电路和电路元件

1、电路和电路元件第一页，共113页。1.4 电子器件 1.4.1 半导体的导电特性 1.4.2 杂质半导体 1.4.3 PN 结及其单向导电性 第一章 电路和电路元件 1.4.4 半导体二极管 1.4.5 双极型晶体管1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管 2第二页，共113页。半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、耗电少等特点，是组成各种电子电路的核心器件，在当今的电子技术中占有主导地位。因此，了解半导体器件是学习电子技术的基础。 1.4 电子器件 引言GaAs-AlGaAs 谐振腔发光二极管Ge二极管Si二极管 3第三页，共113页。半导体器件具有体积小、重量轻、使用寿命长、耗电少等特点，是组

2、成各种电子电路的核心器件，在当今的电子技术中占有主导地位。因此，了解半导体器件是学习电子技术的基础。 1.4 电子器件 引言GaAs-AlGaAs 谐振腔发光二极管Ge二极管Si二极管 4第四页，共113页。1.4.1 半导体物理基础知识依照导电性能，可以把媒质分为导体、绝缘体和半导体。 导体有良好的导电能力，常见的有铜、铝等金属材料； 绝缘体基本上不能导电，常见的有玻璃、陶瓷等材料； 半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间，常见的有硅(Si)、 锗(Ge)、砷化镓(GaAs)等材料。媒质半导体的导电能力会随温度、光照的变化或因掺入某些杂质而发生显著变化，这些特点决定了半导体在电子线路中的广泛用

3、途。铜导线(左上)、玻璃绝缘体(左下)和硅晶体(上)1.4 电子器件 5第五页，共113页。1.4.1 半导体的导电特性一、本征半导体 指纯单晶，理想化的。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。结构： GeSi1.4 电子器件 6第六页，共113页。A、纯B、单晶 只有一种元素，没有杂质的东西（材料）常用Si 溶化后结晶，晶体的形状结构相同。 特征： 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子 共价键：共价键就是相邻两个原子中的价电子为共用电子对而形成的相互作用力。1.4 电子器件 7

4、第七页，共113页。硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。1.4 电子器件 8第八页，共113页。 辐射方法 加热 本征半导体导电性能比金属导体差很多。但它具有热敏、 光敏的特性。 如何导电？ 强能量的量子撞击共价键? 光照是一般采用的方法。 分子振动 破坏结构电子掉下来，引起自由电子空穴动画1.4 电子器件 9第九页，共113页。 几个概念（1）本征激发：当本征半导体的温度升高或受到光照时，某些共价

5、键中的价电子从外界获得能量而挣脱共价键的束缚，离开原子而成为自由电子的同时，在共价键中会留下数量相同的空位子空穴。这种现象称为本征激发。本征激发形成: 电子 - 空穴对（2）自由电子：价电子获得外部能量后挣脱共价键的束缚成为自由电子，带负电荷。（3）空 穴：价电子成为自由电子后在共价键中留下的空位，带正电荷。（4）电子-空穴对：本征激发形成电子-空穴对。1.4 电子器件 10第十页，共113页。（5）漂移电流： 自由电子在电场作用下定向运动形成的电流称为漂移电流。（6）空穴电流： 空穴在电场作用下定向运动形成的电流称为空穴电流。 因为 相对于电子电流，价电子填补空穴的运动相当于带正电荷的空穴在

6、与价电子运动相反的方向运动，因而空穴相对来说带正电荷，故其运动形成空穴电流。（7）复 合： 自由电子在热运动过程中和空穴相遇而释放能量，造成电子-空穴对消失，这一过程称为复合。 1.4 电子器件 11第十一页，共113页。本征半导体的导电机理： 当本征半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流，即自由电子定向运动产生的电子电流和价电子递补空穴形成的空穴电流。自由电子和空穴成对产生的同时又不断复合，在一定的温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡。 本征半导体中载流子的数目很少，其导电能力很弱。12第十二页，共113页。结论 一般来说： 本征半导体，在热力学温度T=0k（开尔文）和没有外界

