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1、上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础14.1 14.1 14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性14.2 PN14.2 PN14.2 PN14.2 PN结结结结及其单向导电性及其单向导电性14.3 14.3 14.3 14.3 二极管二极管二极管二极管14.4 14.4 14.4 14.4 稳压二极管稳压二极管稳压二极管稳压二极管14.5 14.5 14.5 14.5 双极性晶体管双极性晶体管双极性晶体管双极性晶体管14.6 14.6 14.6 14.6 光电器件光电器件光电器件光电器件目目 录录上页上页下页下页返回返回模拟电子技
2、术基础模拟电子技术基础14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的 物质。物质。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性。上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间导电能力介于导体和绝缘体之间最常用的半导体材料最常用的半导体材料物体根据其导电能力（电阻率）分物体根据其导电能力（电阻率）分半导体半导体绝缘体绝缘体导体导体锗锗硅硅半导体的概念：半导体的概念：上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+
3、14284Si硅原子结构示意图硅原子结构示意图+322818Ge锗原子结构示意图锗原子结构示意图4原子结构示意图原子结构示意图+4硅、锗原子的简化模硅、锗原子的简化模型型上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础平面结构平面结构立体结构立体结构+4+4+4+4+4+4+4+4+41. 本征半导体本征半导体本征半导体就是完全纯净的半导体本征半导体就是完全纯净的半导体上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键共价键价电子价电子上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4本征本征半导
4、半导体受体受热或热或光照光照上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础本征本征激发激发产生产生电子电子和空和空穴穴自由电子自由电子空穴空穴+4+4+4+4+4+4+4+4+4上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础电子空穴成对产电子空穴成对产生生+4+4+4+4+4+4+4+4+4上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4电子空穴复合，电子空穴复合，成对消失成对消失上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础电子
5、和空穴产生过程动画演示电子和空穴产生过程动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础 本征激发使空穴和自由电子成对产生。本征激发使空穴和自由电子成对产生。相遇复合时，又成对消失。相遇复合时，又成对消失。 小结小结空穴浓度（空穴浓度（np)=电子浓度电子浓度(nn)温度温度T一定时一定时np nn=K(T)K(T) 与温度有关的常数与温度有关的常数 上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础在在外外电电场场作作用用下下+4+4+4+4+4+4+4+4+4U上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础电子运电子运动形成动形成电子电电子电流流+4+4+4
6、+4+4+4+4+4+4U上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4U上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4U上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4U上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4U上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4U价电子填补空穴价电子填补空穴而使空穴移动，而使空穴移动，形成空穴电流形成空穴电流上页上页下页下页返回返回
7、模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体导电机理动画演示半导体导电机理动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础(1) 在半导体中有两种载流子在半导体中有两种载流子这就是半导体和金属导电原理的这就是半导体和金属导电原理的 本质区别本质区别a. 电阻率大电阻率大(2) 本征半导体的特点本征半导体的特点b. 导电性能随温度变化大导电性能随温度变化大小结小结带正电的空穴带正电的空穴带负电的自由电子带负电的自由电子本征半导体不能在半导体器件中直接使用本征半导体不能在半导体器件中直接使用上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础2掺杂半导体掺杂半导体 在本征半导体硅或锗
8、中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体在本征半导体硅或锗中掺入微量的其它适当元素后所形成的半导体根据掺杂的不同，杂质半导体分为根据掺杂的不同，杂质半导体分为N型导体型导体P型导体型导体(1) N型半导体型半导体 掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体掺入五价杂质元素（如磷、砷）的杂质半导体上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4掺入少量五价杂质元素磷掺入少量五价杂质元素磷P P上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4P P上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础多出一个多
9、出一个电子电子出现了出现了一个正一个正离子离子+4+4+4+4+4+4+4+4P P上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +半导体中产生了大量的自由电子和正离子半导体中产生了大量的自由电子和正离子上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础N型半导体形成过程动画演示型半导体形成过程动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础c. 电子是多数载流子，简称多子电子是多数载流子，简称多子; ;空穴空穴是少数载
