第4章晶体二极管及其基本电路

1、 4. 1 半导体物理基础半导体物理基础 4. 2 PN结结 4. 3 晶体二极管晶体二极管 4. 4 双极性晶体管双极性晶体管 4. 5 场效应晶体管场效应晶体管 第第4 4章常用半导体器件原理章常用半导体器件原理4. 1半导体物理基础半导体物理基础用于制造用于制造半导体器件的材料主要是硅半导体器件的材料主要是硅、锗和砷化镓等。锗和砷化镓等。半导体的半导体的导电能力介于导电能力介于导体和绝缘之间，并且导体和绝缘之间，并且会随温度、会随温度、光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，光照或掺入某些杂质而发生显著变化。要理解这些特性，必须从半导体及其原子结构谈起。必须从半导体及其原子结构

2、谈起。 4.1.1 本征半导体本征半导体 无掺杂的纯净的单晶半导体，无掺杂的纯净的单晶半导体，称为本征半导体。称为本征半导体。 硅和锗都是硅和锗都是4 4 价元素，其简化价元素，其简化原子结构模型如图所示。原子结构模型如图所示。自由电子自由电子空空 穴穴统称载流子统称载流子 吸收能量吸收能量v由于电子和空穴相互吸由于电子和空穴相互吸引，还会发生激发的逆引，还会发生激发的逆过程过程复合。复合。复合复合空空 穴穴自由电子自由电子释放能量释放能量消失一对电子空穴消失一对电子空穴在一定温度下，最终激发和在一定温度下，最终激发和复合达到动态平衡。使本征复合达到动态平衡。使本征半导体内的载流子数一定。半导

3、体内的载流子数一定。动画动画相邻电子过来填补空位相邻电子过来填补空位自由电子自由电子空位空位+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位的自由移动空位的自由移动复合复合空空 穴穴自由电子自由电子释放能量释放能量消失一对电子空穴消失一对电子空穴空空 穴穴 二二. 本征载流子浓度本征载流子浓度当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为)2exp(G0230iikTETApn式中式中Ni和和pi分别为自由电子和空穴的本征浓度分别为自由电子和空穴的本征浓度(cm-3)；T为热力学温度为热力学温度(K)；EG0为为T=0K时的禁带

4、宽度时的禁带宽度(硅为硅为1.21eV，锗为，锗为0.78eV)；k为玻尔兹曼常数为玻尔兹曼常数(8.63 10-6V/K)；A0是与是与半导体材料有关的常数。半导体材料有关的常数。 在室温下在室温下(T=300K)，本征半导体中载流子数极少，因，本征半导体中载流子数极少，因而导电能力极弱。而导电能力极弱。4.1.2 杂质半导体杂质半导体一一. .N N型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素( (如磷、砷、锑等如磷、砷、锑等) )。 N型半导体中型半导体中 nnpn电子为多数载流子电子为多数载流子(简称多子简称多子)空穴为少数载流子空穴为少数载流子(简

5、称少子简称少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4键外电子键外电子 由于由于 pn+正离子数正离子数= nn所以所以N型型半导体仍是电中性的。半导体仍是电中性的。+1空空 穴穴自由电子自由电子+4二二. .P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素型半导体：在本征半导体中掺入三价元素( (如硼、如硼、铝、铟等铝、铟等) )。P P型半导体中型半导体中 ppnp空穴为多数载流子空穴为多数载流子( (多子多子) )电子为少数载流子电子为少数载流子( (少子少子) )。+4+4+4+4+3+4+4+4+4 由于由于 np+负负离子数离子数= pp所以所以P型型半导体也是电性中的半导体也是电性中的。-

6、1空空 穴穴空空 位位+4三三. .杂质半导体的杂质半导体的载流子浓度载流子浓度 在在杂质杂质半导体半导体中，由中，由杂质原子提供杂质原子提供的载流子数远大的载流子数远大于于本征载流子数，所以多子浓度主要由掺杂本征载流子数，所以多子浓度主要由掺杂浓度决定。浓度决定。而而少子浓度，少子浓度，因掺杂不同会随多子浓度的变化而改变。因掺杂不同会随多子浓度的变化而改变。在热平衡下，两者之间有如下关系：在热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子多子浓度值与少子浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值浓度值的乘积恒等于本征载流子浓度值n ni i的平方。的平方。2nninpn22niinDnnpnN对对N型