7、影响如：光照、加热、外加电场等的条件下，其价电子均被束缚在共价键中，不存在自由运动的电子，所以不带电。1.4 电子器件 13第十三页，共113页。 在半导体中存在两种载流子（运动电荷的载体）即：自由电子带负电 ； 空 穴带正电 。 在电场作用下，电子的运动将形成电子电流，而空穴的运动则形成空穴电流，在同一电场作用下，两种载流子的运动方向相反，是因为它们所带的电荷极性也相反，所以两种电流的实际方向是相同的。电子电流与空穴电流的总和即半导体中的电流。14第十四页，共113页。当本征激发和复合处于平衡时，本征载流子的浓度为从上式可知，本征载流子浓度ni与温度有关，能随温度升高而迅速增大，这一点在今后

8、的学习中非常重要。 注意：ni的数值虽然很大，但它仅占原子密度很小的百分数，比如：硅的原子密度为 4.961022cm-3 因此，nisi仅为它的三万亿分之一，可见本征半导体的导电能力是很低的（本征硅的电阻率约为2.2105cm）。 15第十五页，共113页。杂质半导体：掺杂后的半导体，包括N型半导体和P型半导体。N型半导体：在本征半导体中掺入五价元素(磷、砷、锑)等，每个杂质原子(施主原子)提供一个自由电子，从而大量增加自由电子数量。P型半导体：在本征半导体中掺入三价元素(硼、铝、铟)等，每个杂质原子(受主原子)提供一个空穴，从而大量增加空穴数量。N型半导体中自由电子浓度远大于空穴浓度，为多

9、数载流子(多子)，空穴为少数载流子(少子)。P型半导体中空穴浓度远大于自由电子浓度，为多数载流子(多子)，自由电子为少数载流子(少子)。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由电子 +4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴1.4 电子器件 1.4.2 半导体物理基础知识-杂质半导体16第十六页，共113页。1.4 电子器件 杂质半导体的示意表示法：P 型半导体+N 型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。17第十七页，共113页。结论 不论P型或N型半导体，掺杂越多，掺杂浓度越大，多子数目就越多，多子浓度就越大，少

10、子数目越少，其浓度也小。 掺杂后，多子浓度都将远大于少子浓度，且即使是少量掺杂，载流子都会有几个数量级的增加，表明其导电能力显著增大。 在杂质半导体中，多子浓度近似等于掺杂浓度，其值与温度几乎无关，而少子浓度也将随温度升高而显著增大，直到少子浓度增大与多子浓度相当（不绝对相等），杂质半导体又回复到类似的本征半导体。18第十八页，共113页。 注意： 在今后的分析中，我们会遇到这样的问题：少子浓度的温度敏感特性是导致半导体器件温度特性变差的主要原因。 而掺入不同的杂质，就能改变杂质半导体的导电类型，这也是制造PN结和半导体器件的一种主要方法。19第十九页，共113页。本节小结 1、半导体的导电能

11、力介于导体与绝缘体之间。 2、在一定温度下，本征半导体因本征激发而产生自由电子和空穴对，故其有一定的导电能力。 3、本征半导体的导电能力主要由温度决定；杂质半导体的导电能力主要由所掺杂质的浓度决定。 4、P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。N型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。 5、半导体的导电能力与温度、光强、杂质浓度和材料性质有关。20第二十页，共113页。思考题：1. 电子导电与空穴导电有什么区别？空穴电流是不是自由电子递补空穴所形成的？2.杂质半导体中的多数载流子和少数载流子是怎么产生的？3.N型半导体中的自由电子多于空穴，P型半导体中的空穴多于自由电子，是否N型半导体带负电，P

12、型半导体带正电？21第二十一页，共113页。P型半导体和N型半导体有机地结合在一起时，因为P区一侧空穴多，N区一侧电子多，所以在它们的界面处存在空穴和电子的浓度差。于是P区中的空穴会向N区扩散，并在N区被电子复合。而N区中的电子也会向P区扩散，并在P区被空穴复合。这样在P区和N区分别留下了不能移动的受主负离子和施主正离子。上述过程如图(a)所示。结果在界面的两侧形成了由等量正、负离子组成的空间电荷区，如图(b)所示。 P ( a ) N ( b ) U - - - - - - - - - - - - - - - + + + +P N - - - - - - - - - - - - - - -

