半导体二极管,三极管和场效应管

1、第0页 电路与电子学 信息工程学院信息工程学院 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第1页第1页 第第 4 4 章章 半导体二极管、三极管半导体二极管、三极管 和场效应管和场效应管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第2页第2页 模拟电子技术模拟电子技术 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 放大电路基础放大电路基础 功率放大电路功率放大电路 集成运算放大器集成运算放大器 负反馈放大电路负反馈放大电路 信号的运算、处理及波形发生电路信号的运算、处理及波形发生电路 直流电源直流电源 第第4 4章章 半导体二

2、极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第3页第3页 第第4章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 内容主要有：内容主要有： 半导体的导电性能半导体的导电性能 PN结的形成及单向导电性结的形成及单向导电性 半导体器件的半导体器件的结构、结构、工作原理工作原理、工作特性工作特性、参数参数 半导体器半导体器件件主要包括：主要包括： 半导体二极管（包括稳压管）半导体二极管（包括稳压管） 三极管和场效应管三极管和场效应管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第4页第4页 4.1 PN结结 1. 半导体半导体 半导体的物理特性半导体的物理特

3、性 物质根据其导电物质根据其导电性能分为性能分为 导体导体：导电能力良好的物质。：导电能力良好的物质。 绝缘体绝缘体：导电能力很差的物质。：导电能力很差的物质。 半导体半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、的物质，如硅、锗、 硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第5页第5页 半导体的物理特性半导体的物理特性 半导体的导电能力具有独特的性质。半导体的导电能力具有独特的性质。 温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；温度升高时，纯净的

4、半导体的导电能力显著增加； 在纯净半导体材料中加入微量的在纯净半导体材料中加入微量的“杂质杂质”元素，它的电导率元素，它的电导率 就会成千上万倍地增长；就会成千上万倍地增长； 纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高。 半导体为什么具有以上的导电性质？半导体为什么具有以上的导电性质？ 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第6页第6页 半导体的晶体结构半导体的晶体结构 原子的组成：原子的组成： 带正电的原子核带正电的原子核 若干个围绕原子核运动的带负电的电子若干个围绕原子核运动的带负电的电子 且整个原子呈电中性。

5、且整个原子呈电中性。 半导体器件的材料：半导体器件的材料： 硅（硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是）：四价元素，硅的原子序数是14，外，外 层有层有4个电子。个电子。 锗（锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序）：也是四价元素，锗的原子序 数是数是32，外层也是，外层也是4个电子。个电子。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第7页第7页 简化原子结构模型如图简化原子结构模型如图4-1(a)的简化形式。的简化形式。 +4 惯性核惯性核 价电子价电子 图图4-1 (a) 硅和锗的简化原子模型硅和锗的简化原子模型 半导体

6、的晶体结构半导体的晶体结构 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第8页第8页 单晶半导体结构特点单晶半导体结构特点 共价键共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组由相邻两个原子各拿出一个价电子组 成价电子对所构成的联系。成价电子对所构成的联系。 图图4-1(b)是晶体共价键结构的平面示意图。是晶体共价键结构的平面示意图。 半导体的晶体结构半导体的晶体结构 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第9页第9页 图图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图 +4+4+4 +4 +4 +4+4 +4+

7、4 共价键共价键 半导体的晶体结构半导体的晶体结构 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第10页第10页 2.2.半导体的导电原理半导体的导电原理 本征半导体本征半导体（Intrinsic Semiconductor） 纯净的、结构完整的单晶半导体，称为纯净的、结构完整的单晶半导体，称为 本征半导体。本征半导体。 物质导电能力的大小取决于其中能参与导电物质导电能力的大小取决于其中能参与导电 的粒子的粒子载流子的多少。载流子的多少。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第11页第11页 本征半导体本征半导体 本征

8、半导体在绝对零度（本征半导体在绝对零度（T=0K相当于相当于 T=273）时，相当于绝缘体。）时，相当于绝缘体。 在室温条件下，本征半导体便具有一定在室温条件下，本征半导体便具有一定 的导电能力。的导电能力。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第12页第12页 半导体半导体中的中的载流子载流子 自由电子自由电子 空穴（空穴（Hole） 空穴和自由电子同时参加导电，是半导空穴和自由电子同时参加导电，是半导 体的重要特点体的重要特点 价价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的的 同时同时，在原来的共价键位置上留下了一个，在原来

