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1、1.1半导体的根本知识半导体的根本知识为什么研讨半导体？ 电子电路任务的中心器件是晶体管，而晶体管是由半导体资料构成的。 学习本章需掌握半导体的外部特学习本章需掌握半导体的外部特性和主要参数；了解半导体中载流子性和主要参数；了解半导体中载流子的运动及半导体二极管的内部任务原的运动及半导体二极管的内部任务原理。理。1.1.1 半导体的导电特性 一、半导体： 导电性能介于导体与绝缘体之间的物质。 单质半导体：碳(C)、硅(Si)、锗(Ge) 化合物半导体：磷化镓、砷化镓、磷砷化镓等本征半导体：99.9999999% 纯度的具有晶体构造的半导体 “九个九物质按照其原子陈列特点可分为：晶体：原子、分子
2、完全按照严厉的周期性反复陈列的物质称为晶体，原子呈无序陈列的叫做非晶体，介于这两者之间的叫做准晶体。 晶格：晶体中的原子在空间构成陈列整齐的点阵，称为晶格。大多数半导体器件所大多数半导体器件所用主要资料是硅和锗用主要资料是硅和锗化学元素周期表化学元素周期表钻石构造从本征从本征Si构造上分析其导电性构造上分析其导电性硅晶体的立体构造硅晶体的立体构造共价键共价键Covalence Bond在本征半在本征半在本征半在本征半导导体中，由于晶体中共价体中，由于晶体中共价体中，由于晶体中共价体中，由于晶体中共价键键的的的的结结合力很合力很合力很合力很强强，经过经过研研研研讨发讨发如今如今如今如今热热力学温
3、度零度即力学温度零度即力学温度零度即力学温度零度即T = 0 K T = 0 K 时时，价价价价电电子的能量缺乏以子的能量缺乏以子的能量缺乏以子的能量缺乏以挣挣脱共价脱共价脱共价脱共价键键的束的束的束的束缚缚，晶体中不存在可以晶体中不存在可以晶体中不存在可以晶体中不存在可以导电导电的的的的载载流子，流子，流子，流子，半半半半导导体不能体不能体不能体不能导电导电，好像，好像，好像，好像绝缘绝缘体一体一体一体一样样。图图1.1.1 本征半导体平面构造表示图本征半导体平面构造表示图本征激发和复合的过程本征半导体的激发与复合本征半导体的激发与复合激激发：半：半导体受外界要素体受外界要素(例如温度、光照
4、、例如温度、光照、电场等等)的影响，的影响， 产生生“电子子空穴空穴对的的过程。程。复合：复合：电子空穴子空穴对消逝的消逝的过程。程。特点：特点：a. 激激发构成两种构成两种载流子：自在流子：自在电子与空穴。子与空穴。b. 自在电子数自在电子数 = 空穴数。空穴数。c. 两种载流子参与导电。两种载流子参与导电。d. 导电性能与激发要素导电性能与激发要素(温度、光照有很大关系。温度、光照有很大关系。图图1.1.3 N型半导体型半导体二、杂质半导体导电二、杂质半导体导电才干的可控性才干的可控性经过分散工艺，在本征半导经过分散工艺，在本征半导体中掺入少量适宜的杂质体中掺入少量适宜的杂质元素元素,得到
5、杂质半导体。得到杂质半导体。N型半导体型半导体在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入5价价P元素，构成元素，构成N型半导体。型半导体。特点：自在电子的数目远远特点：自在电子的数目远远大于空穴的数目，称为多子；大于空穴的数目，称为多子；空穴称为少子。空穴称为少子。在本征半导体中掺入在本征半导体中掺入3价价B元素，构成元素，构成P型半型半导体。导体。特点：空穴的数目远远大特点：空穴的数目远远大于自在电子的数目，称为于自在电子的数目，称为多子；自在电子称为少子。多子；自在电子称为少子。P型半导体型半导体图图1.1.4 P型半导体型半导体在在在在杂质杂质半半半半导导体中：体中：体中：体中：杂质浓杂质浓度
6、不度不度不度不应应破坏半破坏半破坏半破坏半导导体的晶体构造，体的晶体构造，体的晶体构造，体的晶体构造，多数多数多数多数载载流子的流子的流子的流子的浓浓度主要取决于度主要取决于度主要取决于度主要取决于掺掺入入入入杂质杂质的的的的浓浓度；度；度；度；而少数而少数而少数而少数载载流子的流子的流子的流子的浓浓度主要取决于温度。度主要取决于温度。度主要取决于温度。度主要取决于温度。杂质杂质半半半半导导体的体的体的体的优优点：点：点：点：掺掺入不同性入不同性入不同性入不同性质质、不同、不同、不同、不同浓浓度的度的度的度的杂质杂质，可控制它的，可控制它的，可控制它的，可控制它的导电导电性能。另外光照、温度等
7、外界要素也可以改性能。另外光照、温度等外界要素也可以改性能。另外光照、温度等外界要素也可以改性能。另外光照、温度等外界要素也可以改动动其其其其导导电电性能。性能。性能。性能。这这就是就是就是就是为为什么什么什么什么选选半半半半导导体作体作体作体作为为制造晶体管制造晶体管制造晶体管制造晶体管资资料的料的料的料的缘缘由。由。由。由。总结总结 硅多用于制造敏感元件，例如光敏电阻、热敏电阻等，可以把非电物理量例如光照强度、温度转换为电量例如电阻、电压、电流。光敏电阻的运用举例傻瓜相机小小 结 本本讲主要引主要引见了以下半了以下半导体的根本概念：体的根本概念： 本征半本征半导体体 激激发、复合、空穴、复