13、+空间电荷区 内电场 B PN结的形成1.4.3 PN结及其单向导电性1.4 电子器件 PN结形成时，其内部载流子的运动主要是由于浓度差引起的，22第二十二页，共113页。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力所抵消，使扩散和漂移运动达到动态平衡。这时，虽然扩散和漂移仍在不断进行，但通过界面的净载流子数为零。平衡时，空间电荷区的宽度一定，UB也保持一定，如图(b)所示。 由于空间电荷区内没有载流子，所以空间电荷区也称为耗尽区(层)。又因为

14、空间电荷区的内电场对扩散有阻挡作用，好像壁垒一样，所以又称它为阻挡区或势垒区。 1.4.3 PN结及其单向导电性1.4 电子器件 23第二十三页，共113页。几个重要概念： 扩散运动 P型和N型半导体结合在一起时，由于交界面（接触界）两侧多子和少子的浓度有很大差别，N区的电子必然向P区运动，P区的空穴也向N区运动，这种由于浓度差而引起的运动称为扩散运动。 漂移运动 在扩散运动同时，PN结构内部形成电荷区，（或称阻挡层，耗尽区等），在空间电荷区在内部形成电场的作用下，少子会定向运动产生漂移，即N区空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移。24第二十四页，共113页。 空间电荷区 在PN结的交界面附近

15、，由于扩散运动使电子与空穴复合，多子的浓度下降，则在P 区和N区分别出现了由不能移动的带电离子构成的区域，这就是空间电荷区，又称为阻挡层，耗尽层，垫垒区。 内部电场由空间电荷区（即PN结的交界面两侧的带有相反极性的离子电荷）将形成由N区指向P区的电场E，这一内部电场的作用是阻挡多子的扩散，加速少子的漂移。 耗尽层在无外电场或外激发因素时，PN结处于动态平衡没有电流，内部电场E为恒定值，这时空间电荷区内没有载流子，故称为耗尽层。25第二十五页，共113页。PN结内部载流子的运动过程如下：（无外加电场作用时） N 区电子P 区 IDPN结两端掺杂浓度不均 扩散运动 P 区空穴N 区 P 区：电子

16、与空穴复合 空间电荷区宽复合 N 区：空穴 与电子复合 内部电场Uho P 区电子 N区空间电荷区窄 漂移 少子的漂移运动 N 区空穴 P区内部电场Uho 26第二十六页，共113页。 扩散 ID=IT 是动态平衡 趋于平衡 电场 扩散电流 ID 等于漂移电流 IT 流过空间电荷区的总电流为 0 即：PN 结中的净电流为 0。 结论： 在无外激发因素（光照、加热、电场作用）时，PN结内部的扩散与漂移运动达到动态平衡，扩散电流 ID = 漂移电流 IT，但方向相反，故此时PN结中无电流通过，形成一定的宽度的耗尽层。27第二十七页，共113页。使P区电位高于N区电位的接法，称PN结加正向电压或正向

17、偏置(简称正偏)，如图1-9所示。 +内电场 U U B U R E 图19 正向偏置的PN结 P N - - - - - - - - - - - - - - - +耗尽区 使P区电位低于N区电位的接法，称PN结加反向电压或反向偏置(简称反偏)，如图1-10所示。 图110 反向偏置的PN结 内电场 U U B U R E P N - - - - - - - - - - - - - - - +耗尽区 1.4.3 PN结单向导电特性1.4 电子器件 28第二十八页，共113页。理论分析证明，流过PN结的电流i与外加电压u之间的关系为 式中， IS为反向饱和电流，其大小与PN结的材料、制作工艺、温

18、度等有关；UT=kT/q，称为温度的电压当量或热电压。在T=300K(室温)时， UT =26mV。这是一个今后常用的参数。1.4 电子器件 1.4.3 PN结单向导电特性29第二十九页，共113页。由式可知，加正向电压时，u只要大于UT几倍以上，iIseu/UT，即i随u呈指数规律变化；加反向电压时，|u|只要大于UT几倍以上，则iIS(负号表示与正向参考电流方向相反)。因此，式(14)的结果与上述的结论完全一致。由式(14)可画出PN结的伏安特性曲线，如图所示。图中还画出了反向电压大到一定值时，反向电流突然增大的情况。 u i 0 T T U BR PN结的伏安特性 1.4 电子器件 1.