9、的共价键位置上留下了一个 空位，这个空位叫做空穴。空位，这个空位叫做空穴。 空穴带正电荷。空穴带正电荷。 本征半导体本征半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第13页第13页 在本征半导体中，激发出一个自由电子，在本征半导体中，激发出一个自由电子， 同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成 对地产生，称为电子空穴对。对地产生，称为电子空穴对。 半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过 程叫做本征激发（程叫做本征激发（Intrinsic Excitation）。）。 产生本征激发的条件

10、：加热、光照及射线产生本征激发的条件：加热、光照及射线 照射。照射。 空穴是载流子吗？空穴是载流子吗？ 本征半导体本征半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第14页第14页 空穴的运动实空穴的运动实 质上是价电子质上是价电子 填补空穴而形填补空穴而形 成的。成的。 B A 空穴空穴 自由电子自由电子 图图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图晶体共价键结构平面示意图 +4+4+4 +4 +4 +4+4 +4+4 C 共价键共价键 本征半导体本征半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第15页第15页 由

11、于空穴带正电荷，且可以在原子间移由于空穴带正电荷，且可以在原子间移 动，因此，动，因此，空穴是一种载流子空穴是一种载流子。 半导体中有两种载流子：半导体中有两种载流子：自由电子载流自由电子载流 子（简称电子）和空穴载流子（简称空子（简称电子）和空穴载流子（简称空 穴），穴），它们均可在电场作用下形成电流。它们均可在电场作用下形成电流。 本征半导体本征半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第16页第16页 半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，半导体由于热激发而不断产生电子空穴对， 那么，电子空穴对是否会越来越多，电子那么，电子空穴对是否会越来越多

12、，电子 和空穴浓度是否会越来越大呢？和空穴浓度是否会越来越大呢？ 实验表明实验表明，在一定的温度下，电子浓度和，在一定的温度下，电子浓度和 空穴浓度都保持一个定值。空穴浓度都保持一个定值。 半导体中存在半导体中存在 载流子的载流子的产生产生过程过程 载流子的载流子的复合复合过程过程 本征半导体本征半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第17页第17页 综上所述：综上所述： (1)半导体中有两种载流子：半导体中有两种载流子：自由自由电子和空电子和空 穴，电子带负电，空穴带正电。穴，电子带负电，空穴带正电。 (2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地本

13、征半导体中，电子和空穴总是成对地 产生，产生，ni = pi。 (3)半导体中，同时存在载流子的半导体中，同时存在载流子的产生和复产生和复 合合过程。过程。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第18页第18页 杂质半导体杂质半导体 本征半导体的电导率很小，而且受温度和光本征半导体的电导率很小，而且受温度和光 照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导 体器件。体器件。 本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺 入微量元素，导电能力显著提高。入微量元素，导电能力显著提高。 掺入的微量

14、元素掺入的微量元素“杂质杂质”。 掺入了掺入了“杂质杂质”的半导体称为的半导体称为“杂质杂质”半导半导 体体。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第19页第19页 常用的杂质元素常用的杂质元素 三价的硼、铝、铟、镓三价的硼、铝、铟、镓 五价的砷、磷、锑五价的砷、磷、锑 通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制 成各种各样的半导体器件。成各种各样的半导体器件。 杂质半导体分为：杂质半导体分为：N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体。 杂质半导体杂质半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、

15、三极管和场效应管 第20页第20页 N型半导体型半导体 在本征半导体中加入微量的五价元素，在本征半导体中加入微量的五价元素， 可使半导体中自由电子浓度大为增加，可使半导体中自由电子浓度大为增加， 形成形成N型半导体型半导体。 掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅 （或锗）原子的位置。如图（或锗）原子的位置。如图4-2所示。所示。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第21页第21页 图图4-2 N型半导体晶体结构示意图型半导体晶体结构示意图 +4+4+4 +4 +4 +4+4 +4 +4 共价键共价键 l掺入五价原子掺入

