第2章半导体二极管及其应用B

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1、精品文档第2章半导体器件基础2.1 教学基本要求主要知识点教学基本要求熟练掌握正确理解一般了解半导体基础知识本征半导体，掺杂半导体VPN结的形成VPN结的单向导电性VPN结的电容效应V半导体二极管二极管的结构及类型V二极管的伏安特性及主要参数VV二极管的应用（整流和限幅）V硅稳压管的伏安特性、主要参数V硅稳压管稳压电路V光电二极管，变容二极管V晶体三极管晶体管的结构及其工作原理V电流分配与放大作用V晶体管的工作原理、伏安特性及主要参数V场效应管场效应管的结构与类型V场效应管的工作原理V场效应管的伏安特性及主要参数V场效应管放大器的结构V2.2 重点和难点一、重点1 .理解PN结的形成和特点。2

2、 .理解PN结的单向导电性、半导体二极管的伏安特性。二、难点1.正确理解PN结的组成及其工作原理。3 .正确理解二极管（包括稳压管）的伏安特性和特点。2.3知识要点什么是半导体N型和P型半导体1 .半导体与PN结PN结的形成PN结的单向导电性IPN结的伏安特性c二极管的结构及分类二极管的伏安特性2 .半导体二极管及其应用主要参数等效电路【二极管的应用稳压二极管3 .特殊二极管发光二极管光电二极管变容二极管广晶体管的结构及类型电流分配及电流放大作用4 .双极型晶体管共发射极特性、工作区域场效应管的结构及类型J场效应管的工作原理5 .结型场效应管转移特性和输出特性MMOS场效应管的结构及类型MOS

3、场效应管的工作原理6 .MOS场效应管转移特性和输出特性lMOS场效应管的使用注意事项2.4主要内容2.4.1 半导体及其特性半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体，典型的半导体材料有硅（Si）、错（Ge）、硒（Se）、神化钱（GaAs）及许多金属氧化物和金属硫化物等。半导体具有以下特性：（1）热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏电阻。（2）光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。（3）杂敏特性：当在纯净的半导体中掺入微量的其它杂质元素（如磷、硼等）时，其导电能力会显著增加，利用这个

4、特性制成半导体器件，如半导体二极管、半导体三极管、场效应管、晶闸管等等。2.4.2 本征半导体1 .本征半导体具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。最常用的半导体材料为硅（Si）和错（Se）。2 .半导体的共价键结构在硅或错的本征半导体中，由于原子排列整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-1所示为硅和错共价键的（平面）示意图。图2-1共价键结构示意图图2-2自由电子和空穴的形成精品文档3 .载流子在绝对零度和未获得外加能量时，半导体不具备导电能力。但由于共价键中的电子为原子核最外层电子，在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易被热激发成为自由电子

5、，如图2-2所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，电子和空穴成对出现，称为载流子。空穴参与导电是半导体导电的特点，也是与导体导电最根本的区别。2.4.3 N型半导体和P型半导体为了提高本征半导体导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为掺杂），形成杂质半导体。1. N型半导体如果在硅或错的本征半导体中掺入微量的5价元素（如磷）后，其自由电子数目远远大于空穴数目，故这种半导体称为N型电子半导体，简称N型半导体。N型半导体中自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），磷原子称为施主杂质。而且多数载流子决定于掺杂浓度，少数载流子取决于温度。2. P型半导体如

6、果在硅或错的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。在P型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴半导体，硼原子称为受主杂质。无论是N型半导体还是 P型半导体，尽管有一种载流子占 多数，但整体上仍然是电中性的。2.4.4 PN结及其单向导电性1. PN结的形成利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或错）上，一边掺杂成N型半导体，一边形成 P型半导体，这样在两种半 导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。由于PN结(a)空穴曼离子正盾子自由电f020哈寸Gl PliN 区be 0 o o ooe Q G e

7、0 e* q * 空血电荀区FE - N 区(c)图2-3 PN结的形成的特殊性质，使得它成为制成各种半导体器件的基础。PN结形成的示意图如图2-3所示。2.工作原理由于两边载流子浓度的差异，P型半导体中的多子”空穴向N型区扩散，而N型半导体中的多子”自由电子向P型区扩散。在多子”扩散到交界面附近时，自由电子和空穴相复合，在交界面附近只留下不能移动的带正负电的离子，形成一空间电荷区并形成的内电场使P区的少子”电子和N区的少子”空穴漂移。扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结就形成了。(a)耗尽所区 一| 一 Nge O O矽OI 101a。oqa。oGDQ七(a)P区PPG O 15a o