10、流是少数载流 子，简称少子。子，简称少子。e. 因因电子电子带负电，称这种半导体为带负电，称这种半导体为N(negative)型或型或 电子电子型半导体。型半导体。f. 因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。因掺入的杂质给出电子，又称之为施主杂质。b. N型半导体中型半导体中产生了大量的产生了大量的( (自由）电子和正离子。自由）电子和正离子。小结小结d. np nn=K(T)a. N型半导体是在本征半导体中型半导体是在本征半导体中掺入少量五价杂质掺入少量五价杂质 元素形成的。元素形成的。上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础(2) P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入三
11、价杂质元素，如硼等。在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼等。B B+4+4+4+4+4+4+4+4+4上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4+4+4+4B B上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础出现出现了一了一个空个空位位+4+4+4+4+4+4B B+4+4上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础+4+4+4+4+4+4B B+4+4负离子负离子空穴空穴上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
12、- - - - - - - - - -半导体中产生了大量的空穴和负离子半导体中产生了大量的空穴和负离子上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础P型半导体的形成过程动画演示型半导体的形成过程动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础c. 空穴空穴是多数载流子是多数载流子, ,电子是少数载流子。电子是少数载流子。e. 因因空穴空穴带正电，称这种半导体为带正电，称这种半导体为P(positive)型或型或 空穴空穴型半导体。型半导体。f. 因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。因掺入的杂质接受电子，故称之为受主杂质。a. P型半导体是在本征半导体中型半导体是在
13、本征半导体中掺入少量的三价掺入少量的三价 杂质元素形成的。杂质元素形成的。b. P型半导体型半导体产生大量的空穴和负离子。产生大量的空穴和负离子。小结小结d. np nn=K(T)上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将当掺入三价元素的密度大于五价元素的密度时，可将N型转为型转为P型；型；杂质半导体的转型杂质半导体的转型当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将当掺入五价元素的密度大于三价元素的密度时，可将P型转为型转为N型。型。上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础N+ + + + + + + + + + +
14、 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +以以N型半导体为基片型半导体为基片通过半导体扩散工艺通过半导体扩散工艺3. PN结的形成结的形成上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础使半导体的一边形成使半导体的一边形成N型区，另一边形成型区，另一边形成P型区。型区。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
15、 + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础(1) 在浓度差的作用下，电子从在浓度差的作用下，电子从 N区向区向P区扩散。区扩散。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
16、- - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础(2) 在浓度差的作用下，空穴从在浓度差的作用下，空穴从 P区向区向N区扩散。区扩散。N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在在浓度差的作用下，两边多子互相扩散。在P
17、区和区和N区交界面上，留下了一层不能移动的正、负区交界面上，留下了一层不能移动的正、负离子。离子。小结小结N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础即即PN结结空间电荷层空间电荷层N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
18、 + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础形成内电场形成内电场内电场方向内电场方向N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页
19、返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础PN结结一方面阻碍多子的扩散一方面阻碍多子的扩散N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础另一方面另一方面加速少子的漂移加速少子的漂移N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
20、+ + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础势垒势垒U0形成电位势垒形成电位势垒N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模
21、拟电子技术基础模拟电子技术基础当扩散与漂移作用平衡时当扩散与漂移作用平衡时a. 流过流过PN结的净电流为零结的净电流为零b. PN结的厚度一定（约几个微米）结的厚度一定（约几个微米）c. 接触电位一定（约零点几伏）接触电位一定（约零点几伏）N+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +- - -P- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础PN结
22、形成过程动画演示结形成过程动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础14.2 PN结的单向导电性结的单向导电性1PN结正向偏置结正向偏置 PN结正向偏置结正向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结P型半型半 导体的一端的电位高于导体的一端的电位高于N型半导体一端型半导体一端的电位时，称的电位时，称PN结正向偏置，简称正偏。结正向偏置，简称正偏。PN结反向偏置结反向偏置 当外加直流电压使当外加直流电压使PN结结N型半导体的一端的电位高于型半导体的一端的电位高于P型半导体一端的型半导体一端的电位时，称电位时，称PN结反向偏置，简称反偏。结反向偏置，简称反偏。上页上页下