16、五价原子 N型半导体型半导体 l掺入五价掺入五价 原子占据原子占据Si 原子位置原子位置 在 室 温 下在 室 温 下 就可以激发就可以激发 成成自由电子自由电子 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第22页第22页 杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。 自由自由电子电子的数目高的数目高，故故导电导电能力显著提高能力显著提高。 把这种半导体称为把这种半导体称为N型半导体，其中的型半导体，其中的电子称为多数电子称为多数 载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少载流子（简称多子），空穴称为少数载

17、流子（简称少 子）。子）。 在在N型半导体中型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之自由电子数等于正离子数和空穴数之 和和，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半，自由电子带负电，空穴和正离子带正电，整块半 导体中正负电荷量相等，保持电中性。导体中正负电荷量相等，保持电中性。 N型半导体型半导体 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第23页第23页 P型半导体型半导体 在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半 导体中的空穴浓度大为增加，形成导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。型半导体。 空位空位 A

18、图图4-3 P型半导体晶型半导体晶 体结构示意图体结构示意图 +4+4+4 +4 +4 +3+4 +4+4 共价键共价键 空位吸引邻近空位吸引邻近 原子的价电子填原子的价电子填 充，从而留下一充，从而留下一 个空穴。个空穴。 在在P型半导体中，型半导体中， 空穴数等于负离子空穴数等于负离子 数与自由电子数之数与自由电子数之 和和，空穴带正电，空穴带正电， 负离子和自由电子负离子和自由电子 带负电，整块半导带负电，整块半导 体中正负电荷量相体中正负电荷量相 等，保持电中性。等，保持电中性。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第24页第24页 综上所述：

19、综上所述： (1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半型半 导体。导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是型半导体中，电子是多数载流子，空穴是 少数载流子少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。，此外还有不参加导电的正离子。 (2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半型半 导体导体。其中。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流空穴是多数载流子，电子是少数载流 子子，此外还有不参加导电的负离子。，此外还有不参加导电的负离子。 (3)杂质半导体中，杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少多子浓度决定于杂质浓度，少

20、 子由本征激发产生，其浓度与温度有关子由本征激发产生，其浓度与温度有关。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第25页第25页 载流子的漂移运动和扩散运动载流子的漂移运动和扩散运动 漂移运动（漂移运动（Drift Movement） 有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运 动，称为动，称为漂移运动漂移运动。 漂移运动产生的电流称为漂移运动产生的电流称为漂移电流漂移电流。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第26页第26页 扩散扩散运动运动 由于浓度差而引起的定向运动称为扩

21、散运由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运 动（动（Diffusion Movement），），载流子扩散载流子扩散 运动所形成的电流称为运动所形成的电流称为扩散电流扩散电流。 扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的 大小与载流子的浓度梯度成正比。大小与载流子的浓度梯度成正比。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第27页第27页 3. PN结的形成结的形成 PN结：结： 是指在是指在P型半导体和型半导体和N型半导体的交界处形型半导体的交界处形 成的空间电荷区。成的空间电荷区。 PN结是构成多种半导体器件的基础。结是构成

22、多种半导体器件的基础。 二极管的核心是一个二极管的核心是一个PN结；三极管中包结；三极管中包 含了两个含了两个PN结结。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第28页第28页 浓度差引起载流子的扩散。浓度差引起载流子的扩散。 3. PN结的形成结的形成 l扩散的结果形成自建电场。扩散的结果形成自建电场。 空间电荷区也称作空间电荷区也称作 “耗尽区耗尽区” “势垒区势垒区” 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第29页第29页 自建电场阻止扩散，加强漂移。自建电场阻止扩散，加强漂移。 l动态平衡。动态平衡。 扩散

23、扩散=漂移漂移 3. PN结的形成结的形成 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第30页第30页 4.4.PN结的特性结的特性 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结外加正向电压结外加正向电压 l如图所示，如图所示，电源的正极电源的正极 接接P区，负极接区，负极接N区，这区，这 种接法叫做种接法叫做PN结加正向结加正向 电压或正向偏置。电压或正向偏置。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第31页第31页 PN结外加正向电压结外加正向电压 PN结外加正向电压时（结外加正向电压时（P正、正、N负），空间负），空

24、间 电荷区变窄。电荷区变窄。 不大的正向电压，产生相当大的正向电流。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。 外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第32页第32页 PN结外加反向电压结外加反向电压 如图所示，如图所示，电源的正极接电源的正极接N区，负极接区，负极接P 区，这种接法叫做区，这种接法叫做PN结加反向电压或反结加反向电压或反 向偏置向偏置。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第33页第33页 PN结外加反向电压结外加反向电压