8、b耗尽层OO GoeOOO00O0O0600(b)1内电场外 L -1图2-4 PN 结加正向电压时导通(b)图2-5 PN结加反向电压时截止内I隔一 外电场UUoUo U3. PN结的单向导电性1) PN结外加正向电压如图2-4所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的负极，形成较大的扩散电流If,其方向是由P区流向N区，该电流称为正向电流。在一定范围内，随着外加电压的增大正向电流也增大,称之为PN结的正向导通，此时 PN结呈低电阻状态。2) PN结外加反向电压PN结外加反向电压，即 P区接电源的负极、N区接电源的正极，如图 2-5所示。此时即在外电 场的作用下，P区的自由电子向 N区运动，

9、N区的空穴向P区运动，形成反向电流IR,其方向是由N区流向P区。由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，IR为0,此时PN反向截止，呈现高阻状态。阴极总之，当PN结加正向电压时导通，呈低阻态，有较大的正向电(a)二极管的表示符号流流过；当PN结加反向电压时截止，呈高阻态，只有很小的反向电 流(纳安级)流过。PN结的这种特性称为单向导电性。2.5半导体二极管2AP、 2CP1N400僚列2.5.1 二极管的结构、类型及符号2CZ13将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管,也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-6 (a)所示。二

10、极管的外形如图2-6 (b)所示。二极管按材料可分为硅二极管、错二极管、神化钱等；按工艺结构可分为点接触型、面接触型和平面型二极管。点接触型二极管的PN2CZ30(b)几种二极管的外型图2-6半导体二极管结是由一根很细的金属丝和一块半导体通过瞬间大电流熔接在一起形成的，其结面积很小，故不能承受大电流和较高的反向电压，一般用于高频检波和开关电路。面接触型二极管的PN结采用合金法或扩散法形成，其结面积比较大，可以承受大电流。但由于结面积大，其结电容也比较大，故工作频率低，一般用在低频整流电路。2.5.2二极管的伏安特性及主要性能参数2.5.2.1 二极管的伏安特性1 .正向特性：二极管的正向特性对

11、应图2-7曲线的(1)段，此时二极管加正向电压，阳极电位高于阴极电位。当正向电压较小时(小于开启电压)，二极管并不导通。硅材料的二极管开启电压约为0.5V,铸材料的二极管开启电压约为0.1V。当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，此时硅二极管的正向导通压降在0.60.8V,典型值取0.7V;错二极管的正向导通压降在0.10.3V,典型值取0.2V。二极管正向导通时的电流和电压近似满足下式：u/UTiD=IS(e-1)(2-1)式中iD为二极管通过的电流，u为二极管两端的电压；UT为温度电压当量，且Ut=kT/q,其中k为波耳兹曼常数，k=1.3

12、8x10/3J/K,q为电子电荷，q=1.60父10,9C,T为热力学温度，即绝对温度(300K),室温下UT=26mV；Is为二极管的反向饱和电流。2 .反向特性：二极管的反向特性对应图2-7所示曲线的(2)段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。应注意到，硅管的反向电流要比错管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一般小于0.1A,错管约为几个微安。3 .击穿特性：当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反向电流急剧增加，对应图2-7图中的(3)段。由于这一段电流大、电压高，PN结消耗的功率很大，容易使PN结过热烧坏，一般二极管的反向电压在几十伏以上。2.5.2.2主要性能参数1

13、 .额定整流电流If：二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流值。2 .最高反向工作电压Urm：保证二极管不被击穿的最高反向电压。3 .反向饱和漏电流Is：二极管两端加反向电压时流过二极管的电流。4 .直流电阻RD=UD:Rd的几何意义是静态工作点Q点到原点的直线斜率的倒数。1D5 .交流电阻Q=热=包耳：几何意义是二极管伏安特性曲线上Q点处切线斜率的倒数。AiDQ引D|q6 .最高工作频率fmax：二极管正常工作时允许通过交流信号的最高频率。7 .反向恢复时间trr:二极管由导通突然反向时，反向电流由很大衰减到接近IS时所需要的时间。大功率开关管工作在高频开关状态时，反向恢复时间trr是