7、型半导体半导体2ppipnn 由以上分析可知由以上分析可知对对P P型半导体型半导体22piipAnnnpN2.2.通过控制掺杂浓度可以严格控制多子浓度通过控制掺杂浓度可以严格控制多子浓度, ,而温度变而温度变 化对其影响很小；化对其影响很小；3.3.少子浓度主要由本征激发决定，因而温度变化少子浓度主要由本征激发决定，因而温度变化时，时， 少子浓度将会发生明显变化。少子浓度将会发生明显变化。1.1.本征半导体通过本征半导体通过掺杂，可以大大改变体内载流子浓掺杂，可以大大改变体内载流子浓 度，并使一种载流子多，而另一种载流子少；度，并使一种载流子多，而另一种载流子少； 4.1.3 半导体中的电流

8、半导体中的电流 半导体中的电流包括漂移电流和扩散电流。半导体中的电流包括漂移电流和扩散电流。 1. 漂移电流：漂移电流：在电场作用下，半导体中的载流子作定在电场作用下，半导体中的载流子作定向漂移运动形成的电流，如图所示。向漂移运动形成的电流，如图所示。空穴空穴自由电子自由电子N 型半导体电场方向电场方向 总漂移电流是电总漂移电流是电子漂移电流和空穴漂子漂移电流和空穴漂移电流之和，即移电流之和，即 I = Ip( In) = Ip+ In( )( )Ddn xdp xidxdxx自由电子浓度分布自由电子浓度分布n(x)x或或 正比于正比于 扩散电流正比于扩散电流正比于载流子的浓度梯度即载流子的浓

9、度梯度即浓度差浓度差: 2. 扩散电流：扩散电流：在载流子浓度梯度作用下，半导体在载流子浓度梯度作用下，半导体中的载流子从高浓度区向低浓度区扩散形成的电流。中的载流子从高浓度区向低浓度区扩散形成的电流。 扩散电流是半导体扩散电流是半导体中特有的电流。中特有的电流。PNU-+PN-+内电场B空间电荷区多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移 开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，开始时，扩散运动占优势，随着扩散运动的不断进行，界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区界面两侧显露出的正、负离子逐渐增多，空间电荷区 展宽，使内电场不断增强，于是漂移运动随之增强，而扩展宽，使内电场不断增强，于

10、是漂移运动随之增强，而扩 散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场散运动相对减弱。最后，因浓度差而产生的扩散力被电场 力所抵消，使扩散和漂移运力所抵消，使扩散和漂移运 动达到动态平衡。空间电荷动达到动态平衡。空间电荷 区的宽度一定，区的宽度一定，UB也保持也保持 一定。一定。(b)UPN-+内电场B空间电荷区 空间电荷区也称为空间电荷区也称为耗耗尽区尽区( (层层) )、阻挡区或势垒阻挡区或势垒区，统称为区，统称为PN结。结。实际中，如果实际中，如果P区和区和N区的掺杂浓度相同，则耗尽区区的掺杂浓度相同，则耗尽区相对界面对称，称为对称结，见上图。相对界面对称，称为对称结，见上图。 P

11、N+-+耗尽区耗尽区 不对称的不对称的PN结结P+N-+耗尽区耗尽区-+如果一边掺杂浓度大如果一边掺杂浓度大(重掺杂重掺杂)，一边掺杂浓度小，一边掺杂浓度小(轻掺轻掺杂杂)，则为不对称结，用，则为不对称结，用P+N或或PN+表示表示(+号表示重掺杂区号表示重掺杂区)如下图所示。如下图所示。可见，耗尽区主要伸向轻掺杂区一边。可见，耗尽区主要伸向轻掺杂区一边。UPN-+内电场内电场B空间电荷区空间电荷区 空间电荷区也称为耗尽区空间电荷区也称为耗尽区( (层层) )、阻挡区或势垒区，阻挡区或势垒区，统称为统称为PN结。结。密度差产生扩散力密度差产生扩散力 多子扩散并复合多子扩散并复合 空间电荷区空间

12、电荷区 内电场REPN-+耗耗 尽尽 区区UPUNUPUN 4.2.2PN结单向导电特性结单向导电特性 使使P P区电位高于区电位高于N N区电位的接法，称区电位的接法，称PNPN结加正向电压或结加正向电压或正向偏置正向偏置( (简称正偏简称正偏) )，如图所示。，如图所示。v 正偏使耗尽区变窄正偏使耗尽区变窄 内电场减弱内电场减弱(UB-U) 扩散力扩散力电场力电场力 多子源源不断地多子源源不断地 扩散到对方，形成正扩散到对方，形成正向电流。向电流。v 此外，正向偏压有微此外，正向偏压有微小变化时，会引起正向小变化时，会引起正向电流较大的变化。电流较大的变化。UBU一一. .PN结结正向偏置

