入電壓有波動或負載電流變化時，電路自動通過調節(jié)電路自動通過調節(jié)R上的壓降來保持輸出電壓基本不變。上的壓降來保持輸出電壓基本不變。 （1）設）設RL不變，不變，UI增大，則增大，則U0=UZ也將增大，也將增大，UZ增大，使增大，使IZ增大，增大，IR=IZ+IO及及UR隨之增大，從而使隨之增大，從而使UO=UI- -UR保持基本不變。此過程保持基本不變。此過程可表示