23、页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +EPN结正向偏置结正向偏置上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础内电场被削弱内电场被削弱PN结变窄结变窄PN结呈现低阻、导通状态结呈现低阻、导通状态多子进行扩散多子进行扩散- - - - - - -PN+ + + + + +
24、 +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础PN结正偏动画演示结正偏动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础内电场增强内电场增强PN结变宽结变宽PN结呈现高阻、截止状结呈现高阻、截止状态态不利多子扩散不利多子扩散有利少子漂移有利少子漂移2PN结反向偏置结反向偏置 - - - - - - -PN+ +
25、+ + + + +- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础此电流称为此电流称为反向饱和电流，记为反向饱和电流，记为IS。因少子浓度主要与温度有关，反向因少子浓度主要与温度有关，反向电流与反向电压几乎无关。电流与反向电压几乎无关。- - - - - - -PN+ + + + + + +- - - - - - - - - - -
26、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +RSE内内+ + + + + + +E上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础PN结反偏动画演示结反偏动画演示上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础14.3 半导体二极管半导体二极管 半导体二极管的结构和类型半导体二极管的结构和类型 平面型平面型点接触型点接触型引线引线触丝触丝外壳外壳N型锗片型锗片N型硅型硅阳极引线阳极引线PNPN结结阴极引线阴极引线金锑合金金锑合金底座底座铝合金小球
27、铝合金小球上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体二极管的外型和符号半导体二极管的外型和符号正极正极负极负极符号符号外型外型负极负极正极正极上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体二极管的类型半导体二极管的类型(1) 按使用的半导体材料不同分为按使用的半导体材料不同分为(2) 按结构形式不同分为按结构形式不同分为硅管硅管锗管锗管点接触型点接触型平面型平面型上页上页下页下页返回返回模拟电
28、子技术基础模拟电子技术基础3 3 半导体二极管的伏安特性半导体二极管的伏安特性 硅管硅管00. 8反向特性反向特性正向特性正向特性击穿击穿特性特性00. 8反向特性反向特性锗管锗管正向特性正向特性uDiD上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础(1) 近似呈现为指数曲线，即近似呈现为指数曲线，即(2) 有死区有死区（iD0的区域的区域) )1正向特性正向特性死区电压约为死区电压约为硅管硅管0.5 V锗管锗管0.1 VOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础(3) 导通后（即导通后
29、（即uD大于死区电压后）大于死区电压后）管压降管压降uD 约为约为硅管硅管0.60 .8 V锗管锗管0.20.3 V通常近似取通常近似取uD 硅管硅管0.7 V锗管锗管0.2 VOiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD即即 uD略有升高，略有升高， iD急剧急剧增大。增大。上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础2反向特性反向特性 IS=硅管硅管小于小于0.1微安微安锗管几十到几百锗管几十到几百微安微安OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD(1) 当当时，时，。上页上页下页下页返回返回模拟
30、电子技术基础模拟电子技术基础(2) 当当时，时，反向电流急剧增大，反向电流急剧增大，击穿的类型击穿的类型根据击穿可逆性分为根据击穿可逆性分为电击穿电击穿热击穿热击穿二极管发生反向击穿。二极管发生反向击穿。OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础降低反向电压，二极管仍能正常工作。降低反向电压，二极管仍能正常工作。PN结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。结被烧坏，造成二极管永久性的损坏。二极管发生反向击穿后，如果二极管发生反向击穿后，如果a. 功耗功耗PD( = |UDID| )不大不大b. PN结的
31、温度小于允许的最高结温结的温度小于允许的最高结温硅管硅管150200oC锗管锗管75100oC热击穿热击穿电击穿电击穿上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础4 4 温度对半导体二极管特性的影响温度对半导体二极管特性的影响1. 当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。当温度上升时，死区电压、正向管压降降低。uD/ T = （22.5）mV/ C2. 温度升高温度升高，反向饱和电流增大。反向饱和电流增大。即即 温度每升高温度每升高1C，管压降降低，管压降降低（22.5）mV。即即 平均温度每升高平均温度每升高10C，反向饱和电流增大一倍。，反向饱和电流增大一倍。上页上页下页下页返
32、回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础5 半导体二极管的主要电参数半导体二极管的主要电参数1. 额定整流电流额定整流电流IF2. 反向击穿电压反向击穿电压U(BR)管子长期运行所允许通过的电流平均值。管子长期运行所允许通过的电流平均值。 二极管能承受的最高反向电压。二极管能承受的最高反向电压。OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础4. 反向电流反向电流IR3. 最高允许反向工作电压最高允许反向工作电压UR为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。为了确保管子安全工作，所允许的最高反向电压。室
33、温下加上规定的反向电压时测得的电流。室温下加上规定的反向电压时测得的电流。 OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uDUR=（1/22/3）U(BR)上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础5. 正向电压降正向电压降UF6. 最高工作频率最高工作频率fM指通过一定的直流测试电流时的管压降。指通过一定的直流测试电流时的管压降。 fM与结电容有关，与结电容有关，当工作频率超过当工作频率超过fM时，二时，二极管的单向导电性变坏。极管的单向导电性变坏。 OiD正向特性正向特性击穿电压击穿电压死区死区电压电压U(BR)反向特性反向特性uD上页上页下页下页返回返回模拟电子技术基础模拟电子技术基础半导体二极管的应用半导体二极管的应用1 在整流电路中的应用在整流电路中的应用整流整流 将交流电变成直流电的过程将交流电变成直流电的过程整流电路整流电路 完成整流功能的电路完成整流功能的电路常见的整流电路有常见的整流电路有半波整流电路半波整流电路全波整流电路全波整流电路桥式整流电路桥式整流电路