25、 流过流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，结的电流主要是少子的漂移决定的， 称为称为PN结的结的反向电流反向电流。 PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小结的反向电流很小，而且与反向电压的大小 基本无关。基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。结表现为很大的电阻，称之截止。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第34页第34页 PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自结加反向电压时，空间电荷区变宽，自 建电场增强，多子的扩散电流近似为零。建电场增强，多子的扩散电流近似为零。 反向电流很小反向电流很小，它由少数载流子形成，与少，它由少数载流子形

26、成，与少 子浓度成正比。子浓度成正比。 少子的值与外加电压无关，因此少子的值与外加电压无关，因此反向电流的反向电流的 大小与反向电压大小基本无关，故称为反向大小与反向电压大小基本无关，故称为反向 饱和电流。饱和电流。 温度升高时，少子值迅速增大，所以温度升高时，少子值迅速增大，所以PN结结 的反向电流受温度影响很大。的反向电流受温度影响很大。 PN结外加反向电压结外加反向电压 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第35页第35页 结论结论： PN结的单向导电性结的单向导电性： PN结加正向电压产生大的正向电流，结加正向电压产生大的正向电流， PN 结导

27、电。结导电。 PN结加反向电压产生很小的反向饱和电结加反向电压产生很小的反向饱和电 流，近似为零，流，近似为零， PN结不导电。结不导电。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 PN结的伏安特性结的伏安特性 定量描绘定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关结两端电压和流过结的电流的关 系的曲线系的曲线PN结的伏安特性。结的伏安特性。 根据理论分析，根据理论分析，PN结的伏安特性方程为结的伏安特性方程为 外加电压外加电压 流过流过PN结结 的电流的电流电子电荷量电子电荷量 q =1.610-19C 反向饱和电流反向饱和电流 绝对温度绝对温度(K) 玻耳兹曼

28、常数玻耳兹曼常数 k =1.3810-23J/K自然对数的底自然对数的底 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 PN结的伏安特性结的伏安特性 令令 T U q kT 在常温下，在常温下，T = 300K， 则则 )1( T U U S eII mV q kT UT26 106 . 1 3001038. 1 19 23 当当U大于大于UT数倍数倍 1 T U U e 即正向电流随正向电压的增加以指数即正向电流随正向电压的增加以指数 规律迅速增大。规律迅速增大。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 PN结的伏安特性结

29、的伏安特性 外加反向电压时，外加反向电压时，U为负值，当为负值，当|U|比比UT大几倍时，大几倍时， )1( T U U S eII IIS 即加反向电压时，即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和结只流过很小的反向饱和 电流电流。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第39页第39页 PN结的伏安特性结的伏安特性 曲线曲线OD段段表示表示PN结结 正向偏置时的伏安特正向偏置时的伏安特 性，称为性，称为正向特性正向特性； 曲线曲线OB段段表示表示PN结结 反向偏置时的伏安特反向偏置时的伏安特 性，称为性，称为反向特性反向特性。 U（mV） I（mA）

30、 0 图图4-5 PN结的理论伏安特性结的理论伏安特性 D T=25 B -IS （V） 0.2550 75 100 (uA) 0.5 1 1.5 2 l画出画出PN结的理论伏安特结的理论伏安特 性曲线。性曲线。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第40页第40页 PN结的反向击穿结的反向击穿 加大加大PN结的反向电结的反向电 压到某一值时，反向压到某一值时，反向 电流突然剧增，这种电流突然剧增，这种 现象称为现象称为PN结击穿结击穿， 发生击穿所需的电压发生击穿所需的电压 称为称为击穿电压击穿电压，如图，如图 所示。所示。 反向击穿的特点反向击穿的

31、特点：反：反 向电压增加很小，反向电压增加很小，反 向电流却急剧增加。向电流却急剧增加。 UBR U（V） I（mA） 0 图图4-6 PN结反向击穿结反向击穿 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第41页第41页 雪崩击穿雪崩击穿 由倍增效应引起的击穿。由倍增效应引起的击穿。当当PN结外加的结外加的 反向电压增加到一定数值时，空间电荷数反向电压增加到一定数值时，空间电荷数 目较多，自建电场很强，使流过目较多，自建电场很强，使流过PN结的少结的少 子漂移速度加快，可获得足够大的动能，子漂移速度加快，可获得足够大的动能， 它们与它们与PN结中的中性原子碰

