第4章 常用半导体器件原理2013

1、第4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 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 场效应管场效应管 第第4 4章常用半导体器件原理章常用半导体器件原理第4章 常用半导体器件原理4.14.1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，必须必

2、须从半导体及其原子结构谈起从半导体及其原子结构谈起。 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 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。第4章 常用半导体器件原理第4章 常用半导体器件原理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

3、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 穴穴第4章 常用半导体器件原理2. 本征载流子浓度本征载流子浓度 本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为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

4、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。第4章 常用半导体器件原理4.1.2 N型与型与P型半导体型半导体1 1. . N型半导体型半导体：在本征半导体中掺入少量五价元素：在本征半导体中掺入少量五价元素( (如磷、如

5、磷、砷、锑等砷、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第4章 常用半导体器件原理2 2. . P P型半导体型半导体：在本征半导体中掺入三价元素：在本征半导体中掺入三价元素( (如硼、铝、铟如硼、铝、铟等等) )。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

6、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+负离子数负离子数= 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。-1空空 穴穴空空 位位+4第4章 常用半导体器件原理3.3.杂质半导体的杂质半导体的载流子浓度载流子浓度 杂质杂质半导体半导体中，中，多子浓度主要由掺杂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。在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：热平衡下，两者之间有如下关系：多子浓度值与少子浓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

7、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。2nninpn22niinDnnpnNp N型型半导体半导体2ppipnnp P P型半导体型半导体22piipAnnnpN第4章 常用半导体器件原理 由以上分析可知由以上分析可知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, ,而温度而温度变化对其影响很小；变化对其影响很小；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。 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掺杂，可以大大改变体内载流子浓度，

8、并使一种载流子多，而另一种载流子少；浓度，并使一种载流子多，而另一种载流子少；第4章 常用半导体器件原理 4.1.3 漂移电流和扩散电流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。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第4章 常用半导体器

9、件原理( )( )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。第4章 常用半导体器件原理4.2PN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 空间电荷区空间电荷区 PNU-+PN-+内电场B空间电荷区多子扩

10、散多子扩散少子漂移少子漂移第4章 常用半导体器件原理 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。

11、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。第4章 常用半导体器件原理内电场REPN-+耗耗 尽尽 区区UPUNUPUN4.2.24.2.2PNPN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

12、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，会引起正向电小变化时，会引起正向电流较大的变化。流较大的变化。UBU1. . PN结结正向偏置正向偏置第4章 常用半导体器件原理内电场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。

13、PNPN结正偏导通，反偏截止，即具有单向导电特性。结正偏导通，反偏截止，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。2. PN结反结反向偏置向偏置第4章 常用半导体器件原理3.PN.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

14、，其大小与PN结的材料、制造工艺、结的材料、制造工艺、温度等有关；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。T= 300K(室温室温)时，时，UT =26mV。这是一个常用参数。这是一个常用参数。第4章 常用半导体器件原理 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可分别近似为近似为/(1)TTu Usu UssIeiI 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结具有单向结具有单向导电特性的结论完全一致。由此导电特性的结论完全一致。由

15、此画出的画出的PNPN结伏安特性如下结伏安特性如下PN结击穿结击穿iu0u0/(1)(1)Tu Uqu kTssiI eI e第4章 常用半导体器件原理4.2.3 PN4.2.3 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。 1. 1. 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

16、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第4章 常用半导体器件原理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IR第4章 常用半导体器件原理2. 2. 齐纳击穿齐纳击穿( (场致击穿场致击穿) ) 当反向电压大到一定值时，当反向电压大到一定值时，强电场足以将耗尽区内中性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，产生大量电子原子的价电子直接拉出共价键，产生大量电子- -空穴对空穴对，使反，使反向电流急剧增大。向电流急剧增大。电场强电场强度极大度极大IR第4章 常用半导体