14、二极管的一项重要指标。2.5.2.3二极管的等效模型及其应用1 .小信号模型当二极管外加正向偏置电压时，可得到其直流工作点Q(Ud，Id),如图2-8(a)所示，称为静态工作点。在此基础上给二极管外加微小变化的信号u=UD,则二极管的电压和电流将在其伏安特性曲线上Q点附近变化，且变化范围较小，可近似认为是在特性曲线的线性范围之内变化，于是用过Q点的切线代替微小变化的曲线，如图2-8a中Q点附近的小直角三角形所示，并由此将工作在低频小信号时的二极管等效成一个动态电阻rd=曳巴，同时用图2-8(a)中的rd表示的模型，0q称为二极管的小信号电路模型。2 .大信号模型二极管在许多情况下都是工作在大信

15、号条件下(如整流二极管、开关二极管等)。在大信号条件下，根据不同的精度要求，二极管可以用折线模型、恒压降模型和理想模型来表示。(1)折线模型图2-8(b)为二极管的折线模型。该模型中考虑了二极管的开启电压Uth,当Ud至U由时二极管才导通，且电流iD与Ud成线性关系，直线的斜率为gd=1心，其中rd=AUd/&D,当UdiDyUd i d+实际；Ud：iu(V)(d)理想模型Ud代表符号图2-8二极管的等效模型及其代表符号2.6特殊半导体二极管2.6.1 稳压管及其应用i / mA稳压管是一种由特殊工艺制成的面接触型硅二极管，其表示符号与伏安特性如图2-9所示。稳压管工作在反向击穿区，并且在一

16、定电流范围内 (iz),稳压管不会损坏。 zs 由于稳压管的击穿是齐纳击穿，故稳压管也称为齐纳二极管。由图2-9 (b)可以看出，稳压管加一定的反向电压击穿后，反向电流在很大范围内变化，管子两端的电压基本(a)保持不变，这就是稳压管之所以稳压的原因。(b)图2-9稳压管的符号及伏安特性(a)符号 (b)伏安特性稳压管的主要参数如下：1 .稳定电压Uz：稳压管正常工作时的反向击穿电压。2 .稳定电流Iz：稳压管工作在稳定电压时的参考电流。3 .最大稳定电流Izm：稳压管在反向工作时的最大稳定电流。4 .最大允许耗散功率 Pzm：是指稳压管的PN结不至于由于结温过高而损坏的最大功率。 U z5 .

17、动态电阻rz =-Z：在稳压工作区域内电压的变化量与电流变化量的比值。 Iz,1 UZ 口一 -6 .电压温度系数 u:是反映稳压管稳定电压T U Z受温度影响的参数。在负载变化不大的场合，稳压管常用来做稳压电源，由于负 载和稳压管并联，又称为并联稳压电源。稳压管在实际工作时要 和电阻相配合使用，其电路如图2-10所示。其中R为限流电阻，使得稳压管的稳定电流在一定范围内，另外也起到电压的调节作用。选择稳压管一般取U z= UoI zm = (1.5 3) Iom aUi = (23) Uo 当负载电阻Rl和输入电压Ui 一定时，电阻R的选择是根据稳压管的电流不超过正常工作范围来图2-10稳压管

18、稳压电路(2-2)选的。稳压管的电流是在Izmin Iz 0,Ubc0;对于PNP管，Ube002 .晶体管内部载流子运动过程发射区的电子向基区运动如图2-14所示。由于发射结外加正向电压，多数载流子不断越过发射结扩散到基区，形成了发射区电流Ien。同时基区的多子一空穴也会向发射区扩散，形成空穴电流IEP。发射区注入到基区的电子在基区的扩散与复合当发射区的电子到达基区后，由于浓度的差异，且基区很薄，电子很快运动到集电结。在扩散过程中有一部分电子与基区的空穴相遇而复合。集电区收集发射区扩散过来的电子由于集电结加反向电压，基区中扩散到集电结边缘的非平衡“少子”电子，在电场力作用下,几乎全部漂移过集

19、电结，到达集电区，形成集电极电流IcN。同时,集电区“少子”空穴和基区本身的“少子”电子，也向对方做漂移运动， 形成反向饱和电流ICBO。Icbo是由“少子”形成的电流,称为集电结 反向饱和电流。3.晶体管的电流分配关系由图2-14可得I B = I BN -1 CBO(2-5)IC - I CN I CBO(2-6)I E - I EN - I BN . I CN(2-7)I E -(IB I CBO ) (IC -I CBO ) - I B I C(2-8)2.8.3晶体管的特性曲线及主要参数1 .晶体管的特性曲线1)输入特性输入特性曲线是指在集射极电压uCE为一定值时,输入基极电流iB与