32、撞时，能把价结中的中性原子碰撞时，能把价 电子从共价建中碰撞出来，产生新的电子电子从共价建中碰撞出来，产生新的电子 空穴对。空穴对。 雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的雪崩击穿通常发生在掺杂浓度较低的PN 结中。结中。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第42页第42页 齐纳击穿齐纳击穿 强电场破坏共价健引起的强电场破坏共价健引起的。 齐纳击穿齐纳击穿通常发生在掺杂浓度较高的通常发生在掺杂浓度较高的PN 结中。结中。 雪崩击穿和齐纳击穿均为雪崩击穿和齐纳击穿均为电击穿电击穿。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管

33、 第43页第43页 PN结的电容效应结的电容效应 除了单向导电性之外，除了单向导电性之外，PN结还存在电容效应。结还存在电容效应。 势垒电容势垒电容CB 多子的充放电引起的。是指外加电压的多子的充放电引起的。是指外加电压的 变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显变化导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显 示出电容效应。几皮法示出电容效应。几皮法几百皮法。几百皮法。 扩散电容扩散电容CD 多子的积累引起的。是指多子的积累引起的。是指PN结两侧积累结两侧积累 的非平衡载流子数量随外加电压改变所产生的的非平衡载流子数量随外加电压改变所产生的 电容效应电容效应。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和

34、场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第44页第44页 PN结的电容效应结的电容效应 PN结的电容很小，是针对结的电容很小，是针对高频交流高频交流小信小信 号而考虑。号而考虑。 PN结反向工作时，势垒电容起主要作用，结反向工作时，势垒电容起主要作用， 正向工作时扩散电容起主要作用。正向工作时扩散电容起主要作用。PN结的结的 面积增大时，面积增大时，PN结的电容也增大。结的电容也增大。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第45页第45页 4.2 半导体二极管半导体二极管 1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 在在PN结上加上引线和封装

35、，就成为一个二极管。结上加上引线和封装，就成为一个二极管。 二极管按结构分有二极管按结构分有点接触型点接触型、面接触型和平面型面接触型和平面型三三 大类。大类。 (1) 点接触型二极管点接触型二极管 PN结面积小，结结面积小，结 电容小，用于检波和电容小，用于检波和 变频等高频电路。变频等高频电路。 (a)(a)点接触型点接触型 二极管的结构示意图二极管的结构示意图 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第46页第46页 1.半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 PN结面积大，用于工结面积大，用于工 频大电流整流电路。频大电流整流电路。 (c

36、)(c)平面型平面型 阴极阴极 引线引线 阳极阳极 引线引线 P N P 型支持衬底型支持衬底 往往用于集成电往往用于集成电 路制造中。路制造中。PN 结面积结面积 可大可小，用于高频整可大可小，用于高频整 流和开关电路中。流和开关电路中。 n (3) 平面型二极管平面型二极管 n (2)面接触型二极管面接触型二极管 n(4) 二极管的代表符号二极管的代表符号 (b)(b)面接触型面接触型 阳极阳极 阴极阴极 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第47页第47页 半导体二极管图片半导体二极管图片 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极

37、管、三极管和场效应管 第48页第48页 半导体二极管图片半导体二极管图片 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第49页第49页 半导体二极管图片半导体二极管图片 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第50页第50页 2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 二极管的伏安特性的测出二极管的伏安特性的测出。 V mA V D R RW （a）测正向特性）测正向特性 V mA V D R RW （b）测反向特性）测反向特性 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第51页第51页

38、2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 n二极管的伏安特性曲线可用下式表示二极管的伏安特性曲线可用下式表示 )1( / TD UU SD eIi (a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性 C D o B A UBR uD iD （b b）2CP10-202CP10-20的的伏安特性曲线伏安特性曲线 iD（mA） uD（V）012 -100-200 20 40 60 80 -20 -10 -30 （uA） 75 20 （c c）2AP152AP15的的伏安特性曲线伏安特性曲线 iD（mA） uD（V） 00.4 - 40 -80 20 40 80 -0.2 -0.1 -0.3 60 0.8 第