17、器件原理 1 1. . 势垒电容势垒电容 从从PN结的结构看，在导电性能较好的结的结构看，在导电性能较好的P区和区和N区之间，区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似，如图所示。夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似，如图所示。4.2.44.2.4PNPN结的电容特性结的电容特性 PN结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。结具有电容效应，它由势垒电容和扩散电容两部分组成。 耗尽区中存贮的电荷量将随耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电性正是电容效应，并称为势垒电容，用容，用CT表示表示。nBTTUuCd

18、udQC)1(0理论分析证明：理论分析证明： 第4章 常用半导体器件原理nBTTUuCdudQC)1(0 式中：式中：CT0为外加电压为外加电压u=0时的时的CT值，它由值，它由PN结结 的结构、掺杂浓度等决定；的结构、掺杂浓度等决定； UB为内建电位差，硅管约为为内建电位差，硅管约为0.7V； n为变容指数，与为变容指数，与PN结的制作工艺有关，一般在结的制作工艺有关，一般在1/3 6之间。之间。 第4章 常用半导体器件原理2 2. . 扩散电容扩散电容 正向偏置的正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用形式的电容效应。下面利用P

19、区一侧载流子的浓度分布曲区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。线来说明。 P区少子浓度分布曲线区少子浓度分布曲线 N区电子向区电子向P区扩散，区扩散，非非平衡电子平衡电子形成曲线形成曲线的浓度的浓度分布。其存贮的电荷量对应分布。其存贮的电荷量对应下的面积。下的面积。 当偏压增大时，曲线变为当偏压增大时，曲线变为所示，电荷的增加量为所示，电荷的增加量为Qn 。 反之，反之，偏压减小时，曲线偏压减小时，曲线变为变为所示，其电荷的减少所示，其电荷的减少量为量为Qn 。第4章 常用半导体器件原理对对PN+结，可以忽略结，可以忽略Qp/u项。经理论分析可得项。经理论分析可得 同理，在同理，在N区一侧，非平衡

20、空穴的浓度也有类似的区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的变化量分布和同样的变化，引起存贮电荷的变化量Qp。pnDQQQCuuunnDTQICuU式中式中:n为为P P区非平衡电子的区非平衡电子的平均寿命；平均寿命；I I为某一正向偏为某一正向偏压下的直流电流。压下的直流电流。 这种这种外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的外加电压改变引起扩散区内存贮电荷量变化的特性，就是电容效应，称为扩散电容，用特性，就是电容效应，称为扩散电容，用CD表示表示。 如果引起如果引起Qn、Qp的电压变化量为的电压变化量为uu，则则第4章 常用半导体器件原理 CT、CD都随外加电压的

21、变化而变化，所以势垒电容和都随外加电压的变化而变化，所以势垒电容和扩散电容都是非线性电容。扩散电容都是非线性电容。 由于由于CT和和CD均等效地并接在均等效地并接在PN结上，因而结上，因而PN结上的总电结上的总电容容Cj为两者之和，即为两者之和，即Cj= CT + CD 。CTCD 因为因为CT和和CD很小，低频工作时可忽略其影响。但在高频工很小，低频工作时可忽略其影响。但在高频工作时，必须考虑它们引起的不利影响。作时，必须考虑它们引起的不利影响。p 正偏时以正偏时以CD为主，为主，Cj CD，其值通常为其值通常为几十至几百几十至几百pF；p 反偏时以反偏时以CT为主，为主，Cj CT，其值通

22、常为，其值通常为几至几十几至几十pF；第4章 常用半导体器件原理4.2.5 PN4.2.5 PN结的温度特性结的温度特性 PN结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：结特性对温度变化很敏感，反映在伏安特性上即为：温度升高，正向特性左移，反向特性下移温度升高，正向特性左移，反向特性下移，如图中虚线，如图中虚线所示。所示。 0(2 2.5)/umVCT ui0TT UBR具体变化规律是：具体变化规律是： 保持正向电流不变时，温度保持正向电流不变时，温度每升高每升高11，结电压减小约，结电压减小约( (22.5)mV，即即 温度每升高温度每升高10，反向饱和电流，反向饱和电流IS增大一倍增大一