8、合、空穴、载流子流子 杂质半半导体体 P P型半型半导体和体和N N型半型半导体体1.1.2 PN结及其单导游电性一、 PN结的构成二、 PN结的单导游电性一、 PN结的构成 在一块本征半导体在两侧经过分散不同的杂质,分别构成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上构成如下物理过程: 因浓度差 多子的分散运动由杂质离子构成空间电荷区 空间电荷区构成内电场 内电场促使少子漂移 内电场阻止多子分散 最后,多子的分散和少子的漂移到达动态平衡。对于 P型半导体和N型 半导体结合面， 离子薄层构成的 空间电荷区称为 PN结。在空间电 荷区，由于短少 多子，所以也称 耗尽层。 图0
9、1.06 PN结的构成过程 动画1-1 PN 结构成的过程可参阅右图二、 PN结的单导游电性 假设外加电压使PN结中： P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏； P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。 、 PN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，减弱了内电场。于是,内电场对多子分散运动的妨碍减弱，分散电流加大。分散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，PN结导通呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如以下图所示。 动画1-2PN结加正向电压时的导电情况 、 PN结加反向电压时的导电
10、结加反向电压时的导电情况情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向一样，加强了内电场。内电场对多子分散运动的妨碍加强，分散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下构成的漂移电流大于分散电流，可忽略分散电流，PN结截止呈现高电阻性。 PN结加反向电压时的导电情况如下页图所示。PN结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下，由本征激发决议的少子浓度是一定的，故少子构成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。 PN结加正向电压时，呈现低电阻，具有较大的正向分散电流；PN结加反向电压时，呈现高电阻，具有很小的反向漂移电流。由此可
11、以得出结论：PN结具有单导游电特性。 动画1-3PN结加反向电压时的导电情况PN结单导游电性的特点结单导游电性的特点1.正导游通、反向截止；正导游通、反向截止；2.正向电阻小、反向电阻大；正向电阻小、反向电阻大；3.正向电流大、反向电流小；正向电流大、反向电流小； 导通电压导通电压Von硅资料为硅资料为0.60.8V左右；左右；锗资料为锗资料为0.20.3V左右。左右。1.2 半导体二极管1.2.1二极管的构造类型1.2.2二极管的伏安特性1.2.3 二极管的参数1.2.4 二极管的运用二极管实物照片1.2.1 二极管的构造类型二极管构成二极管构成 在在PN结上加上引上加上引线和封和封装，就成
12、装，就成为一个二极管一个二极管(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，只允许流过几十毫安电流，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 二极管按资料分：硅二极管和锗二极管。按构造分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的构造表示图如下所示。二极管分类二极管分类(c)平面型(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。电流较大。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。电流可达几安到几十安。(b)面接触型(d)二极管的符号k k阴极阴极阳极阳极a a(4) 二极管的符号二极管的构造表示图303020201010I/
13、mAI/mAUD/VUD/V0.5 1.0 1.5 0.5 1.0 1.5 20 1020 102 24 4-I/-I/O O正向特性正向特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性+ +- -UDUDI I1.2.2 二极管的伏安特性及等效电路一、二极管的伏安特性一、二极管的伏安特性图1.2.2二极管的伏安特性当正向当正向电压超越死区超越死区电压后，后，二极管二极管导通通,电流与流与电压关系近似指数关系。关系近似指数关系。硅二极管硅二极管硅二极管硅二极管为为0.7 V0.7 V左右左右左右左右锗锗二极管二极管二极管二极管为为0.2 V0.2 V左右左右左右左右死区死区死区死区电压电压
14、正向特性正向特性正向特性正向特性0.5 1.0 1.50.5 1.0 1.5101020203030U/VU/VI/mAI/mA0 0 二极管正向特性曲二极管正向特性曲二极管正向特性曲二极管正向特性曲线线硅二极管硅二极管硅二极管硅二极管为为0.5 V0.5 V左右左右左右左右锗锗二极管二极管二极管二极管为为0.1 V0.1 V左右左右左右左右死区死区电压：导通通压降：降： 正向特性正向特性正向特性正向特性ISIS反向特性反向特性反向特性反向特性UBUBR R结论：二极管具有：二极管具有单导游游电性，正性，正导游通，反向截止。游通，反向截止。二极管方程：二极管方程：反向反向反向反向饱饱和和和和电
