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1、7.3 半导体二极管 一. 基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型和面接触型两类。点接触型二极管（一般为锗管）如图7-20(a)所示。它的PN结结面积很小（结电容小），因此不能通过较大电流，但其高频性能好，故一般适用于高频和小功率的工作，也用作数字电路中的开关元件。面接触型二极管（一般为硅管）如图7-20(b)所示。它的PN结结面积较大（结电容大），故可通过较大电流（可达上千安培），但其工作频率较低，一般用作整流。图7-20(c) 是二极管的表示符号。二.伏安特性二极管既然是一个PN结，它当然具有单向导电性，其伏安特性曲线如图7-21所示。图7
2、-21 二极管伏安特性可以证明，二极管的理想伏安特性可由下式表示：根据式（7-11），当 时，这是反向饱和电流，由少数载流子的漂移电流构成。这是流过二极管的正向电流，由多数载流子的扩散电流构成。当 时，图7-222CP10硅二极管的伏安特性曲线而当U = 0，I = 0，I扩 = I漂时，是动态平衡状态。三. 实际二极管的伏安特性 图7-22是一个实例。实际二极管伏安特性，有如下特点： 1. 正向电压较小时，存在死区电压（又称 阀值电压，导通电压） 由图可见，当外加正向电压很小时，由于外电场还不能克服 PN结内电场对多数载流子（除 少量能量较大者外）扩散运动的阻力，故正向电流很小，几乎为零。当
3、正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。这个一定数值的正向电压就是死区电压，其大小与材料及环境温度有关。通常，硅管的死区电压约为 0.6V，锗管约为0.2V。2.PN结的反向击穿当反向电压增大到一定值时，PN结的反向电流将随反向电压的增加而急剧增大，这种现象称为PN结的击穿。击穿电压用U(BR)表示。我们注意到，击穿时，虽然反向电流急剧增加，但管压降几乎不变。利用反向击穿时二极管的恒压特性，可以作为稳压 管，它的表示符号如图7-23（a）所示。图7-23 稳压二极管第(11)页例7-3 已知图7-23（b）稳压管应用电路中，稳压管击穿电压（即稳定电压） ，负载电阻 欧姆，限流电
4、阻 欧姆，外加电压10V。求I，IL，IZ。解： （1）（2）（3）四. 二极管的电容特性PN结不仅具有非线性电阻特性，而且具有非线性电容特性。在正向偏压下， PN结呈现的电容称为扩散电容，而在反向偏压下，PN结呈现的电容称为势垒电容。这里，我们讨论势垒电容。图7-24 势垒电容前已论述，在反向偏压时，反向电流几乎为零， PN结可以认为几乎截止， PN结反向电阻近似无穷大。从宏观看， PN结边界两边的基本结构类似于平板电容，这一电容称为势垒电容Cj。势垒电容与反向偏压大小有关，反向偏压越高，空间电荷越多，空间电荷区宽度越大，势垒电容越小。可以证明， PN结势垒电容的表达式为式中， U 外加偏压
5、UB PN 结内建电位差对于硅二极管，UB = 0.6 0.7 VCj(0) 零偏压下的势垒电容。 电容指数，它反映了不同类 型PN 结电容特性的差别。(7-12)图7-25 PN结势垒电容特性图7-26 变容二极管符号图7-25是式（7-12）的曲线。 利用势垒电容可以制成变容二极 管，它的电路符号为图7-26所示。7.4 半导体三极管在一块完整的半导体单晶上制作两个PN结，就获得三极管。一. 基本结构图7-27 半导体三极管的结构工艺第(12)页三极管有两种基本类型：PNP三极管和NPN三极管。它们的结构示意图及电路符号如图7-28所示。对比二极管、三极管虽然仅多了一个PN结，但性能上却有
6、质的飞跃。因为它不仅具有开关作用，而且具有放大信号的功能。图7-28 晶体管结构示意图及电路符号二. 电流分配和放大原理 1. 三极管外部电路连接条件为了使三极管产生放大作用，两个PN结必须加上正确的电压极性，原则是： 发射结（EB结） 正向电压（正向偏压）集电结（CB结） 反向电压（反向偏压）而且一般要求 |U反|U正| 如图7-29所示。图7-29 三极管两个PN结的偏置方法2. 载流子在三极管内的传输过程 以P+NP管为例，载流子的传输经历三个阶段： 注入图7-30 多数载流子的注入由于EB结加有正向偏压UEE，发射区多数载流子（空穴）在正向偏压帮助下大量越过阻挡层扩散到基区，构成IEP
7、；同时基区多数载流子（电子）扩散到发射区，构成IEN，因而发射极电流 上述多数载流子在正向偏压帮助下，越过边界向对方扩散的过程称为注入。所形成的电流就是发射极电流。（注意：电子运动方向与由此引起的电子电流方向相反，图7-30中IEN的箭头方向是代表电子扩散运动的方向。）一般，发射区空穴浓度远大于基区电子浓度（P+N结），所以IEP IEN，使IE IEP另外，CB结加有反向偏压UCC，有一反向饱和电流ICBO流过。IEN与ICBO均不参加载流子在三极管内部的传输过程，而且数值也很小，一般可以忽略。第(13)页 扩散 空穴注入基区后，靠近EB结边界上的基区的空穴浓度大大增加，而其他部分空穴浓度较