23、倍第4章 常用半导体器件原理小小 结结1. 本征半导体：无掺杂的纯净的单晶半导体。本征半导体：无掺杂的纯净的单晶半导体。ni=pi2. N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素。型半导体：在本征半导体中掺入五价元素。ppnp 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第4章 常用半导体器件原理/(1)TTu Usu

24、 UssIei I eI 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置i iu0u06. PN结电流方程结电流方程7. PN结伏安特性结伏安特性PNPN结击穿结击穿8 . PN结电容，击穿和温度特性结电容，击穿和温度特性第4章 常用半导体器件原理 4.3 晶体二极管晶体二极管晶体二极管是由晶体二极管是由PNPN结加上电极引线和管壳构成的，结加上电极引线和管壳构成的，其结构示意图和电路符号分别如下图所示。其结构示意图和电路符号分别如下图所示。普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其应用电普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。路。另外，简要介绍稳压

25、二极管及其稳压电路。PN正极正极负极负极负极负极正极正极第4章 常用半导体器件原理4.3.1 4.3.1 二极管的伏安特性二极管的伏安特性普通二极管的典型伏安特性曲线如图所示，与普通二极管的典型伏安特性曲线如图所示，与PN结结伏安特性相比，有如下特点：伏安特性相比，有如下特点：1. 1. 正向特性正向特性有一导通电压有一导通电压UD(on)，室温室温下，下， UD(on) =(0.50.6)V 硅管硅管 UD(on) =(0.10.2)V 锗管锗管在正常工作电流范围内，管在正常工作电流范围内，管压降的变化范围很小：压降的变化范围很小：u/V0i/mA1020305100.50.5锗管锗管 (0

26、.20.3)V硅管硅管 (0.60.8)V 2. 2.反向特性反向特性由于表面漏电流影响，二极管由于表面漏电流影响，二极管反向电流要比理想反向电流要比理想PN结的结的Is大。大。对对硅管一般小于硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安。锗管小于几十微安。第4章 常用半导体器件原理4.3.24.3.2二极管的电参数二极管的电参数 显然，正向显然，正向RD随工作电流增大随工作电流增大而减小，反向的而减小，反向的RD随反向电压增大随反向电压增大而增大。如图中而增大。如图中Q1点处的点处的RD小于小于Q2点处的点处的RD 。 DQDDURI 一般正向电阻为几十一般正向电阻为几十几百欧，反向电阻为几十几百

27、欧，反向电阻为几十几百千欧。几百千欧。 显然，正向电阻越小，反向电阻越大，单向导电性能越好。显然，正向电阻越小，反向电阻越大，单向导电性能越好。0UDuIDiQ1Q21. 1. 直流电阻直流电阻RD第4章 常用半导体器件原理 2. 交流电阻交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微处的电压微变量与电流微变量之比，即变量与电流微变量之比，即DQDQDQDQUIUIDdiduIUr, rD的几何意义如图，即二极的几何意义如图，即二极管伏安特性曲线上管伏安特性曲线上Q (IDQ，UDQ)点点处切线斜率的倒数。处切线斜率的倒数。DQTQUuSTQ

28、DIUeIUdidurT/rD可以通过对二极管电流方程求导得出，即可以通过对二极管电流方程求导得出，即第4章 常用半导体器件原理0UDuIDiQ1Q2ID 可见，可见，rD与工作电流与工作电流IDQ成反比，并与温度有关。成反比，并与温度有关。室温室温(T=300K) 条件下条件下: :26()()()DDQmVrIm 通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二通过对二极管交、直流电阻的分析可知，由于二极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线极管的非线性伏安特性，所以交、直流电阻均是非线性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，性电阻，即特性曲线上不同点处的交、直流电阻不同，同一点处

29、交流和直流电阻也不相同。同一点处交流和直流电阻也不相同。 第4章 常用半导体器件原理 3.3.最大整流电流最大整流电流IF IF指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用指二极管允许通过的最大正向平均电流。实际应用 时，流过二极管的平均电流不能超过此值。时，流过二极管的平均电流不能超过此值。 4. 最大反向工作电压最大反向工作电压URM URM指二极管工作时所允许加的最大反向电压指二极管工作时所允许加的最大反向电压。通常取。通常取 UBR的一半作为的一半作为URM 。 5.5.反向电流反向电流IR IR越小，单向导电性能越好。越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用与温度密切相关，使

