半導(dǎo)體二極管和晶體管

第四章半導(dǎo)體二極管

和晶體管§4.1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識§4.2半導(dǎo)體二極管§4.3晶體管§1半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體－－硅（Si）、鍺（Ge），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(dǎo)體與絕緣體之間。4.1.1、本征半導(dǎo)體導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。1、本征半導(dǎo)體導(dǎo)體－－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(chǎn)生定向移動，形成電流。絕緣體－－惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場強(qiáng)到一定程度時才可能導(dǎo)電。導(dǎo)電性：與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān)在絕對零度(-273℃)和沒有外界影響時，所有價電子都被束縛在共價鍵內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。晶體中無載流子。+14284

硅原子（Silicon）+4價電子(ValenceElectron)本征半導(dǎo)體1.本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)由于熱運(yùn)動，具有足夠能量的價電子掙脫共價鍵的束縛而成為自由電子自由電子的產(chǎn)生使共價鍵中留有一個空位置，稱為空穴

自由電子與空穴相碰同時消失，稱為復(fù)合。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，熱運(yùn)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。動態(tài)平衡兩種載流子電子空穴對產(chǎn)生、復(fù)合，維持動態(tài)平衡。對應(yīng)的電子空穴濃度稱為本征載流子濃度。外加電場時，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動方向相反。由于數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子溫度升高，熱運(yùn)動加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時不導(dǎo)電。4.1.2、雜質(zhì)半導(dǎo)體

1.N型半導(dǎo)體磷（P）施主雜質(zhì)

雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。多數(shù)載流子硼（B）受主雜質(zhì)多數(shù)載流子

P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，

1.P型半導(dǎo)體在電場作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向飄移運(yùn)動而形成的電流。電子電流空穴電流1漂移電流(DriftCurrent)4.1.3、PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?擴(kuò)散電流(DiffusionCurrent)

主要取決于該處載流子濃度差（即濃度梯度）。濃度差越大，擴(kuò)散電流越大，而與該處的濃度值無關(guān)。PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦詳U(kuò)散運(yùn)動P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。擴(kuò)散運(yùn)動使靠近接觸面P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(chǎn)生內(nèi)電場。PN結(jié)的形成參與擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。即擴(kuò)散過去多少多子，就有多少少子漂移過來漂移運(yùn)動

由于擴(kuò)散運(yùn)動使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動的進(jìn)行。內(nèi)電場使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動。PN結(jié)加正向電壓導(dǎo)通：耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加反向電壓截止：耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動，有利于漂移運(yùn)動，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)電流方程開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓

當(dāng)u

比UT大幾倍時即呈現(xiàn)指數(shù)變化。

當(dāng)u<0時,且|u|比UT大幾倍時PN結(jié)電流方程討論P(yáng)N結(jié)的擊穿特性

當(dāng)反向電壓超過U(BR)

后，|u|稍有增加時，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿(Breakdown)。iu0-U(BR)輕摻雜耗盡區(qū)較寬少子動能增大碰撞中性原子產(chǎn)生電子、空穴對連鎖反應(yīng)產(chǎn)生大量電子、空穴對反向電流劇增。雪崩擊穿(AvalancheMultiplication)PN耗盡區(qū)+++++++++++++++外電場重?fù)诫s耗盡區(qū)很窄強(qiáng)電場將中性原子的價電子直接拉出共價鍵產(chǎn)生大量電子、空穴對反向電流增大.齊納擊穿(ZenerBreakdown)PN耗盡區(qū)+++++++++++++++外電場PN結(jié)的電容效應(yīng)1.勢壘電容

PN結(jié)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，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢壘電容Cb。2.擴(kuò)散電容

PN結(jié)外加的正向電壓變化時，PN結(jié)兩側(cè)靠近空間電荷區(qū)的區(qū)域內(nèi)，在擴(kuò)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過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。結(jié)電容：4.2二極管一、二極管的基本結(jié)構(gòu)二、二極管的伏安特性及主要參數(shù)一、二極管的組成將PN結(jié)封裝，引出兩個電極，就構(gòu)成了二極管。小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管點(diǎn)接觸型面接觸型平面型一、二極管的組成二、二極管的伏安特性及電流方程材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。

1.單向?qū)щ娦?.伏安特性受溫度影響T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，U(BR)↓T（℃）↑→正向特性左移，反向特性下移正向特性為指數(shù)曲線反向特性為橫軸的平行線二極管的伏安特性：電擊穿：

二極管的反向電流隨外

電路變化，反向電壓維

持在擊穿電壓附近

---穩(wěn)壓管由于功率過高造成破壞性的擊穿---熱擊穿二極管的反向擊穿：iu0-U(BR)二極管的等效電路及其應(yīng)用由于二極管的非線性特性，當(dāng)電路加入二極管時，便成為非線性電路。實(shí)際應(yīng)用時可根據(jù)二極管的應(yīng)用條件作合理近似，得到相應(yīng)的等效電路，化為線性電路。對電子線路進(jìn)行定量分析時,電路中的實(shí)際器件必須用相應(yīng)的電路模型來等效表示，這稱為：“建?！薄?理想二極管模型2恒壓降模型3折線模型二極管的等效電路及其應(yīng)用理想二極管近似分析中最常用理想開關(guān)導(dǎo)通時UD＝0截止時IS＝0導(dǎo)通時UD＝Uon截止時IS＝0導(dǎo)通時△i與△u成線性關(guān)系應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！將伏安特性折線化交流小信號模型Q越高，rd越小。

當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動態(tài)信號作用時，則可將二極管等效為一個電阻，稱為動態(tài)電阻，也就是微變等效電路。ui=0時直流電源作用小信號作用靜態(tài)電流一、二極管整流電路晶體二極管電路的應(yīng)用VRLuiuo(a)

電路tui

uot00(b)

輸入、輸出波形關(guān)系半波整流電路若穩(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)壓管電流的限流電阻！二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流不至于損壞的最大電流

由一個PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。限流電阻晶體二極管電路的應(yīng)用1.穩(wěn)定電壓UZ2.額定功耗PZ擊穿后流過管子的電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。由管子升溫所限定的參數(shù)，使用時不允許超過此值。3.穩(wěn)定電流IZ4.動態(tài)電阻rZ5.溫度系數(shù)α在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。表示單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量。一般為幾歐姆到幾十歐姆（越小越好）。2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路主要參數(shù)晶體二極管電路的應(yīng)用u

i≥E+UD(ON)

三、二極管限幅電路晶體二極管電路的應(yīng)用=5mA，R=510Ω。假定輸入電壓變化范圍為18～24V，試確定負(fù)載電流的允許變化范圍。例4.2.1在圖