8、低，鉴于这种浓度差，空穴就会继续向前扩散，如图7-31所示。图7-31 空穴在基区中的扩散当然，在基区的扩散过程中，也有空穴会与那里的多数载流子电子相遇而被复合。但如果：a. 基区很薄b. 基区电子浓度很低（要求基区施主杂质浓度很低）则这种复合机会将大大减少，以致绝大多数空穴均能经扩散 到达CB结边界。只有少量空穴在基区中与电子复合，不能到达CB结。复合将使基区电子减少，应由外电路补充，形成基极复合电流IBP。 收集空穴到达CB结边界时，遇到CB结强大的电场，此电场的方向对空穴起加速作用，而被“拉”入集电区，构成集电极电流ICP。此过程称为收集。如图7-32所示。结论： . 在P+NP管内，空
9、穴的传输过程包含三个基本环节：注入 扩散（少量被复合） 收集. 载流子传输过程的实现，使输出的集电极电流ICP决定于输入的发射极电流IEP，即ICP IEP图7-32 载流子的收集. 由于IEP受正向偏压影响极大（参阅图7-21），EB结UEB IE IC这种控制作用正是三极管具有放大作用 的根本原因。正向偏压的微小改变将引起正向电流IEP的剧烈改变，于是ICP也跟着剧烈改变。三极管的控制过程表示如下：若用水流比喻，我们可以用图7-33形象化加以理解。图 7-33第(14)页. 电流传输过程能够得以实现的内部原因，完全是由于. 因此 两点是三极管具有放大作用的内部条件。 以上分析过程和结论同样
10、适合N+PN管。基区很薄。 基区掺杂浓度较低。很薄的基区将两个偏置相反的PN结联成一个统一的整体，使该整体具有放大信号的能力，而非两个孤立的二极管。3. 放大信号的原理例7-4 求图7-34电路的交流电压放大倍数。已知UEE = 0.25伏，UCC = 20伏。输入交流信号电压（伏） 集电极回路里接入负载电阻RL = 5K ，发射结的正向特性如图7-35所示。图7-34 放大电路图7-35 EB结伏安特性解：已知Usm=0.05V故 UEB = 0.05V如不加交流输入信号（静态），UEB = UEE = 0.25V根据图7-35，IE = 2mA。iE的变化范围为 iE=1mA 3mA ，由
11、于传输过程的实现，iCiE , 因而 ic 也在1mA 3mA范围内变动，故UEB=0.05V Ic IE = 1mA于是RL上输出交流电压U0= ICRL= 1mA5K = 5V由此求出该放大电路的放大倍数：UEB = 0.2V0.3V加了交流电压后（动态），UEB的变化范围为4. 电流流通情况传输过程讲的是三极管内部主要的电流成份，如果把忽略掉的次要的电流IEN及ICBO也表示在图上，便得图7-36电流流通示意图。图7-36 三极管内电流流通示意图第(15)页由此图可得各电极的电流IE = IEP+IENIC = ICP+ICBO （7-13）IB = IBP+IEN -ICBO三者之间关
12、系IE = IC+IB （7-14）显然，根据二极管正向特性表示式，有（7-15）式中 ， IEBS 是EB结的反向饱和电流。5. 三种连接方式根据输入、输出回路公共端与三极管哪一个电极相联，三极管放大电路可以分成以下三种基本形式，共基极放大电路， 共发射极放大电路以及共集电极放大电路，如图7-37所示。图7-37 三种电路形式. 输入、输出的公共端，往往作为电路中电位的参考点，并接“地”。说明：. 图15-36中暂时没有画出交流信号的输入与输出。. 不同连接方式，电路性能也不同，但均须保证三极管处于放大状态，即满足放大的外部条件：EB结 正向偏置CB结 反向偏置6. 电流分配关系 . 共基极
13、直流电流放大系数定义 （7-16）则 （7-17）注意： 1 。注意到式（7-17），而由式（7-18），于是 （7-22）另外，根据式（15-21），有式中，ICEO=（1+ ）ICBO 称为穿透电流，是基极开路（IB= 0）时的集电极电流。如图7-40所示。图7-40 穿透电流如果忽略ICBO ，式（7-21）变为而 IE=（1+ ）IB （7-25）或 （7-24）用 表示电流分配关系时，可得图7-41所示。以上表明， IB与IC有正比例关系，IB与IE也成正比例。图7-41 电流分配关系说明： 三极管三个电极的电流分配关系，用 或 均能表示，但确定。应用更广泛一些。这两个参数之间的关系
14、由式（7-26） 电流分配关系不随电路连接方式而变。IB，IE, IC 这三个量中只要IB （或IE ）发生改变，其它电流必定随之改变。在共基电路中，可改变输入电流IE使输出电流IC发生改变。在共发电路中，可改变输入电流IB使输出电流IC发生改变。在共集电路中，可改变输入电流IB使输出电流IE发生改变。即（7-26）或改写成（7-27）第(17)页 由于IB 0.3 V 以后，影响较小，对于一般工作于放大状态的三极管总满足条件 UCE 0.3 V ，这时诸输入特性靠得很近，通常只画出一条特性曲线。三极管也有一个死区电压，当UBE小于死区电压时，IB几乎为零，管子接近截止状态，超过死区电压IB（以及IC）明显增加，管子开始明显导通，故死区电压又称导通电压 ，用UBE(on)表示。Si管与Ge管导通电压绝对值范围如下：0.20.3