19、4.3 PN结单向导电特性30第三十页，共113页。UI死区电压 硅管0.6V,锗管0.2V。导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压UBR PN结的伏安特性 31第三十一页，共113页。 一、PN结的击穿特性 由图111看出，当反向电压超过UBR后稍有增加时，反向电流会急剧增大，这种现象称为PN结击穿，并定义UBR为PN结的击穿电压。PN结发生反向击穿的机理可以分为两种。 1 雪崩击穿 在轻掺杂的PN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。当反向电压大到一定值时，在耗尽区内被加速而获得高能的少子，会与中性原子的价电子相碰撞，将其撞出共

20、价键，产生电子、空穴对。新产生的电子、空穴被强电场加速后，又会撞出新的电子、空穴对。 2 齐纳击穿 在重掺杂的PN结中，耗尽区很窄，所以不大的反向电压就能在耗尽区内形成很强的电场。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，产生大量电子、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。一般来说，对硅材料的PN结，UBR7V时为雪崩击穿； UBR 5V时为齐纳击穿； UBR介于57V时，两种击穿都有。 1.4 电子器件 1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性32第三十二页，共113页。二、PN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

21、两部分组成。 1 势垒电容 从PN结的结构看，在导电性能较好的P区和N区之间，夹着一层高阻的耗尽区，这与平板电容器相似。当外加电压增大时，多子被推向耗尽区，使正、负离子减少，相当于存贮的电荷量减少；当外加电压减小时，多子被推离耗尽区，使正、负离子增多，相当于存贮的电荷量增加。 因此，耗尽区中存贮的电荷量将随外加电压的变化而改变。这一特性正是电容效应，并称为势垒电容，用CT表示。经推导，CT可表示为 1.4 电子器件 1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性33第三十三页，共113页。(15) 式中：CT0为外加电压u=0时的CT值，它由PN结的结构、掺杂浓度等决定；UB为内建电位差；n为变容

22、指数，与PN结的制作工艺有关，一般在1/36之间。 2 扩散电容 正向偏置的PN结，由于多子扩散，会形成一种特殊形式的电容效应。下面利用图1-12中P区一侧载流子的浓度分布曲线来说明。 1.4 电子器件 1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性34第三十四页，共113页。 同理，在N区一侧，非平衡空穴的浓度也有类似的分布和同样的变化，引起存贮电荷的增加量Qp。这种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CD表示。 如果引起Qn, Qp的电压变化量为u，则 (16) 对PN+结，可以忽略Qp/u项。经理论分析可得1.4 电子器件 1.4.3 半导体物理基础知

23、识-PN结特性35第三十五页，共113页。 式中：n为P区非平衡电子的平均命；I为PN结电流，由式(14)确 由式(15)、(16)可知，CT、CD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。 由于CT和CD均等效地并接在PN结上，因而，PN结上的总电容Cj为两者之和，即Cj= CT + CD 。正偏时以CD为主， Cj CD ，其值通常为几十至几百pF；反偏时以CT为主， Cj CT,其值通常为几至几十pF。因为CT和CD并不大，所以在高频工作时，才考虑它们的影响。1.4 电子器件 1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性36第三十六页，共113页。 三、 PN结的温度

24、特性 PN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，如图111中虚线所示。具体变化规律是：保持正向电流不变时，温度每升高1，结电压减小约22.5mV，即 u/T-(22.5)mV/ (17) 温度每升高10，反向饱和电流IS增大一倍。如果温度为T1时， IS =IS1；温度为T2时， IS =IS2，则 (18) 当温度升高到一定程度时，由本征激发产生的少子浓度有可能超过掺杂浓度，使杂质半导体变得与本征半导体一样，这时PN结就不存在了。因此，为了保证PN结正常工作，它的最高工作温度有一个限制，对硅材料约为(150200)，对锗材料约为(75100)。

25、1.4 电子器件 1.4.3 半导体物理基础知识-PN结特性37第三十七页，共113页。结论PN 结具有单向导电性： 正偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。38第三十八页，共113页。PN 结的伏安特性反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数Ou /VI /mA正向特性反向击穿当 T = 300(27C)：UT = 26 mViIS加正向电压时加反向电压时39第三十九页，共113页。晶体二极管是由PN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图1-13(a),(b)所示。符号中，接到P型区的引线称为正极(或阳极)，接到N型区的引线称为负极(或阴极