13、正向偏置内电场RE UNUPPN - - - - - - - - + + + + + + + + + +耗 尽 区UNUPv 反偏使耗尽区变宽反偏使耗尽区变宽 内电场增强内电场增强(UB+U) 电场力电场力扩散力扩散力 少子漂移到对方形少子漂移到对方形成极小的反向电流。成极小的反向电流。 此外，反向偏压有很此外，反向偏压有很大变化时，反向电流基大变化时，反向电流基本不变。本不变。 综上所述综上所述 PN PN结正偏时导通，反偏时截止，即具有单向导电特性。结正偏时导通，反偏时截止，即具有单向导电特性。UBU 使使N区电位高于区电位高于P区电位的接法，称区电位的接法，称PN结加反向电压或结加反向电

14、压或反向偏置反向偏置(简称反偏简称反偏)，如图所示。，如图所示。二二. PN结反结反向偏置向偏置 三三. .PN结电流方程结电流方程 理论分析证明，按图示的参考方理论分析证明，按图示的参考方 向流过向流过PN结的电流结的电流i i与外加电压与外加电压u u 之间的关系为之间的关系为 /(1)(1)Tu Uqu kTssiI eI e 式中，式中，IS为反向饱和电流，其大小与为反向饱和电流，其大小与PN结的材结的材 料、制造工艺、温度等有关；料、制造工艺、温度等有关； UT = kT/q，称为温度的电压当量或热电压。称为温度的电压当量或热电压。 在在T= 300K(室温室温)时，时，UT =26

15、mV。这是一个常用参数。这是一个常用参数。 对于极性不同的正对于极性不同的正、反向电压，反向电压，|u|只要大于只要大于UT几倍几倍以上，则以上，则PN结电流方程结电流方程可分别近似为可分别近似为/(1)TTu Usu UssI eiI eI正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置 该式与上述该式与上述PN结具有单向导电特性的结论完全一致。结具有单向导电特性的结论完全一致。由此画出的由此画出的PNPN结伏安特性如下：结伏安特性如下：PN结击穿结击穿iu0u0 4.2.3 PN结的击穿特性结的击穿特性 当反向电压超过一定值当反向电压超过一定值UBR后，反向电流会急剧增大，后，反向电流会急剧增大，这种现象

16、称为这种现象称为PN结击穿，并定义结击穿，并定义UBR为为PN结的击穿电压。结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。结发生反向击穿的机理可以分为两种。 一一. . 雪崩击穿雪崩击穿 在轻掺杂的在轻掺杂的PN结中，当外加反向电压时，耗尽区较结中，当外加反向电压时，耗尽区较宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。宽，少子漂移通过耗尽区时被加速，动能增大。外电场使外电场使耗层展宽耗层展宽发生碰撞的连锁反应，发生碰撞的连锁反应，使载流子剧增。使载流子剧增。雪崩击穿机理雪崩击穿机理 二二. . 齐纳击穿齐纳击穿 在重掺杂的在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压结中，耗尽区很窄，

17、所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场强度。当反向电压大到一定值就能在耗尽区内形成很强的电场强度。当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，时，强电场足以将耗尽区内中性原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子产生大量电子- -空穴对，使反向电流急剧增大，这种击穿称为空穴对，使反向电流急剧增大，这种击穿称为齐纳击穿或场致击穿。齐纳击穿或场致击穿。 需要指出，只要限制击穿后的电流，击穿并不损坏需要指出，只要限制击穿后的电流，击穿并不损坏PN结。结。 一般来说，对硅材料的一般来说，对硅材料的PN结，结，UBR 7V时为雪崩击穿；时为雪崩击穿； UBR 0时，

18、时，V导通，导通，uo=ui ； ui0时，时，V截止，截止，uo=0 。二二. 精密整流电路精密整流电路 由于二极管存在死区电压由于二极管存在死区电压UON(硅管为硅管为0.60.7V左右左右)，因而只有当输入电压幅值大于死区电压时，电路才能正常因而只有当输入电压幅值大于死区电压时，电路才能正常工作。为此，插入运放以减小等效死区电压。工作。为此，插入运放以减小等效死区电压。1. 精密半波整流电路精密半波整流电路 (1).当当ui0时，时，uo0，V2截止，截止，V1导通，导通， uo=0 (2). 当当ui0时，时， uo0， V2导通，导通， V1截止截止 iouRRu12传输特性传输特性

