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1、第1章 半导体二极管及应用电路 本课程的主要内容第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路 第第2 2章章 双极型三极管及其放大电路双极型三极管及其放大电路 第第3 3章章 场效应管及其放大电路场效应管及其放大电路 第第4 4章章 放大电路的频率响应放大电路的频率响应 第第5 5章章 功率放大电路功率放大电路 第第6 6章章 集成运算放大器集成运算放大器 第第7 7章章 负反馈放大电路负反馈放大电路 第第8 8章章 信号的运算、测量及处理电路信号的运算、测量及处理电路 第第9 9章章 波形发生及变换电路波形发生及变换电路 第第1010章章 直流电源直流电源 电气与电子工程学院
2、第1章 半导体二极管及应用电路第第1 1章章 半导体二极管及应用电路半导体二极管及应用电路1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.2 PN1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性 1.3 1.3 二极管二极管1.4 1.4 特殊二极管特殊二极管 电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电特性本征半导体及其导电特性1.1.2 N1.1.2 N型半导体型半导体1.1.3 P1.1.3 P型半导体型半导体电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路1.1 1.1 半导体的导电特性半导体的导
3、电特性1. 导体：电阻率 109 cm 物质。如橡胶、塑料等。3. 半导体：导电性能介于导体和半导体之间的物质。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物。通常情况下纯净半导体的导电能力较差，但随着外界条件改变，其导电能力会有较大改变 电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路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，利用这个特性可制成热敏元件。 (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。 (3)掺杂特性：在纯净的半导体中掺入某种微量的杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。利 用这种特性就做成了各种不同用途的半导
4、体器件。 电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路1.1.1 1.1.1 本征半导体及其导电特性本征半导体及其导电特性 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。GeSi电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院硅和锗的晶体结构4 价元素的原子常常用+ 4 电荷的正离子和周围 4个价电子表示。+4简化模型电子器件所用的半导体具有晶体结构，因此把半导 体也称为晶体。第1章 半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4完全纯净的、不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体。 将硅或锗材料提纯便形成单晶体，它的原子
5、结构为共价键结构。价电子共价键在绝对0度（T=0K），价电子被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能 力为0，相当于绝缘体。第1章 半导体二极管及应用电路+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴当温度升高或受光照时 ，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下 一个空位空穴。T 自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路第1章 半导体二极管及应用电路第1章 半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院1. 半导体中两种载流子带负电的自由电子带正电的空穴
6、2. 本征半导体中，自由电子和空穴总是成对出现，称为 电子 - 空穴对。3. 本征半导体中自由电子的浓度等于空穴的浓度4. 由于物质的运动，自由电子和空穴不断的产生又不断的复合。在一定的温度下，产生与复合运动会达到平衡，载流子的浓度就一定了。5. 载流子的浓度与温度密切相关，它随着温度的升高，基本按指数规律增加。第1章 半导体二极管及应用电路1.1.2 N1.1.2 N型半导体型半导体 杂质半导体有两种N 型半导体P 型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价杂质元素，如磷、锑、砷等，即构成 N 型半导体(或称电子型半导体)。常用的 5 价杂质元素有磷、锑、砷等。在本征半导体中掺入某些微量的杂
7、质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院本征半导体掺入 5 价元素后，原来晶体中的某些硅原子将被杂质原子代替。杂质原子最外层有 5 个价电子，其中 4 个与硅构成共价键，多余一个电子只受自身原子核吸引，在室温下即可成为自由电子。+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由电子施主原子电子称为多数载流子空穴称为少数载流子5 价杂质原子称为施主原子。第1章 半导体二极管及应用电路1.1.3 P1.1.3 P型半导体型半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价杂质元素，如 硼、镓、铟等，即构成 P 型
8、半导体。+3空穴浓度多于电子 浓度，即 p n。空穴为多数载流子，电子为 少数载流子。3 价杂质原子称为受主原子。受主 原子空穴空穴电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路说明：1. 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度；温度决定少数载流子的浓度。3. 杂质半导体总体上保持电中性。4. 杂质半导体的表示方法如下图所示。2. 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体，因而其导电能力大大改善。(a)N 型半导体(b) P 型半导体第1章 半导体二极管及应用电路 1.2 PN1.2 PN结的形成及特性结的形成及特性1.2.1 PN1.2.1 PN结的形成结的形成在一块半导体单晶上一侧掺杂成为