15、电流流流流反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压反向击穿电压假假假假设设|U| |U| UTUT那么那么那么那么 I I - IS - IS 式中：式中： IS为反向反向饱和和电流流 UT 是温度是温度电压当量，当量， 常温下常温下UT近似近似为26mV。 反向特性反向特性反向特性反向特性-2-2-4-4-I/A-I/AI/mAI/mAU/VU/V-20 -10-20 -100 0假假假假设设U UT U UT 那么那么那么那么反偏反偏时，反向，反向电流流值很小，很小，反向反向电阻很大，阻很大，反向反向电压超越超越UBR那么被那么被击穿。穿。思索思索题 能否允能否允许将将1.5V的干的干电池以正
16、向接法接至二极管的两端？池以正向接法接至二极管的两端？为什么？什么？答：不允答：不允许。这将将导致二极管致二极管烧毁或或电池短路池短路损坏。坏。 由由PN结伏安特性式伏安特性式计算可知：当算可知：当 UD=1.5V 时， ID IS1.141025A这时，即使，即使IS很小，例如很小，例如 nA 数量数量级10-9 A，有：有： ID 10-9 1.141025 = 1.141016 A根据根据计算，干算，干电池池输出功率将到达：出功率将到达： P = UI = 1.5V 1.141016 A=1.711016 W= 1.71 亿亿 W 这显然是不能然是不能够的。后果必然是：或者的。后果必然是
17、：或者烧毁二极管，或者使二极管，或者使电池短路池短路损坏。因此坏。因此应制止将二极管直接与制止将二极管直接与电池相池相连。1理想模型理想模型图图1.2.3a 二极管的理想等效模型二极管的理想等效模型二、二极管的等效电路一、由伏安特性线性化得到的等效模型电路一、由伏安特性线性化得到的等效模型电路(a) uD 0，二极管导通；，二极管导通；u D 0.7 V，二极管，二极管导通；导通；uD 0.7 V，二极管截止。，二极管截止。1.2.3 二极管的参数 (1) 最大整流电流IF二极管长期延续工作时，允许经过二极管的最大正向电流的平均值。(2) 反向击穿电压VBR和最大反向任务电压VR 二极管反向电
18、流急剧添加时对应的反向电压值称为反向击穿电压VBR。 为平安计，在实践任务时，最大反向任务电压VR普通只按反向击穿电压VBR的一半计算。 (3) 反向电流IR (4) 正向压降VF 在室温下，在规定的反向电压下，普通是最大反向任务电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流普通在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅二极管的正向压降在中等电流程度下，约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。(5)*最高任最高任务频率率fM ：如何用万用表的：如何用万用表的“ 档来区分一只档来区分一只二极管的阳极、阴极以及二极管的好坏？二极管的阳极、阴极以及二极管
19、的好坏？思索题思索题半导体二极管的型号国家规范对半导体器件型号的命名举例如下： 例例例例1.2.11.2.1知知知知uI = Umsin t uI = Umsin t ，画出，画出，画出，画出uOuO和和和和uDuD的波形的波形的波形的波形VDVDR R+ +- -+ +- -uIuIu uO O+ +- -uDuDi iO OU UmmttuouoO Ottu uD DO OuIuI0 0 时时二极管二极管二极管二极管导导通，通，通，通，uO = uI uD = 0uO = uI uD = 0uI uI 0 0 时时二极管截止，二极管截止，二极管截止，二极管截止，uD = uI uO = 0
20、uD = uI uO = 0- -UmUmi io oU Ummttu uI IO O1.2.4二极管的运用整流、限幅、开关1二极管整流电路二极管整流电路V VVDVDV VS SV VVDVDV VS S正向偏置，相当于开封正向偏置，相当于开封正向偏置，相当于开封正向偏置，相当于开封锁锁合。合。合。合。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。反向偏置，相当于开关断开。2 二极管开关电路二极管开关电路3二极管限幅电路二极管限幅电路ID+vo-R 10K +vi 例例1.2.2 电路图电路图VREF 例例1.2.2 如图如图1.2.10 所示电路。所示电路。
21、试画出试画出VREF分别为分别为0、5V时的波时的波形。其中形。其中vi=10sin tV。1稳压二极管的伏安特稳压二极管的伏安特性性 稳定电压稳定电压VZ 稳定电流稳定电流IZ IZmin 、IZmax 额定功耗额定功耗PZM 动态电阻动态电阻rZ 温度系数温度系数图图1.3.1 稳压管的稳压管的 伏安特性伏安特性2稳压二极管的主要参稳压二极管的主要参数数 利用二极管反向击穿特利用二极管反向击穿特性实现稳压。稳压二极管稳性实现稳压。稳压二极管稳压时任务在反向电击穿形状。压时任务在反向电击穿形状。其伏安特性如图其伏安特性如图1.3.1所示。所示。1.3 .1稳压二极管1.3 特殊用途二极管1.
