二極管及其基本電路

1、電氣信息學院2010級暑期培訓第一講 二極管及其基本電路二極管及其基本電路 一般二極管肖特基二極管續(xù)流二極管發(fā)光二極管電氣信息學院2010級暑期培訓 二極管及其基本特性二極管及其基本特性 半導體的基本知識半導體的基本知識 PN PN結的形成及特性結的形成及特性 二極管二極管電氣信息學院2010級暑期培訓 半導體基本知識n半導體器件特點：半導體器件特點： 體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、體積小、重量輕、使用壽命長、輸入功率小、功率轉換效率高。功率轉換效率高。 半導體材料半導體材料：（Semiconductor materials)(-cm )10+910-3導體導體如金屬等如金屬等絕緣體

2、絕緣體如橡皮、塑料等如橡皮、塑料等典型半導體：典型半導體：硅硅SiSi、鍺、鍺GeGe、砷化鎵、砷化鎵GaAsGaAs等等 半導體半導體電氣信息學院2010級暑期培訓電氣信息學院2010級暑期培訓 半導體的共價鍵結構半導體的共價鍵結構 簡化模型 最外層上的電子，決定了物質的化學特性和導電性； Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子 1 1、SiSi、GeGe的原子結構的原子結構 價電子： 慣性核 電氣信息學院2010級暑期培訓半導體的共價鍵結構半導體的共價鍵結構 2 2、共價鍵、共價鍵硅和鍺的晶體結構硅和鍺的晶體結構共價鍵共價鍵共用電子對共用電子對+4+4+4+4電氣信息學院2010級暑期培訓 Si

3、 Si Si Si價電子價電子電氣信息學院2010級暑期培訓 Si Si Si Si價電子價電子自由電子自由電子空穴空穴這一現象稱為本征激發(fā)。這一現象稱為本征激發(fā)?？昭昭囟扔?，晶體中產溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多生的自由電子便愈多自由電子自由電子電氣信息學院2010級暑期培訓電氣信息學院2010級暑期培訓電氣信息學院2010級暑期培訓雜質半導體雜質半導體 在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，在本征半導體中摻入某些微量元素作為雜質，可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。可使半導體的導電性發(fā)生顯著變化。 N N型半導體型半導體摻入五價雜質元素（如磷）摻入五價雜質元素（如磷） P P型半

4、導體型半導體摻入三價雜質元素（如硼）摻入三價雜質元素（如硼） 摻入的雜質主要是三價或五價元素。摻入的雜質主要是三價或五價元素。 摻入雜質的本征半導體稱為摻入雜質的本征半導體稱為雜質半導體雜質半導體。 半導體基本知識半導體基本知識 電氣信息學院2010級暑期培訓 1. N1. N型半導體型半導體 多余的一個價電子因多余的一個價電子因無共價鍵束縛而很容易形無共價鍵束縛而很容易形成成自由電子自由電子。 在在N型半導體中型半導體中自由自由電子是多數載流子，電子是多數載流子，它主要由雜質原它主要由雜質原子提供子提供；空穴是少數載流子空穴是少數載流子, 由熱激發(fā)形成。由熱激發(fā)形成。 提供自由電子的五價雜質

5、原子因帶正電荷而成為提供自由電子的五價雜質原子因帶正電荷而成為正離子正離子，因此五價雜質原子也稱為因此五價雜質原子也稱為施主雜質施主雜質。多余電子多余電子硅原子硅原子SiPSiSi 五價雜質原子只有四個五價雜質原子只有四個價電子能與周圍四個半導體價電子能與周圍四個半導體原子中的價電子形成共價鍵原子中的價電子形成共價鍵硅硅(鍺鍺) +磷磷 N型半導體型半導體雜質半導體雜質半導體電氣信息學院2010級暑期培訓 2.P2.P型半導體型半導體 在在P型半導體中型半導體中空穴是空穴是多數載流子，多數載流子，它主要由摻雜它主要由摻雜形成形成；自由自由電子是少數載流子，電子是少數載流子， 由熱激發(fā)形成。由熱

6、激發(fā)形成。 空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子負離子。三價雜。三價雜質質 因而也稱為因而也稱為受主雜質受主雜質。 因缺少一個價電子而在因缺少一個價電子而在共價鍵中留下一個共價鍵中留下一個空穴空穴?？昭昭⊿iSiSiB 三價雜質原子在與三價雜質原子在與硅原子形成共價鍵硅原子形成共價鍵硅硅(鍺鍺) +硼硼 P型半導體型半導體雜質半導體雜質半導體電氣信息學院2010級暑期培訓雜質半導體的示意表示法雜質半導體的示意表示法+雜質半導體雜質半導體P P型半導體型半導體N N型半導體型半導體 半導體基本知識半導體基本知識 電氣信息學院2010級暑期培訓載流子的漂移與