26、)。 利用PN结的特性，可以制作多种不同功能的晶体二极管，例如普通二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管等。其中，具有单向导电特性的普通二极管应用最广。本节主要讨论普通二极管及其基本应用电路。另外，简要介绍稳压二极管及其稳压电路。 P N 正极 负极 ( a ) 负极 正极 ( b ) 图113 晶体二极管结构示意图及电路符号(a)结构示意图；(b)电路符号1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管40第四十页，共113页。1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管41第四十一页，共113页。普通二极管的典型伏安特性曲线如图114所示。实际二极管由于引线的接触电阻、P区和N区体电阻以及表面

27、漏电流等影响，其伏安特性与PN结的伏安特性略有差异。由图可以看出，实际二极管的伏安特性有如下特点： 一、正向特性 正向电压只有超过某一数值时，才有明显的正向电流。这一电压称为导通电压或死区电压，用UD(on)表示。室温下，硅管的UD(on) =(0.50.6)V，锗管的 UD(on) =(0.10.2)V。 二、反向特性 于表面漏电流影响，二极管的反向电流要比理想PN结的IS大得多。而且反向电压加大时，反向电流也略有增大。尽管如此，对于小功率二极管，其反向电流仍很小，硅管一般小于0.1A，锗管小于几十微安。u / V 0 i / mA 10 20 30 5 10 0. 5 0.5 图114 二

28、极管伏安特性曲线1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-伏安特性42第四十二页，共113页。1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-伏安特性伏安特性（VAR）： 与PN结的VAR差不多，二极管的VAR也服从PN结方程 ： I = IS (eU/UT -1) 其他特性： 由于一只二极管就是一个PN结，故二极管的特性与PN结的特性差不多，也同样具有： 单向导电性、温度特性、反向击穿特性43第四十三页，共113页。下面介绍晶体二极管的主要参数及其意义： 一、直流电阻RD RD定义为：二极管两端所加直流电压UD与流过它的直流电流ID之比，即 RD不是恒定值，正向的RD随工作电流增大而减小，反向

29、的RD随反向电压增大而增大。 RD的几何意义见图115(a)，即Q(ID,UD)点到原点直线斜率的倒数。显然，图中Q1点处的RD小于Q2点处的RD 。 (19) 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-参数44第四十四页，共113页。二、交流电阻rD rD定义为：二极管在其工作状态(IDQ,UDQ)处的电压微变量与电流微变量之比，即(110) rD的几何意义见图115(b)，即二极管伏安特性曲线上Q(IDQ,UDQ)点处切线斜率的倒数。 rD可以通过对式(14)求导得出，即 (111) 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-参数45第四十五页，共113页。 可见rD与工作电流IDQ成

30、反比，并与温度有关。室温条件下(T=300K): 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，同一点处交流和直流电阻也不相同。 (112) 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-参数46第四十六页，共113页。0 U D u I D D u ( a ) i Q 1 Q 2 0 u ( b ) i Q i 图115二极管电阻的几何意义 (a)直流电阻RD； (b)交流电阻rD1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-参数47第四十七页，共113页。三、最大整流电流IF IF指二极管允许通过的最大正

31、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。 四、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，超过此值容易发生反向击穿。通常取UBR的一半作为URM 。 五、反向电流IR IR指二极管未击穿时的反向电流。 IR越小，单向导电性能越好。IR与温度密切相关，使用时应注意IR的温度条件。 六、最高工作频率fM fM是与结电容有关的参数。工作频率超过fM时，二极管的单向导电性能变坏。 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-参数48第四十八页，共113页。1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管-参数二极管的选择 要求导通电压低时选锗管，要求反向电流小时选硅

32、管。 要求导通电流大时选平面型，要求反向工作频率高时选点接触型。 要求反向击穿电压高时选硅管； 要求耐高温时选硅管。49第四十九页，共113页。50第五十页，共113页。稳压二极管是利用PN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，主要用于稳压电路。 一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图121所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗

33、相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。 ( a ) u i 0 I Zmin I Zmax U Z ( b ) 图1-21 稳压二极管及其特性曲线 (a)电路符号；(b) 伏安特性曲线1.4 电子器件 1.4.4 半导体稳压二极管51第五十一页，共113页。二、稳压二极管的主要参数 1.稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管， UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。 2.额定功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。 PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许超过此值。 1.