9、P 型半导体，另一侧掺杂成为 N 型半导体，两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 PNPN结PN 结的形成 电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路一、 PN 结中载流子的运动耗尽层 空间电荷区PN1. 扩散运动2. 扩散运动形成空间电荷区电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动。 PN 结，耗尽层。PN第1章 半导体二极管及应用电路3. 空间电荷区产生内电场PN空间电荷区内电场 UD空间电荷区正负离子之间电位差 UD 电位壁垒； 内电场；内电场阻止多子的扩散 阻挡层。4. 漂移运动内电场有利 于少子运动漂 移。少子的运动 与多子运动方向 相反阻挡层第1章 半导体二
10、极管及应用电路5. 扩散与漂移的动态平衡扩散运动使空间电荷区增大，扩散电流逐渐减小；随着内电场的增强，漂移运动逐渐增加；当扩散电流与漂移电流相等时，PN 结总的电流空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米；等于零，空间电荷区的宽度达到稳定。即扩散运动与漂移运动达到动态平衡。电压壁垒 UD，硅材料约为(0.6 0.8) V, 锗材料约为(0.2 0.3) V。电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路总结: 在一块本征半导体在两侧通过扩散不 同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。因浓度差空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散 最后,多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。多
11、子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区第1章 半导体二极管及应用电路1.2.2 PN1.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1. PN 1. PN 外加正向电压外加正向电压又称正向偏置，简称正偏。外电场方向内电场方向空间电荷区VRI空间电荷区变窄，有利 于扩散运动，电路中有 较大的正向电流。PN电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路形成正向电流多子向PN结移动空间电荷变窄内电场减弱扩散运动大于漂移运动PN结在外加正向电压时的情况外加电场与内电场方向相反，削减内电场的作用电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路在 PN 结加上一个很小的正向电压，即可得到较大的正向电流，为防
12、止电流过大，可接入电阻 R。2. PN 2. PN 结外加反向电压结外加反向电压( (反偏反偏) )反向接法时，外电场与内电场的方向一致，增强了内电场的作用；外电场使空间电荷区变宽；不利于扩散运动，有利于漂移运动，漂移电流大于扩 散电流，电路中产生反向电流 I ；由于少数载流子浓度很低，反向电流数值非常小。第1章 半导体二极管及应用电路空间电荷区反相偏置的PN结反向电流又称反向饱和电流。对温度十分敏感，随 着温度升高， IS 将急剧增大。PN外电场方向内电场方向VRIS第1章 半导体二极管及应用电路形成反向电流多子背离 PN结移动空间电荷区变 宽,内电场增强漂移运动大于扩散运动PN结的外加反向
13、电压时的情况外加电场与内电场方向一致，增强内电场的作用第1章 半导体二极管及应用电路综上所述：当 PN 结正向偏置时，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，回路中反向电流非常小，几乎等于零， PN 结处于截止状态。 可见， PN 结具有单向导电性。电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路1.2.3 PN1.2.3 PN结的电容效应结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定。 一是势垒电容CT ,二是扩散电容CD1. 势垒电容CT势垒电容是由空间电荷区的离子薄层形成的。势垒电容示意图第1章 半导体二极管及应用电路扩散电容是由多子
14、扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来 的电子就堆积在 P 区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。2.扩散电容CD反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路扩散电容示意图当外加正向电压不同，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。 所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不同，这就相当电容的充放电过程。势垒电容和扩散电容均是非线性电容。第1章 半导体二极管及应用电路势垒、扩散电容都与结面积S成正比点接触二极管的结面积很
15、小，CT、CD都很小，只有0.5几pF。面结合型二极管中的整流管，因结面积大，CT、CD约在几pF200pF。在等效电路中，CT和CD是并联的，总的结电容为两者之和，即 C=CT+CD。当PN结正偏时，扩散电容起主要作用，CCD，当PN结反偏时，势垒电容起主要作用，CCT。电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路1.3 1.3 二极管二极管1.1.3.1 3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构1 1.3.2 .3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性1.3.3 1.3.3 二极管的参数、型号及选择二极管的参数、型号及选择 1.3.4 1.3.4 二极管的分析方法二极管的分析方法1.3
16、.5 1.3.5 二极管的应用二极管的应用 电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路1.1.3.1 3.1 二极管的基本结构二极管的基本结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三 大类。(1) 点接触型二极管PN结面积小，结 电容小，用于检波和变 频等高频电路。(a)点接触型 二极管的结构示意图电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路(3)平面型二极管往往用于集成电路制 造工艺中。PN 结面积可大 可小，用于高频整流和开 关电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，用 于工频大电流整流电 路。(b)面接触型(c)平面型(4) 二极管的代表符号电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路半导体二极管图片电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应用电路电气与电子工程学院第1章 半导体二极管及应