7、擴散載流子的漂移與擴散 PN PN結的形成及特性結的形成及特性漂移運動：由于電場作用而導致載流子的運動漂移運動：由于電場作用而導致載流子的運動擴散運動：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)擴散運動：載流子由高濃度區(qū)域向低濃度區(qū) 域移動的現象域移動的現象空穴的移動方向與電場方向相同電子的移動方向與電場方向相反電氣信息學院2010級暑期培訓P P型半導體型半導體N N型半導體型半導體+擴散運動內電場E漂移運動PNPN結的形成結的形成 電氣信息學院2010級暑期培訓漂移運動P P型半導體型半導體N N型半導體型半導體+擴散運動內電場E PN PN結的形成及其特性結的形成及其特性內電場越強，就使漂內電場越強，

8、就使漂移運動越強，而漂移移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果是使空間電擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。荷區(qū)越寬。電氣信息學院2010級暑期培訓漂移運動P P型半導體型半導體N N型半導體型半導體+擴散運動內電場E所以擴散和漂所以擴散和漂移這一對相反移這一對相反的運動最終達的運動最終達到平衡，相當到平衡，相當于兩個區(qū)之間于兩個區(qū)之間沒有電荷運動，沒有電荷運動，空間電荷區(qū)的空間電荷區(qū)的厚度固定不變。厚度固定不變。PNPN結的形成結的形成 PNPN結的形成及其特性結的形成及其特性電氣信息學院2010級暑期培訓 因濃度差因濃度差空間電荷

9、區(qū)形成內電場空間電荷區(qū)形成內電場 內電場促使少子漂移內電場促使少子漂移 內電場阻止多子擴散內電場阻止多子擴散 最后最后,多子的多子的擴散擴散和少子的和少子的漂移漂移達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。多子的擴散運動多子的擴散運動由由雜質離子形成空間電荷區(qū)雜質離子形成空間電荷區(qū) 在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質在一塊本征半導體在兩側通過擴散不同的雜質, ,分別分別形成形成N型半導體和型半導體和P型半導體。型半導體。PNPN結的形成結的形成 PN PN結結電氣信息學院2010級暑期培訓一、一、PN結外加正向偏置電壓時的導電情況：結外加正向偏置電壓時的導電情況：電源電源VF+ P- N空間電荷區(qū)厚度空

10、間電荷區(qū)厚度 內電場內電場 I擴擴 I漂漂擴散擴散 漂移漂移 正向導通狀態(tài)正向導通狀態(tài)、小電阻、小電阻 ，正向導通電流正向導通電流 IF I擴擴 IF PN結單向導電性結單向導電性:電氣信息學院2010級暑期培訓二、二、PN結加反向偏置電壓時的導電情況：結加反向偏置電壓時的導電情況：空間電荷區(qū)厚度空間電荷區(qū)厚度 內電場內電場 漂移漂移 擴散擴散 I漂漂 I擴擴反向截止狀態(tài)，反向截止狀態(tài)，大電阻大電阻反向電流反向電流 IR= I漂漂IR電源電源VR+ N- P反向反向飽和電流飽和電流IS電氣信息學院2010級暑期培訓PN結正偏結正偏PN結反偏結反偏電氣信息學院2010級暑期培訓PN結具有結具有單

11、向導電性。單向導電性。 PN結加正向電壓時，結加正向電壓時，正向導通正向導通： 電阻值很小，具有較大的正向導通電流，電阻值很小，具有較大的正向導通電流， 開關閉合開關閉合 PN結加反向電壓時，結加反向電壓時，反向截止反向截止：呈現高電阻，具有較小反向飽和電流，呈現高電阻，具有較小反向飽和電流， 開關斷開開關斷開電氣信息學院2010級暑期培訓TS(1)eDvnVDiI流過流過PN結結電流電流A反向飽反向飽和電流和電流A加在加在PN結結兩端電壓兩端電壓VVT =KT/q=26mV T=300K VD 0正正向導通向導通四、四、PN結結V-I特性表示式：特性表示式：（二極管特性方程）（二極管特性方程