39、第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第52页第52页 正向特性正向特性 死区电压：死区电压：硅管硅管 0.5V 锗管锗管 0.1V 线性区：线性区：硅管硅管 0.6V1V 锗管锗管 0.2V0.5V 对温度变化敏感：对温度变化敏感： 温度升高温度升高正向特性曲线左移正向特性曲线左移 温度每升高温度每升高1正向压降正向压降 减小约减小约2mV。 2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 (a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性 正向正向 特性特性 C D o B A UBR uD iD 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场

40、效应管 第53页第53页 2. 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 反向特性反向特性 反向电流：反向电流：很小。很小。 硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安 受温度影响大：受温度影响大： 温度每升高温度每升高10 反向电流增加约反向电流增加约1倍。倍。 反向击穿特性反向击穿特性 反向击穿反向击穿UBR:几十伏以上。几十伏以上。 (a)二极管理论伏安特性二极管理论伏安特性 反向反向 击穿击穿 特性特性 C D o B A UBR uD iD 反向反向 特性特性 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第54页第54页 3. 二极管的主要参数

41、二极管的主要参数 最大整流电流最大整流电流IF 最大反向工作电压最大反向工作电压UR 反向电流反向电流I IR R 最高工作频率最高工作频率fM 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第55页第55页 4. 二极管的等效电路及应用二极管的等效电路及应用 二极管特性曲线的非线性，给二极管二极管特性曲线的非线性，给二极管 电路的分析带来一定困难。为了简化分电路的分析带来一定困难。为了简化分 析，常常要做一些近似处理，可用某些析，常常要做一些近似处理，可用某些 线性电路元件来等效二极管，画出二极线性电路元件来等效二极管，画出二极 管的等效电路。管的等效电路。

42、最常用的近似方法有二种。最常用的近似方法有二种。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第56页第56页 理想二极管等效电路理想二极管等效电路 uD iD o DK 理想二极管等效电路理想二极管等效电路 如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极 管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二 极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如 图所示。图所示。 第第4

43、4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第57页第57页 考虑正向压降的等效电路考虑正向压降的等效电路 在二极管充分导通且工作电流不是很大时，在二极管充分导通且工作电流不是很大时， 二极管的正向压降二极管的正向压降UD变化不大（例如硅管约变化不大（例如硅管约 为为0.60.8V），因此近似认为二极管正向导），因此近似认为二极管正向导 通时有一个固定的管压降通时有一个固定的管压降UD（硅管取（硅管取0.7V， 锗管取锗管取0.2V），于是可用一固定电压源来等），于是可用一固定电压源来等 效正向导通的二极管。效正向导通的二极管。 当外加电压当外加电压U0时，二极管时，

44、二极管Dl、D3导通，相当于开关闭合；导通，相当于开关闭合；D2、D4截截 止，相当于开关断开，如图止，相当于开关断开，如图 (b)所示。因此输出电压所示。因此输出电压uO = u。 uo + _ u + _ RL D4 D2 D1 D3 io A B （a） uuo + _ RL D4 D2 D1 D3 io A B （b） + - 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第62页第62页 当当u 0且且uUR+UD时，时， 二极管二极管D导通，开关闭合，输出电压导通，开关闭合，输出电压UO = UR十十UD。

45、当当uUR+UD时，二极管时，二极管D截止，开关断开，输出截止，开关断开，输出 电压电压uO=u。 （b） 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第70页第70页 画出画出uO的波形。电路将输出电压限制在的波形。电路将输出电压限制在UR+UD以以 下，可以采用理想二极管等效电路来进行分析，下，可以采用理想二极管等效电路来进行分析， 那么那么uO的波形将近似在的波形将近似在UR电压以上削顶。电压以上削顶。 （b） t （c） 二极管电路的分析方法二极管电路的分析方法 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半

46、导体二极管、三极管和场效应管 第71页第71页 5. 稳压二极管稳压二极管 稳压二极管亦称齐纳二极管稳压二极管亦称齐纳二极管(Zener Diodes)，与一般二极管不同之处是它正，与一般二极管不同之处是它正 常工作在常工作在PN结的反向击穿区。因其具结的反向击穿区。因其具 有 稳 定 电 压 作 用 ， 故 称 为 稳 压 管有 稳 定 电 压 作 用 ， 故 称 为 稳 压 管 （Voltage Regulators）。）。 稳压管的符号和特性曲线如图所示。稳压管的符号和特性曲线如图所示。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第72页第72页 5.