34、4 电子器件 1.4.4 半导体稳压二极管52第五十二页，共113页。3.稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax =PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。 4.动态电阻rZ rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。 rZ随工作电流增大而减小。 rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。 5.温度系数 是反映稳定电压值受温度影

35、响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常， UZ 7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数)；而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小1.4 电子器件 1.4.4 半导体稳压二极管53第五十三页，共113页。三、稳压二极管稳压电路 稳压二极管稳压电路如图122所示。图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。R为限流电阻，RL为负载。 V Z U i U o R R L I L I Z 图122稳压二极管稳压电路 1.4 电子器件 1.4.4 半导体稳压二极管54第五十四页，共113页。 下面来说明限流电阻R的选择方法。由图121可知，当Ui,RL变化时，IZ应始终满足

36、Izmin IZRmax的结果，则说明在给定条件下，已超出了VZ管的稳压工作范围。这时，需要改变使用条件或重新选择大容量稳压二极管，以满足Rmin Rmax 。 55第五十五页，共113页。使用稳压二极管要注意：1、稳压二极管几乎都是硅管；2、连接电路时应反接；+-3、稳压管需串入一个电阻。该电阻的作用一是限流，保护稳压管；二是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。VC56第五十六页，共113页。1.4 电子器件 负载电阻 。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。uoiZDZRiLiuiRL稳压管的技术参

37、数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。方程11.4.4 稳压二极管的应用举例57第五十七页，共113页。1.4 电子器件 1.4.4 稳压二极管的应用举例令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：58第五十八页，共113页。二极管的最重要的应用是作为“开关”。由此而引申出来的有整流、限幅及电平选择等诸多方面的应用。在任何应用电路中，最核心的问题是如何判断二极管是处于导通或是截止状态。如果是导通的，二极管即可视为短路或0.7V(锗材料为0.3V)，反之，是截止的，即

38、可视为为开路。 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管应用59第五十九页，共113页。一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图117(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。其输入、输出波形见图117(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管应用60第六十页，共113页。t t u o 0 u i 0 ( b ) V u i u o R L ( a ) 图117二极管

39、半波整流电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系 1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管应用61第六十一页，共113页。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变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。限幅电路的传输特性如图118所示 .u i 0 U IL u o U omax U omin U IH 图118 限幅电路的传输特性1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管应用62第六十二页，共113页。 一个简单的上限幅电路如图119(a)所示。利用图116(c)的二极管模型可知，当uiE+UD(on)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui

40、的最大电压限制在2.7V上；当ui 2.7V时，V截止，二极管支路开路， uo = ui 。图119(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。可见，上限幅电路将输入信号中高出2.7V的部分削平了。 t V u i u o R ( a ) E 2V u i / V 0 ( b ) 5 5 t u o / V 0 5 2.7 图119二极管上限幅电路及波形 (a)电路； (b)输入、输出波形关系1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管应用63第六十三页，共113页。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，称为电平选择电路。一种二极管低电平选择电路如图120

41、(a)所示。设两路输入信号u1, u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能导通，但实际上若u1 u2 ，则V1导通后将把uo限制在低电平u1上，使V2截止。反之，若u2 u1 ，则V2导通，使V1截止。只有当u1 = u2时， V1, V2才能都导通。 可见，该电路能选出任意时刻两路信号中的低电平信号。图120(b)画出了当u1, u2为方波时，输出端选出的低电平波形。如果把高于2.3V的电平当作高电平，并作为逻辑1，把低于0.7V的电平当作低电平，并作为逻辑0，由图120(b)可知，输出与输入之间是逻辑与的关系。因此，当输入为数字量时，该电路也称为与门电路。 1.4 电子器件 1.4.4 半

42、导体二极管应用64第六十四页，共113页。V 1 u 1 u o ( a ) V 2 E R u 2 t t t ( b ) u o / V 0 3.7 u 1 V 3 0 u 2 / V 3 0 0.7 图120二极管低电平选择电路及波形 (a)电路；(b)输入、输出波形关系1.4 电子器件 1.4.4 半导体二极管应用65第六十五页，共113页。例试判断图中二极管是导通还是截止？并求出AO两端电压A0。设二极管为理想的。解： 分析方法 ：（1）将D1、D2从电路中断开，分别出D1、D2两端的电压；（2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。若两管都承受正向电压，则正