30、用 时应注意时应注意IR的温度条件。的温度条件。 6.6.最高工作频率最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极时，二极 管的单向导电性能变坏。管的单向导电性能变坏。 第4章 常用半导体器件原理 二极管二极管是一种非线性电阻是一种非线性电阻( (导导) )元件，在大信号工作时，元件，在大信号工作时，其非线性主要表现为单向导电性，即其非线性主要表现为单向导电性，即正偏时呈现低阻，反偏正偏时呈现低阻，反偏时呈现高阻。时呈现高阻。而而正偏正偏导通后所表现的非线性往往是次要的。导通后所表现的非线性往往是次要的。4.3.34.3.3二极管的简化

31、电路模型二极管的简化电路模型u/V0i/mA10203051010.5UD+-在工程分析中，器件的模型力求简单、实用，能突出在工程分析中，器件的模型力求简单、实用，能突出电路的主要功能及特性电路的主要功能及特性。DEUIR()DIf U第4章 常用半导体器件原理 . .A1BC近似，其模型为图近似，其模型为图(a)(a)。其中管压降。其中管压降UD取取0.7V(硅管硅管)或或 0.3V(锗管锗管)，导通电阻，导通电阻rD一般为几十欧姆。一般为几十欧姆。(a) . .A2BC近似，对应模型为图近似，对应模型为图(b)(b)。保留。保留管压降管压降UD。(b) . .A3B0C近似，对应模型为图近

32、似，对应模型为图(c)。称为理想二极管。称为理想二极管。(c)(c) 二极管伏安特性二极管伏安特性用折线近似后，即可用线性元件来等效各用折线近似后，即可用线性元件来等效各线性段，从而得出电路摸型。根据不同的应用场合，分别有：线性段，从而得出电路摸型。根据不同的应用场合，分别有：第4章 常用半导体器件原理 以上三种电路模型，是在不同近似条件下模拟了大以上三种电路模型，是在不同近似条件下模拟了大信号运用时二极管的开关特性。其中信号运用时二极管的开关特性。其中(b)(b)、(c)(c)是低频工是低频工作时最常用的近似模型。作时最常用的近似模型。50.70.4310ImA二极管截止二极管截止 I= 0

33、 UD =-5V或或I=5/10=0.5 mA 实际中，在分析二极管电路时，必须首先判断管子实际中，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是正偏导通还是反偏截止。然后用相应模型等效来分析电路。电路。第4章 常用半导体器件原理 例例1 电路如图所示，计算二极管中的电流电路如图所示，计算二极管中的电流 ID 。已知二。已知二极管的导通电压极管的导通电压UD(on) = 0.6 V，交流电阻，交流电阻 rD 近似为零。近似为零。 6 V 6 V R1 2 k R2 1k ID D E E UA EUD(on)6 60.60.65.4V A解：可以判断二极

34、管处于导通状态，解：可以判断二极管处于导通状态， 则则电路模型电路模型:1206( 5.4)0( 5.4)215.75.411.1AADEUUIRRmA 第4章 常用半导体器件原理作业作业 4-6，4-7, 4-9。第4章 常用半导体器件原理PN正极正极负极负极负极负极正极正极 在分析实际二极管电路时，必须首先判断管子是正偏在分析实际二极管电路时，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再来分析电路。导通还是反偏截止。然后用相应模型等效再来分析电路。 普通二极管的单向导电特性普通二极管的单向导电特性u/V0i/mA1020305101 0.7第4章 常用半导体器件原理4.3.

