PN结的形成与单向导电性及开关特性

1、1.1.2 1.1.2 杂质半导体杂质半导体 在本征半导体中掺入某种在本征半导体中掺入某种特定特定的杂质，成为杂质半的杂质，成为杂质半导体。导体。1 1、型半导体、型半导体 如果在硅或锗的晶体中掺入如果在硅或锗的晶体中掺入少量少量的价杂质的价杂质元素，则形成型半导体。元素，则形成型半导体。( (其中的价杂质原子称为施主原子其中的价杂质原子称为施主原子) ) 如果在硅或锗的晶如果在硅或锗的晶体中掺入体中掺入少量少量的的3 3价杂价杂质元素，则形成质元素，则形成P P型半型半导体导体2 2型半导体型半导体（其中的（其中的3价杂质原子称为受主原子）价杂质原子称为受主原子）=1.2 =1.2 半导体二

2、极管半导体二极管1.2.1 PN1.2.1 PN结及其单向导电性结及其单向导电性 在在P P型半导体和型半导体和N N型型半导体的交界面两侧，半导体的交界面两侧，由于电子和空穴的浓度由于电子和空穴的浓度相差悬殊，相差悬殊，N N区的多数区的多数载流子电子向载流子电子向P P区扩散，区扩散，P P区的多数载流子空穴区的多数载流子空穴也向也向N N区扩散。区扩散。1. PN结中载流子的运动（PN结的形成） 电子和空穴扩散运动的结果，在交界面电子和空穴扩散运动的结果，在交界面两侧形成一个由不能移动的正、负离子组两侧形成一个由不能移动的正、负离子组成的空间电荷区，这就是成的空间电荷区，这就是PNPN结

3、结。2. PN2. PN结的单向导电性结的单向导电性(1) PN结外加正向电压电源的正极接电源的正极接P区，电源的负极区，电源的负极接区，称为正接区，称为正向偏置（简称正向偏置（简称正偏）偏） 正向接法时，外电场的方向与正向接法时，外电场的方向与PNPN结中内电结中内电场的方向相反，削弱了内电场，空间电荷区的宽场的方向相反，削弱了内电场，空间电荷区的宽度变窄，有利于多数载流子的扩散运动，形成一度变窄，有利于多数载流子的扩散运动，形成一个较大的正向电流。个较大的正向电流。2、PN结外加反向电压电源的正极接N区，负极接P区，称为反向偏置（简称反偏） 反向接法时，外电场与内电场的方向一反向接法时，外

4、电场与内电场的方向一致，增强内电场的作用，致，增强内电场的作用，空间电荷区的宽度空间电荷区的宽度变宽变宽，不利于多子的扩散运动。在回路中形，不利于多子的扩散运动。在回路中形成一个由少数载流子漂移运动产生的反向电成一个由少数载流子漂移运动产生的反向电流，反向电流的数值非常小，称为反向饱和流，反向电流的数值非常小，称为反向饱和电流。电流。 结论：当PN结处于正向偏置时，回路中将产生一个较大的正向电流，PN结处于导通状态；当PN结反向偏置时，回路中的反向电流非常小，几乎等于零，PN结处于截止状态。这就是PN结的单向导电性。 PNPN结具有单向导电性：正向偏置时，结具有单向导电性：正向偏置时， PNP

5、N结导通；反向偏置时，结导通；反向偏置时， PNPN结截止结截止。10.2 晶体管开关特性晶体管开关特性10.2.1 10.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性10.2.2 10.2.2 三极管的开关特性三极管的开关特性10.2.3 10.2.3 加速电容的作用加速电容的作用 10.2 晶体管开关特性在脉冲电路中，二极管和三极管通常作为在脉冲电路中，二极管和三极管通常作为“开关开关”使用。使用。10.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性一、二极管的开关作用一、二极管的开关作用IDI, 0VVVVIR1正向偏置时，正向偏置时， ,相当于开关闭合。相当于开关闭合。2反向偏置时，反向偏置时，