43、向电压大的管子优先导通，然后再按以上方法分析其它管子的工作情况。本题中：12=12V，34=12+4=16V，所以D2优先导通，此时，12=-4V，所以D1管子截止。A0 = -4V。66第六十六页，共113页。 一、变容二极管 如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图123所示。变容二极管的结电容与外加反向电压的关系由式(15)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。图123变容二极管符号1.4 电子器件 1.4.4 其他二极管简介67第六十七页，共113页。 二、

44、肖特基二极管 当金属与N型半导体接触时，在其交界面处会形成势垒区，利用该势垒制作的二极管，称为肖特基二极管或表面势垒二极管。它的原理结构图和对应的电路符号如图124所示。 N 型 半导体 ( a ) 金属 ( b ) 图124 肖特基二极管结构与符号 (a)结构示意图；(b)电路符号+ + + + + + + + + + + + 1.4 电子器件 1.4.4 其他二极管简介68第六十八页，共113页。 三、 光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图125示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光

45、照区的电极为后级。前级 后级 图125 光电二极管符号 1.4 电子器件 1.4.4 其他二极管简介69第六十九页，共113页。1N型半导体和P型半导体是本征半导体分别加入五价元素和三价元素的杂质半导体。N型半导体中，电子是多子而空穴是少子；P型半导体中，空穴是多子而电子是少子。多子浓度由掺杂浓度决定，少子浓度很小且随温度的变化而变化。 2P型和N型半导体结合，在交界面处形成PN结。PN结是构成半导体器件的基本单元，它具有单向导电特性、击穿特性和电容特性。 3晶体二极管由PN结构成。大信号运用时表现为开关特性，即正偏时导通，反偏时截止。理想情况下，相当于开关闭合与断开。二极管的主要应用电路有整

46、流、限幅及电平选择等。 4 利用PN结的击穿特性可制作稳压二极管。用稳压二极管构成稳压电路时，首先应保证稳压管反向击穿，另外必须串接限流电阻。当输入电压波动或负载电阻改变时，稳压二极管通过调整自身电流的大小以维持其端电压基本稳定。1.4 电子器件 1.4.4 小结70第七十页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极性晶体管双极型晶体管是由三层杂质半导体构成的器件。它有三个电极，所以又称为半导体三极管、晶体三极管等，以后我们统称为晶体管。2907A PNP双极性晶体管 大功率达林顿晶体管100 GHz 铟磷/钐铟砷异质结双极性晶体管的电子扫描显微图片71第七十一页，共113页。1.4 电

47、子器件 1.4.5 双极型晶体管-结构 晶体管的原理结构如图21(a)所示。由图可见，组成晶体管的三层杂质半导体是N型P型N型结构，所以称为NPN管。 P 集电极 基极 发射极 集电结 发射结 发射区 集电区 ( a ) NPN c e b PNP c e b b 基区 e c ( b ) N 衬底 N 型外延 P N c e b SiO 2 绝缘层 集电结 基区 发射区 发射结 集电区 ( c ) N N 图21晶体管的结构与符号 (a)NPN管的示意图；(b)电路符号； (c)平面管结构剖面图72第七十二页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-工作原理 当晶体管处在发射

48、结正偏、集电结反偏的放大状态下，管内载流子的运动情况可用图2-2说明。我们按传输顺序分以下几个过程进行描述。 图22 晶体管内载流子的运动和各极电流c I C e I E N P N I B R C U CC U BB R B I CBO 15V b I BN I EP I EN I CN 73第七十三页，共113页。 （1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子 ，形成了扩散电流IEN 。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。 （2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以

49、基极电流I B I BN 。大部分到达了集电区的边缘。1BJT内部的载流子传输过程74第七十四页，共113页。（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成ICN 。 另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。75第七十五页，共113页。2电流分配关系三个电极上的电流关系:76第七十六页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-工作原理小结1. 在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化2. 晶体管放大的外部条件发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置3. 放大作用的内部条件基区很薄且掺杂浓度很低。77第七十七页，共113页。1.4 电子器