47、 稳压二极管稳压二极管 它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工作时是利它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工作时是利 用特性曲线的反向击穿区。用特性曲线的反向击穿区。 电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压管就是利电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压管就是利 用这一特性工作的。用这一特性工作的。 U I O UZ IZ UZ IZ IZM （b） 阴极阴极 阳极阳极 （a） 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第73页第73页 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数： 稳定电压稳定电压UZ UZ是稳压管反向击穿后的稳定工作

48、电压值。是稳压管反向击穿后的稳定工作电压值。 例如稳压管例如稳压管2CWl的稳定电压是的稳定电压是78.5V。由于。由于 工艺上的困难，同一型号的管子，稳定电压工艺上的困难，同一型号的管子，稳定电压 值有一定的分散性，就是说，同样都是值有一定的分散性，就是说，同样都是2CWl 型的管子，一个稳定电压是型的管子，一个稳定电压是7V，而另一个却，而另一个却 可能是可能是8.5V。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第74页第74页 动态电阻动态电阻rZ rZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端是稳压管在稳定工作范围内管子两端 电压

49、的变化量与相应电流变化量之比即电压的变化量与相应电流变化量之比即 Z Z Z I U r nrZ越小，表示稳压作用越好。一个稳压管越小，表示稳压作用越好。一个稳压管rZ的的 大小与工作电流有关，工作电流越大，大小与工作电流有关，工作电流越大，rZ越小。越小。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第75页第75页 稳定电流稳定电流IZ 稳定电流稳定电流IZ是稳压管工作时的参考电流数值，是稳压管工作时的参考电流数值， 手册上给出的稳定电压和动态电阻都是指在手册上给出的稳定电压和动态电阻都是指在 这个电流下的值。这个电流下的值。

50、工作电流若小于稳定电流工作电流若小于稳定电流IZ，则，则rZ增大，稳增大，稳 压性能较差；压性能较差； 工作电流若大于稳定电流，工作电流若大于稳定电流，rZ减小，稳压性减小，稳压性 能较好，但是要注意管子的功率损耗不要超能较好，但是要注意管子的功率损耗不要超 出允许值。出允许值。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第76页第76页 额定功耗额定功耗PZM PZM是由管子允许温升限定的最大功率损耗。是由管子允许温升限定的最大功率损耗。 如果已知管子的稳定电压值，那么额定功如果已知管子的稳定电压值，那么额定功 耗除以稳定电压就

51、是该稳压管允许的最大稳耗除以稳定电压就是该稳压管允许的最大稳 定电流定电流IZM=PZM/UZ。超过这个电流使用，就。超过这个电流使用，就 可能损坏管子。可能损坏管子。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第77页第77页 电压温度系数电压温度系数 温度变化温度变化1时，稳定电压变化的百分数，时，稳定电压变化的百分数， 定义为电压温度系数。它是表示稳压管温度定义为电压温度系数。它是表示稳压管温度 稳定性的参数。稳定性的参数。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效

52、应管 第78页第78页 电压温度系数越小，温度稳定性越好。电压温度系数越小，温度稳定性越好。 通常，稳定电压通常，稳定电压UZ低于低于4V的管子，温度系的管子，温度系 数是负的（齐纳击穿），高于数是负的（齐纳击穿），高于6V的管子，的管子， 温度系数是正的（雪崩击穿），而稳定电压温度系数是正的（雪崩击穿），而稳定电压 在在4V6V左右的管子，温度系数最小，接近左右的管子，温度系数最小，接近 于零。于零。 所以，要求温度稳定性较高的场合常选用所以，要求温度稳定性较高的场合常选用 6V左右的管子左右的管子。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三