6、I 0,VR 0，相当于开关断开。，相当于开关断开。二、二极管的开关时间 二极管反偏时，从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止二极管反偏时，从原来稳定的导通状态转换为稳定的截止状态所需的时间。状态所需的时间。 例如例如2CK系列硅二极管系列硅二极管tre5ns； 2AK系列锗二极管系列锗二极管 tre150ns2正向开通时间正向开通时间ton ： 二极管正偏时，从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通二极管正偏时，从原来稳定的截止状态转换为稳定的导通状态所需的时间。状态所需的时间。 实验证明二极管正向开通时间远小于反向恢复时间实验证明二极管正向开通时间远小于反向恢复时间,通常因为它对二极管开关速度的

7、影响很小通常因为它对二极管开关速度的影响很小,可以忽略不计。可以忽略不计。所以，二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定。所以，二极管的开关速度主要由反向恢复时间决定。1反向恢复时间反向恢复时间tre ：10.2.1 二极管的开关特性二极管的开关特性10.2.2 三极管的开关特性一、三极管开关作用一、三极管开关作用截止时，相当于开关截止时，相当于开关“断开断开”；等效电路：；等效电路：饱和时，相当于开关饱和时，相当于开关“闭合闭合”。等效电路：。等效电路：结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。结论：三极管相当于一个由基极电流控制的无触点开关。动画动画 三极管开关作用三极管开关作用10

8、.2.2 三极管的开关特性定义：定义：IBS 基极临界饱和电流；基极临界饱和电流；ICS 集电极饱和电流，集电极饱和电流，ICS IBS；VCES 集射极饱和管压降。集射极饱和管压降。若若IB IBS ， 饱和；若饱和；若0 IB IBS ，放大；若，放大；若IB 0 ,截止。截止。由电路得：由电路得：CGCCESGCSRVRVVIIBS ICS/ 则则二、饱和状态的估算二、饱和状态的估算10.2.2 三极管的开关特性三、三极管三种工作状态特点三、三极管三种工作状态特点工作状态工作状态截截 止止放放 大大饱饱 和和CSB0IiCSBIi条条 件件iB 0工工作作特特点点偏置情况偏置情况发射结和

9、集电发射结和集电结均为反偏结均为反偏发射结正偏发射结正偏集电结反偏集电结反偏发射结和集电结均正偏发射结和集电结均正偏集电极电集电极电流流iC0iC iB且不随且不随iB增加而增加增加而增加管压降管压降VCEOVGVCEO = VG iCRcVCES0.3V(硅管硅管)VCES0.1V(锗管锗管)c、e间等间等效电阻效电阻很大，约为数很大，约为数百千欧，相当百千欧，相当于开关断开于开关断开可变可变很小，约为数百欧姆，相很小，约为数百欧姆，相当于开关闭合当于开关闭合10.2.2 三极管的开关特性四、三极管开关时间四、三极管开关时间1开关时间：三极管在截止状态和开关时间：三极管在截止状态和饱和状态之

10、间转换所需的时间。饱和状态之间转换所需的时间。包括：包括：（1）开通时间）开通时间ton 从三极管输从三极管输入开通信号瞬间开始至入开通信号瞬间开始至iC上升到上升到0.9ICS所需的时间。所需的时间。2减少三极管开关时间的办法：接加速电容。减少三极管开关时间的办法：接加速电容。（2）关闭时间）关闭时间toff 从三极管输入关闭信号瞬间开始至从三极管输入关闭信号瞬间开始至iC降低到降低到0.1ICS所需的时间所需的时间。10.2.3 加速电容的作用2原理原理（1）vI 正跳变瞬间，正跳变瞬间，CS视作短路，可提供视作短路，可提供一个很大的正向基极电流一个很大的正向基极电流iB，使，使V迅速进迅速进入饱和状态。随着入饱和状态。随着CS的充电，的充电，iB逐渐减逐渐减小并趋于稳定（由小并趋于稳定（由vI、-vGB、及、及R1、R2决定），此时决定），此时CS相当于开路