19、 . .当当u ui i0 0时，时，u uo o0 0，V V2 2导通，导通，V V1 1截止，则截止，则 . . 当当u ui i0 0时，时， u uo o00， V V2 2截止，截止， V V1 1导通，导通，u uo o=0 =0 iouRRu12传输特性传输特性 2. 精密全波整流电路精密全波整流电路绝对值电路绝对值电路 用半波整流和相加器构成全波整流的原理如图所示：用半波整流和相加器构成全波整流的原理如图所示： . 当当ui0时，时，uo1= - ui，uo= - ui -2uo1= - ui +2 ui = ui. 当当ui0时，时，uo1=0，uo = - ui |oiu

20、u+传输特性传输特性假设二极管假设二极管v为理想二极管，为理想二极管，. 当当ui0时，时，v管截止，管截止，iouRRu122211(1)oiiiRRuuuuRR. 当当uiUIH时，时，u0 = U0max 而而uiUIL时，时， u0 = U0min 此时称为双向限幅。此时称为双向限幅。 二、二极管限幅电路二、二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换变化范围加以限制的电路，常用于波形变换、整形和输入整形和输入保护电路。限幅电路的传输特性保护电路。限幅电路的传输特性如图所示如图所示 ：

21、uiuoUILUomaxUOminUIH如果只有上门限或只有下门限电如果只有上门限或只有下门限电压，则分别称为上限幅或下限幅电路，如图虚线所示。压，则分别称为上限幅或下限幅电路，如图虚线所示。当当ui E+UD(on)= 2.7V时，时， V V管截止，管截止，uo = ui 。VuiuoRE2Vtui/V05-5tuo/V0-52.7【例例1】一个简单的上限幅电路如图所示。一个简单的上限幅电路如图所示。当输入幅度为当输入幅度为5v5v的正弦波时，其输出波形如图。的正弦波时，其输出波形如图。当当ui2.7V时，时， V V管导通，管导通，uo=2.7V，即把即把ui最大电压限制在最大电压限制在

22、2.7V。 VuiuoRE1VRtui/V6-6 【例例2】 电路如图所示，已知输入为电路如图所示，已知输入为幅度幅度6V的的正弦波时，正弦波时， 试画出输出波形。试画出输出波形。12oiuu11.723.4oiiuuVuV 当当时时V管截止管截止即即11.723.4oiiuuVuV 当当时时V管导通管导通即即1.7ouV tuo/V0-1.730-3.4 当当|ui| 5.7 V时，时，D1导通，导通， ui = 5.7当当uI - 0.7 V时，时，D2导通，导通， ui = -0.7当当 - 0.7 V uI 5.7 V时，时，D1和和D2截止，此时截止，此时 ui =uI即即 - 0.

23、7 V ui 5.7 V 三、二极管电平选择电路三、二极管电平选择电路 从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。二极管低电平选择电路如图所示。为电平选择电路。二极管低电平选择电路如图所示。V1u1uoV2ERu2 设两路输入信号设两路输入信号u u1 1, u, u2 2均小于均小于E： 若若u1 u2，V1导通，导通，u uo o= =u1+ +0.7v， 使使V2截止。截止。 若若u2 uo时，时，V管导通，管导通，uo = ui 。 当当 uiuo时，时，V管截止，管截止，uo 保持不变。保持不变。 一、稳压二极管的

24、特性一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图所示。伏安特性曲线如图所示。 它的正、反向特性与普通它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时即电流在很大范围内变化时，其两端电压几乎不变。其两端电压几乎不变。4.4 稳压二极管电路稳压二极管电路 稳压二极管是利用稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。稳压电路。ui

25、0IZminIZmaxUZ+-ui 二、稳压二极管的主要参数二、稳压二极管的主要参数 1. 稳定电压稳定电压UZUZ是指击穿后在电是指击穿后在电流为规定值时，流为规定值时， 管子两端的电压值。管子两端的电压值。ui0IZminIZmaxUZ2. 额定功耗额定功耗PZPZ是由管子结温限是由管子结温限制所限定的参数。制所限定的参数。PZ与与 PN结所用的结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过 此值。此值。3. 稳压电流稳压电流IZI IZ Z是稳压二极管正常工作时的参考电流。稳是稳压二极管正常工作时的参考电流。稳定电流的最大值定电流的最大值I IZma