20、输入基射极电压Ube之间的关系曲线，如图 2-15 (a)所示，即iB = f (UBE )uCE多数(2-9)2 ) 输出特性晶体管输出特性是指当iB为定值时，集电极电流ic与集射极之间电压 Uce的关系曲线，如图2-15 (b)所示，即iC = f (uCE)iB 第数3)工作区域一般将输出特性分成三个区：放大区、饱和区和截止区。放大区晶体管工作在放大区时，其发射结正向偏置,集电结处于反向偏置。(2)饱和区晶体管工作在饱和区时uCE 1V ,此时(2-10)图2-15晶体管的特性曲线发射结正偏，集电结正偏或反偏电压很小。(3)截止区当晶体管工作在截止区时，发射结反偏压或正偏压小于开启电压且

21、集电结反偏置,iCICICEO很小。2.晶体管的主要参数1 .电流放大倍数2 .极间反向电流3 .极限参数/共发射极直流电流放大系数?=1 B共发射极交流电流放大系数=生&BIC，一 一，IC共基极直流电流放大系数反=2I E共集电极直流电流放大系数=IIb集电极一基极之间的反向饱和电流Icbo;集电极一发射极之间的穿透电流I ceo.集电极最大允许电流IcmY 集电极一发射极之间反向击穿电压U(BR)CEOI集电极最大允许功率损耗Pcm2.9结型场效应管(JFET)2.9.1 N沟道结型场效应管1) N沟道结型场效应管的结构结型场效应管的结构示意图及其符号如图2-16所示。(a) N沟道JF

22、ET的结构白(Source)(b) P沟道JFET的结构d gJ- s N沟道图2-16结型场效应管的结构及符号图2-16(a)所示为N沟道JFET的结构示意图。FET也有三个电极，分别称为栅极G、源极S和漏极D。两个PN结之间的N型区域称为N型导电沟道，简称N沟道，其符号如图2-16(C)所示。图2-16(b)所示为P型沟道JFET的结构示意图，其符号如图2-16(c)所示。2) N沟道结型场效应管的工作原理(1) Ugs对导电鲂直和iD的控制作用当UGS=。时，导电沟道未受任何电场的作用，导电沟道最宽，当外加UDS时，iD最大；当UGS由零向负值增大时，在Ugs的反向偏置电压作用下，耗尽层

23、将加宽，导电沟道变窄，沟道电阻增大，外加UDS时，iD将减小；当Ugsl=UGs(off)时，两侧的耗尽层在中间完全合拢，导电沟道被夹断；相应的栅一源极之间的电压称为夹断电压UGS(off)。可见，改变Ugs的大小可以有效控制导电沟道电阻的大小。(2) Uds对导电7道和iD的控制作用当Ugs为某一固定值，且UGS(off)Ugs0时，若Uds=0则ip=0。增大Uds,沟道中的DS之间的电位梯度将发生变化，在电场的作用下导电沟道中形成的沟道电流iD也增大。当UDS增大到UDS=UGSUGS(off),即UGD=UGS-UDS=UGS(off)时，靠近漏极端的耗尽层出现预夹断。这时UDS增大也

24、不会使ip有明显的增大。沟道中相应电位差用夹断电压UGS(off)表示。预夹断处A点的电压UGS(off)与UDS和uGS关系如下uDS=uGS一UGS(off)(2-11)3)结型场效应管的特性曲线1 .输出特性曲线N沟道结型场效应管的输出特性曲线是指当栅源电压Ugs一定时，FET漏极电流ip与漏源电压Uds之间的关系曲线，用函数关系表示为iD=f(Ups)uGS多数(2-12)JFET的输出特性曲线也分为几个区域，其曲线如表2-1所示。7)可变电阻区。2)放大区。3)击穿区。D截止区。2 .转移特性曲线转移特性是指在漏源电压Uds为某一常数时，Ugs与iD之间的关系曲线，即iD=f(UGS