50、件 1.4.5 双极型晶体管-伏安特性 三极管的伏安特性反映了三极管电极之间电压和电流的关系。要正确使用三极管必须了解其伏安特性。 输入特性 输出特性78第七十八页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-输入特性 三极管的输入特性是在三极管的集电极与发射极之间加一定电压，即：UCE=常数时，基极电流IB和基极与发射极之间的电压UBE之间的关系。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V与二极管正向特性一致。79第七十九页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-输入特性放大状态时，硅NPN管UBE=

51、0.60.7V；锗PNP管UBE = 0.2 0.3V。 对硅管来说，当 UCE 1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流，但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。(当UCE更小， IB才会明显增加)硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.2V。00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V80第八十页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-输出特性输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输

52、出特性曲线是一组曲线(见下图)。81第八十一页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-输出特性 当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，当UCE继续增加时， IC 的增加将不再明显。这是晶体管的恒流特性。 当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB 增加得更明显。这是晶体管的电流放大作用。通常将晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：82第八十二页，共113页。1.4 电子器件 (1) 放大区特性曲线进于水平的区域。在放大区，也称线性区。此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。(2) 截止区IB=0曲线以下的区域。 IB=0时IC= ICEO。对于硅管当UBE

53、0.5V时即开始截止。为了可靠截止常使UBE0。 (3) 饱和区当UCE U(BR)CEO时，ICEO突变，晶体管会被击穿损坏。93第九十三页，共113页。1.4 电子器件 1.4.5 双极型晶体管-主要参数集电极最大允许耗散功率 PCMIC流经集电结时将产生热量使结温上升，从而引起晶体管参数的变化。在参数变化不超过允许值时集电极所消耗的功率称为PCM。因此PCM主要受结温T j制约。94第九十四页，共113页。95半导体三极管的型号第二位：A锗PNP管、B锗NPN管、 C硅PNP管、D硅NPN管 第三位：X低频小功率管、D低频大功率管、 G高频小功率管、A高频大功率管、K开关管用字母表示材料

54、用字母表示器件的种类用数字表示同种器件型号的序号用字母表示同一型号中的不同规格三极管国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：3DG110B第九十五页，共113页。1：EMITTER 2： BASE 3：COLLECTOR96第九十六页，共113页。1.4 电子器件 1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理场效应管是利用电场效应来控制半导体中的载流子，使流过半导体内的电流大小随电场强弱的改变而变化的电压控制电流的放大器件。其英文名称为：Metal Oxide Semiconductor Filed Effect Transistor，缩写为MOSFET 场效应管是的外型与晶体管（三极管）相

55、似，但它除了具有三极管的一切优点以外，还具有如下特点：97第九十七页，共113页。1.4 电子器件 1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理栅极P型硅衬底源极漏极衬底结构图 它是以块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用 金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）。S 源极B 衬底D 漏极G栅极符号图98第九十八页，共113页。1.4 电子器件 1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理基本上不需要信号源提供电流输入阻抗很高（可达1091015）受温度和辐射等外界因素影响小，

56、制造工艺简单、便于集成化等；只有多数载流子参与导电，所以又称其为单极性晶体管99第九十九页，共113页。1.4 电子器件 1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理场效应管的分类按封装形式分：塑料封装和金属封装按功率大小分：小功率、中功率和大功率按频率特性分：低频管、中频管和高频管按结构特点分：结型（JFET）和绝缘栅型（IGFET）按导电沟道的不同还可分为：N沟道和P沟道，而绝缘栅型又可细分为N沟道增强型和耗尽型，P沟道增强型和耗尽型两种。100第一百页，共113页。1.4 电子器件 1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理N沟道增强型绝缘栅场效应管结构及符号 它是以块掺杂浓度较低的P型硅半导体作为衬底、利用扩散的方法在其上形成两个高掺杂的N+型区，同时在P型硅表面生成一层二氧化硅绝缘层。并用 金属导线引出三个电极，分别作为源极(S)、漏极(D)和栅极（G）。栅极P型硅衬底源极漏极衬底 结构图S 源极B 衬底D 漏极G栅极符号图101第一百零一页，共113页。1.4 电子器件 1.4.6 绝缘栅型场效应晶体管-结构工作原理绝缘栅场效应管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。N沟道增强型绝缘栅场效应管工作原理1.UGS=0时，没有导电沟道102第一百零二页，共113页。1.4 电