26、xZmax有一限制，即有一限制，即 IZmax=PZ/UZ超过此值会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值超过此值会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值I IZminZmin的限的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。 4. 动态电阻动态电阻rZZZZQZUrIrZ一般为几欧姆到几十欧。一般为几欧姆到几十欧。VZUiUoRRLILIZIR 三、稳压二极管稳压电路三、稳压二极管稳压电路 稳压二极管实现稳压必须满足两个条件稳压二极管实现稳压必须满足两个条件： 1. 稳压管反稳压管反向击穿；向击穿； 2. 串接限流电阻。串接限流电阻。其电路如图所示。其电路如

27、图所示。 若若Ui增大，增大，RL不变时不变时 若若RL增大，增大，Ui不变时不变时所谓稳压是指当所谓稳压是指当Ui和和RL变化时，输出电压变化时，输出电压U0要保持恒定。要保持恒定。 电路稳压原理如下：电路稳压原理如下：minminminiZZZLUUUIRR 当当Ui、RL变化时，变化时，IZ应始终满足应始终满足IzminIZIZmax。VZUiUoRRLILIZIR即即minminmaxminminiZLLZZUURRRRIUui0IZminIZmaxUZ限流电阻限流电阻R的选择方法的选择方法可见，当可见，当Ui =Uimin, RL = RLmin时，时，IZ最小。这时应满足最小。这时

28、应满足 设设Ui的最小值为的最小值为Uimin，最大值为最大值为Uimax；RL最小时最小时IL的的最大值为最大值为UZ/RLmin；RL最大时最大时IL的最小值为的最小值为UZ / RLmax。maxmaxmaxiZZZLUUUIRRminmaxRRR而当而当Ui=Uimax，RL=RLmax时，时，IZ最大。这时应满足最大。这时应满足maxminmaxmaxmaxiZLLZZUURRRRIU即即可得限流电阻的取值范围是可得限流电阻的取值范围是VZUiUoRRLILIZIRRui0IZminIZmaxUZRminVZUiUoR利用稳压二极管构成的限幅电路：利用稳压二极管构成的限幅电路： 稳压

29、二极管的稳定电压稳压二极管的稳定电压Vz=6V,Vz=6V,输入为幅度输入为幅度10V10V的三角的三角波。求输出电压的波形。波。求输出电压的波形。tuo/V0 ui R1 uo 5 k A UZ DZ1 DZ2 1 k R2 输出电压输出电压限幅电路：限幅电路：tui/V02-2-6610212()TLZDRUUURR212()THZDRUUURR其上、下门限分别为：其上、下门限分别为：UoH =UZ+UDUoL =-(UZ+UD)输出电压的输出电压的限幅电路：限幅电路： 可见，只要调节电位可见，只要调节电位器动臂的位置，使充、放器动臂的位置，使充、放电时常数不等，则占空比电时常数不等，则占

30、空比可调。但振荡周期（频率）可调。但振荡周期（频率）保持不变。保持不变。 占空比占空比D可调的方波振荡器可调的方波振荡器1112DT TTT T显然，上述电路由于显然，上述电路由于T1=T2，T=2T1， 所以所以D=0.5 如果要求占空比可调如果要求占空比可调: D定义为高电平时间定义为高电平时间T1与周期与周期T的比值，的比值，即即如动臂向上移动时：如动臂向上移动时：T1T2，Dnp 空穴为多子，电子为少子空穴为多子，电子为少子nnpn 电子为多子电子为多子，空穴为少子空穴为少子3. P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素。型半导体：在本征半导体中掺入三价元素。内电场内电场UPN-+B空间电荷区空间电荷区PN结正偏时导通，反偏时截止。结正偏时导通，反偏时截止。 5. . PN结的单向导电特性结的单向导电特性/(1)TTu Usu UssIeiI eI正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置i iu0u0PN结电流方程结电流方程PN结伏安特性结伏安特性PNPN结击穿结击穿u/V0i/mA102030 5 10 0.50.5-+iu 在分析二极管电路时，必须首先判断管子是正偏导通在分析二极管电路时，必须首先判断管子是正偏导通还是反偏截止。然后用相应模型等效来分析电