25、)uDS重数(2-13)由于输出特性和转移特性都是用来描述 FET 接从输出特性上通过作图法求得。在U GS(即U GS(th)，uds较大时出现夹断，id趋于饱和变量时，漏极电流iD随栅源电压Ugs变化的关系曲线。漏极电流iD的近似表达式为u2iD=IDO(-1)(UGSUGS(th)(2-15)UGS(th)式中，1口0是“$=2UGS(th)时的漏极电流iD2)N沟道耗尽型MOSFET1.N沟道耗尽型MOSFET的结构N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图如图2-19(a)所示。耗尽型MOSFET的符号如图2-19(b)所示。N沟道耗尽型MOSFET的结构与增强型MOSFET结构相似，不同

26、之处在于N沟道耗尽型MOSFET在制造过程中在栅源之间的$。2中注入一些离子(图中2-19中用午”表示)，使漏源之间的导电沟道在Ugs=0时导电沟道就已经存在了，这一沟道称为初始沟道。因此称为N沟道耗尽型MOSFET。由于Ugs=0时就存在初始导电沟道，所以只要加上Uds就能形成漏极电流ip。2.N沟道耗尽型MOSFET的特性曲线N沟道耗尽型MOSFET的漏极电流可近似表示为uGS2iD=IDSS(1-)UGS(off)(UGs(off)-Ugs-。)P有耗尽层P衬底(2-16)式中IDSS是UGS=。时的漏极电流。卜寸底B(a)N沟道耗尽型MOSFET的结构示意图(b)耗尽型MOSFET的符

27、号图2-19耗尽型MOSFET的结构及其符号表2-1各种场效应管特性比较P沟道J耗F尽E型T增N强沟型道MOS管耗JId；,mAuDSB.115VD1D212V(c)3 k15V12V(b)总厂D26V12V(d)解：二极管的导通与截止判断，可采用反 证法来进行，即：先假设二极管处于反偏 截止状态，则a)图所示的环路中无电流， 若取O点为参 考零电位，那么A点电位为Ua = -12V ,A二极管的正向端(P区)电位为-6V , 所以二极管正偏，这与假设矛盾，所以假 设不成立，二极管应处于正偏导通的状态， 且Uao =-6V ;b)二极管处于反偏截止状态，且 Uao = -12 V ；c)根据优

28、先导通原则， 即当多个二极管共精品文档34d) D1、D2 均截止，Uao =T2V5V Md10kR阴或共阳连接时，阳极和阴极之间电位差大的二极管优先导通。有D1导通、D2截止，UAO=0V；10kQO1I_11XUi5V-IQk口口 U)/V5 *5ui/V酶8fflA2-5电路如图2-57所示，二极管是理想的，5=25sindV:1）画出该电路的传输特性；2）画出输出电压波形。解：理想二极管的传输特性为：当ui之5V时，右边的二极管导通，uo=5十ui父10=2.5+0.5ui;io1010i当Ui5V时，左边的二极管导通，uo=_5+ui（一（父10=-2.5+0.5ui；1010当5

29、Vui45V时，两个二极管都截止，uo=ui。故其电压传输特性如题2-5图答案所示。分析讨论：(i)Ui5V时，uo=ui；(ii) uiA5V时,u-5V11u”5Vui=-ui2.5V25sint2.5V222冗当研=一时，uo=12.5V+2.5V=15V达到正向最值；2(iii) ui5V时，uo=125sincot2.5V2,3二，一，一-当R=时，uo=-12.5V-2.5V=15V达到负向最值;2题2-5电压传输波形图JI/2+12V R 1 3.9 k i !Uf2-6如图2-58所示，求出下列几种情况下 的输出电压Uo（设二极管为理想器件）。1） U A =U B =0 ；2

30、） Ua =3V、Ub =0;3） Ua =Ub =3V。解：由优先导通的原则，有：R口I M 1门+DZ+ui 4V Iuo(a)豆5 _t UoT 4V(c)题2-7图Uo_RQ4V -(b)CZbR-一D2ui2V(d)KZD2 丁 + UoT 4V画出输出电压波形如下：(1) Di、D2都导通，则Uo=0V;(2) Di截止、D2导通，则Uo=0V;(3) Di、D2都导通，则Uo=3V；2-7在图2-59所示的各限幅电路中，设二极管为理想器件，已知口=6sincotV,试画出输出电压uo的波形。解：(a)当打之一4V时，二极管截止，uo=Ui;当UiXV时，二极管导通，uo=KV。+6V兀产兀-4VVV-6V-(b)当Uj之一4V时，二极管截止，uo=14V；当ui