12、）發(fā)射系數發(fā)射系數(1 2)電氣信息學院2010級暑期培訓 PN的反向擊穿的反向擊穿（P65） iDOVBR D 當當PN結的反向電壓結的反向電壓增加到一定數值時，增加到一定數值時，反反向電流突然快速增加向電流突然快速增加，此現象稱為此現象稱為PN結的結的反向反向擊穿。擊穿。反向擊穿段反向擊穿段PN結電容效應結電容效應（P66自學了解）自學了解）電氣信息學院2010級暑期培訓一一 、符號：、符號： 陽極陽極+-陰極陰極二、二、 結構：結構： （1）點接觸型二極管：點接觸型二極管：陽極陽極+-陰極陰極（2）面接觸型二極管：）面接觸型二極管：（3）平面型二極管：平面型二極管：二極管結構二極管結構:

13、 二極管（Diode)具體型號及參數參見具體型號及參數參見P72 表表3.3.1電氣信息學院2010級暑期培訓（V-I特性）特性）(P70)反向擊穿反向擊穿電壓電壓VBR反向特性反向特性UIPN+PN+電氣信息學院2010級暑期培訓定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導通導通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，第二講第二講 三極管的結構三極管的結構一、三極管的基本結構n它是通過一定的制作工藝，將兩個PN結結合在一起的器件，兩個PN結相互作用，使三極管成為一個具有控制電流作用的半導體器件。其結構模型及電路符號圖2-1 。n三極管可以用來放大微弱的信號和作為無觸點

14、開關。圖2-1 三極管的結構模型和符號 從圖2-1中可以看出，一個三極管的基本結構包括：三個區(qū)（發(fā)射區(qū)、集電區(qū)、基區(qū)）、兩個PN結（集電結、發(fā)射結）、三個電極（基極B、發(fā)射極E、集電極C）。 三極管制作時，通常它們的基區(qū)做得很薄，且摻雜濃度低；發(fā)射區(qū)的雜質濃度則很高；集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大，這是三極管實現電流放大的內部條件。2.1.1 2.1.1 三極管的結構三極管的結構三、三極管的常見外形 圖2-2 常見的三極管外形一、三極管的工作條件 三極管要實現放大作用必須滿足的條件是：內部條件：發(fā)射區(qū)摻雜濃度最高，基區(qū)摻雜濃度低且很薄，集電結面積大。外部條件：外加電壓使發(fā)射結處于正向偏置，集電結

15、處于反向偏置。2.1.2 2.1.2 三極管的工作條件和基本組態(tài)三極管的工作條件和基本組態(tài)（1）發(fā)射區(qū)的多數載流子向基區(qū)擴散形成發(fā)射極電流IE。（2）自由電子在基區(qū)與空穴復合形成基極電流IB 。（3）集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴散過來的自由電子形成集電極電流IC。 三極管的電流分配關系和電流放大作用三極管的電流分配關系和電流放大作用說明：在外加電壓的作用下，發(fā)射區(qū)的多數載流子（自由電子）擴散到基區(qū)后，一部分與基區(qū)多數（空穴）復合形成的基極電流IB，大部分被送到集電結邊緣被集電區(qū)吸收形成電流IC，被吸收和被復合的載流子數量之比是一確定的值（），該值大小主要取決于基區(qū)的厚度和基區(qū)的摻雜（空穴）濃度，三極管

16、制成后，這個比值（）是一確定值。與外加電壓基本無關。三極管的電流分配關系和電流放大作用三極管的電流分配關系和電流放大作用一、輸入特性曲線 常數CEUBEBuif 實驗測得NPN型三極管的共發(fā)射極放大電路的射輸入特性曲線如圖2-8所示。 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線圖2-8 三極管的輸入特性曲線 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線三極管的輸入特性曲線分兩種情況討論：（1）當UCE1V時 三極管的發(fā)射結、集電結均正偏，此時的三極管相當于兩個PN結的并聯(lián)，曲線與二極管相似，所以增大UCE時，輸入曲線明顯右移。（2）當UCE1V時 集電結反偏、發(fā)射結正偏，此時再繼續(xù)增大UCE特性曲線右移不明顯，不同的UCE輸入曲線幾乎重合。 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線二、輸出特性曲線 常數BIfCECui 實驗測得三極管的輸出特性曲線如圖2-9所示。三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線圖2-9 三極管的輸出特性曲線2.1.4 2.1.4 三極管的伏安特性曲線三極管的伏安特性曲線由圖2-9可見，三極管的工作狀態(tài)分為三個區(qū)：（1）放大區(qū)工作條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏。工作特點：基極電流的控制作用，即： =Ic/Ib恒流性特性，即iB一定時，iC基本不隨uCE變化（對uCE而言，iC具有恒流性）。三極管的伏安