35、44.3.4二极管基本应用电路二极管基本应用电路tui0tuo0 1. 1. 二极管整流电路二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图所示。若二极管为管半波整流电路如图所示。若二极管为理想二极管理想二极管，当，当输入一正弦波时，求输出输入一正弦波时，求输出u0。VuiuoRL该电路是半波整流电路。该电路是半波整流电路。若二极管反接，若二极管反接，uo=? ui0时，时，V导通，导通，uo=ui ； ui0时，时，V1、V3导通；导通； V2、V4截止截止 uo=ui 全波整流电路全波整流电路mUuo=|ui | u

36、i0时，时， V2、V4导通；导通； V1、V3 截止截止 uo=ui ；第4章 常用半导体器件原理2. 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。第4章 常用半导体器件原理1 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

37、导通，导通， V1截止截止 iouRRu12传输特性传输特性第4章 常用半导体器件原理 . .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传输特性传输特性第4章 常用半导体器件原理 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 用半波整流和反相加法器构成全波整流电路：用半波整流和反相加法器构成全波整流电路： . 当当ui0时，时，uo1= - ui，uo= - ui -2

38、uo1= - ui +2 ui = ui. 当当ui0时，时，uo1=0，uo = - ui |oiuu+原理原理第4章 常用半导体器件原理传输特性传输特性第4章 常用半导体器件原理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ui0时，时，v管导通，管导通，若取若取R1=R2，则，则|oiuu第4章 常用半导体器件原理 限幅电路的传输特性限幅电路的传输特性如图所如图所示示, 图中图中UIH、UIL分别称为分别称为上门上门限和下门限电压：限和下门限电压： 2. 2. 二极管限幅电路二极管限

39、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。保护电路。uiuoUILUomaxUOminUIH第4章 常用半导体器件原理当当ui E+UD(on)= -2+0.7=-1.4V时，时，V V管导通，管导通，uo = ui -0.7。【例例2】限幅电路如图所示。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ui-1.4V时时,V,V管截止管截止, , uo=-2V，即把即把

40、ui最小电压限制在最小电压限制在2V。 VuiuoRE2Vtui/V05-5-1.4Vtuo/V0-24.3第4章 常用半导体器件原理VuiuoRE1VRtui/V6-6 【例例3】 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第4章 常用半导体器件原理 当当|ui| 5.7 V时，时，D1导通，导通， ui = 5.7V当当uI - 0.7 V

41、时，时，D2导通，导通， ui = -0.7V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 - 0.7 V ui 5.7 V第4章 常用半导体器件原理3. 3. 二极管电平选择电路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： A) A) 若若u1 u2，V1导通，导通，u uo o=

42、 =u1+ +0.7v， 使使V2截止。截止。 B) B) 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。第4章 常用半导体器件原理1. 1. 稳压二极管的特性稳压二极管的特性 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。4 4.4 .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。u

43、i0IZminIZmaxUZ+-ui 其正、反向特性与普通二其正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时电流在很大范围内变化时，其其两端电压几乎不变。两端电压几乎不变。第4章 常用半导体器件原理2. 稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数 1). 稳定电压稳定电压UZ UZ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。ui0IZminIZmaxUZ 2). 额定功耗额定功耗PZ PZ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。

44、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IZ I 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 IZmaxZmax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rZ ZZZQZUrIrZ一般为几欧姆

45、到几十欧。一般为几欧姆到几十欧。第4章 常用半导体器件原理VZUiUoRRLILIZIR3. 稳压二极管稳压电路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：第4章 常用半导体器件原理minminminiZZZLUUUIRR 当当

46、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 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。第4章 常用半导体器件原理maxmaxmaxiZZZLUUUIRRm

47、inmaxRRR 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VZUiUoRRLILIZIRRui0IZminIZmaxUZminminmaxminminiZLLZZUURRRRIUIZmax增大增大第4章 常用半导体器件原理VZUiUoR4. 4. 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 【例例1 1】稳压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的三角波。求输出电压的波形。的三角波。求输出电压的波形。第4章 常用半导体器件原理tuo/V0 ui R1 uo 5 k A UZ DZ1 DZ2 1 k R2 【例例2 2】输出电压输出电压限幅电路：限幅电路：tui/V02-2-6610若若UZ=5.3V，UD=0.7V第4章 常用半导体器件原理212()TLZDRUUURR212()THZDRUUURR其上、下门限分别为：其上、下门限分别为：UoH =UZ+UDU