53、极管和场效应管 第79页第79页 为了制造温度系数小的管子，可采取温度补偿措为了制造温度系数小的管子，可采取温度补偿措 施。例如施。例如2DW7系列的稳压管就是这种管子，它是系列的稳压管就是这种管子，它是 由二个稳压值相同的管子反向串联起来的，如图由二个稳压值相同的管子反向串联起来的，如图 所示。所示。 12 3 具有温度补偿的稳压管图具有温度补偿的稳压管图 n工作时一个管子处于正工作时一个管子处于正 向，有负温度系数，另向，有负温度系数，另 一个管子处于反向，有一个管子处于反向，有 正温度系数，二者互相正温度系数，二者互相 补偿，将补偿，将1、2两端的电两端的电 压温度系数减到很小的压温度系

54、数减到很小的 程度。程度。 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第80页第80页 稳压管的应用电路稳压管的应用电路 为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时 必须在电路中串联电阻如图所示。必须在电路中串联电阻如图所示。 Rz Uz Dz I + - U + - 稳压管电路稳压管电路 5. 稳压二极管稳压二极管 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第81页第81页 UUZ时，稳压管击穿时，稳压管击穿 R UU I Z n必须适当选择必须适当选择R值，使得

55、值，使得 I集电区集电区基区；基区； (2)基区必须很薄。基区必须很薄。 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第90页第90页 2. 晶体管的电流分配关系和放大作用晶体管的电流分配关系和放大作用 内部条件内部条件 外部条件外部条件 发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。 电路接法：共基接法。电路接法：共基接法。 NPN VEE VCCiB RcRe iE iC b ec 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第91页第91页 共射接法。共射接法。 Rb VBB VCC Rc iB iC b e c N

56、P N uBE uCE iE uBC + + + 2. 晶体管的电流分配关系和放大作用晶体管的电流分配关系和放大作用 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第92页第92页 晶体管内部载流子的运动晶体管内部载流子的运动 发射区向基区注入电子的过程发射区向基区注入电子的过程 电子在基区中的扩散过程电子在基区中的扩散过程 电子被集电极收集的过程电子被集电极收集的过程 iB iC iE VCC VB B Rb N P N (a) 载流子运动情况载流子运动情况 iB iE iCn ICBO iE iB Rb VBB VCC iC (b)各极电流分配情况各极电流分

57、配情况 晶体管中的电流晶体管中的电流 iEn iEp iB iCn ICBO 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第93页第93页 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 CBOBB Iii CBOCnC Iii+ CBE iii+ iB iE iCn ICBO iE iB Rb VBB VCC iC (b)各极电流分配情况 Cn i b b B i ,iCn b b Bi , 令令 B i , CnC CBO I ii+ + + + CBO I b b CBO I+ + CBO I+ + B i b b b b 第第4 4章章 半导体二极管、三极管

58、和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第94页第94页 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 CEOBC Iii+ + b b CEOBBCE Iiiii+ + + + + )1(b b B CEOC i Ii b b CBOCEO II)1(b b+ + 令： 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第95页第95页 b b 系数系数 代表代表iB对对iC的控制作用的大小，的控制作用的大小， 越大，控制作用越强。越大，控制作用越强。 晶体管的电流分配关系晶体管的电流分配关系 电流电流iC由两部分组成：由两部分组成： 一部分是一部分是ICEO，它是

59、，它是iB=0时流经集电极与时流经集电极与 发射极的电流，称为穿透电流。发射极的电流，称为穿透电流。 另一部分是另一部分是 ，它表示，它表示iC中受基极电流中受基极电流 iB控制的部分。控制的部分。 B ib b 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第96页第96页 晶体管的放大作用晶体管的放大作用 晶体管放大作用的本质：晶体管放大作用的本质： iB对对iC或或iE对对iC的控制作用的控制作用。 为什么能实现放大呢？为什么能实现放大呢？ 输 入 信 号 负 载VEE VCC e c b iE iC 晶体管共基电路晶体管共基电路 iB iC 输 入 信

60、号 负 载 VCC VBB 晶体管共射电路晶体管共射电路 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第97页第97页 关于关于PNP型晶体管型晶体管 PNP管与管与NPN管之间的差别：管之间的差别： (1)电压极性不同。电压极性不同。 (2)电流方向不同。电流方向不同。 VBB VCC b c e iB iC iE (a) NPN型 VBB VCC b c e iB iC iE (b) PNP型 NPN型和型和PNP型晶体管电路的差别型晶体管电路的差别 第第4 4章章 半导体二极管、三极管和场效应管半导体二极管、三极管和场效应管 第98页第98页 3. 晶体