22、稳定定电压UZ ：稳压管任管任务在反向在反向击穿区穿区2. 时的任的任务电压。3.2. 稳定定电流流IZ ：稳压管正常任管正常任务时的参考的参考电流。流。4.3. 动态内阻内阻rZ ：稳压管两端管两端电压和和电流的流的变化量化量之比。之比。5. rZ= U / I6.4. 电压的温度系数的温度系数U：稳压管管电流不流不变时，7.环境温度境温度对稳定定电压的影响。的影响。8.5. 额定功耗定功耗PZ ：电流流流流过稳压管管时耗耗费的功率。的功率。运用稳压管组成稳压电路时的本卷须知：运用稳压管组成稳压电路时的本卷须知：U UO ORLRLVDVDZ ZR RUIUII IR RIOIOIZIZ+
23、+ +- - - 稳压稳压管管管管电电路路路路1.稳压管必需任管必需任务在在反向反向击穿区。穿区。2.稳压管管应与与负载RL并并联。3.必需串必需串联一一电阻阻进展限流，以展限流，以维护稳压管。管。任务原理：当输入电压或负载电流变化时，经过该电任务原理：当输入电压或负载电流变化时，经过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调理稳压管的任阻上电压降的变化，取出误差信号以调理稳压管的任务电流，从而起到稳压作用。务电流，从而起到稳压作用。图图1.3.2 稳压管稳压电路稳压管稳压电路 例例131* 在在图1211所示所示稳压管管稳压电路中，知路中，知稳压管的管的稳定定电压Uz=6V，最小，最小稳定定电流
24、流Izm=5mA，最大，最大稳定定电流流IZmax=25mA；负载电阻阻RL=600。求解限流。求解限流电阻阻R的取的取值范范围。3稳压二极管构成的稳压稳压二极管构成的稳压电路电路解：从图解：从图1.2.11所示电路可知，所示电路可知，R上电流上电流IR等于稳压管中等于稳压管中电流电流IDZ 和负载电流和负载电流IL之和，即之和，即 :IDZ=525mA限流限流电阻阻R的取的取值范范围为114227。例例 电路如下路如下图，知，知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 对应UZ= 0.3
25、V。求求rZ ，选择限流限流电阻阻RU UO ORLRLVDVDZ ZR RUIUII IR RIOIOIZIZ+ + +- - -+ +- -UZUZ解：解：解：解：IZ =IR - IZ =IR - IOIO= =UI - UZUI - UZR R-UZUZRLRLIZmax IZmax UImax - UZUImax - UZR R- -UZUZRLmaxRLmaxIZmin IZmin UImin - UZUImin - UZR R- -UZUZRLminRLminrZ =rZ =IZIZUZUZ= 6.7= 6.715 - 615 - 650 +50 +6 61 1k=161k=16
26、1R R R R10 - 610 - 65 +5 +6 60.60.6k=267k=267IZ = IZmax - IZmin = 45 IZ = IZmax - IZmin = 45 mAmAU UO ORLRLVDVDZ ZR RUIUII IR RIOIOIZIZ+ + +- - -+ +- -UZUZ 例例:设计如下图稳压管稳压电设计如下图稳压管稳压电路，知路，知VO=6V， 输入电压输入电压VI 动动摇摇10%， RLmin=1k 。稳压管稳压电路稳压管稳压电路解：解：1选择选择DZ ：查手册，选择查手册，选择DZ 为为2CW13，VZ =(56.5V) ， IZmax=38mA,
27、IZmin=5mA2选择限流电阻选择限流电阻R：其它类型二极管其它类型二极管发光二极管发光二极管LED发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，这里只对可见发光二极管包括可见光、不可见光、激光等不同类型，这里只对可见光发光二极管做一简单引见。光发光二极管做一简单引见。发光二极管的发光颜色决议于所用资料，目前有红、绿、黄、橙等可发光二极管的发光颜色决议于所用资料，目前有红、绿、黄、橙等可以制成各种外形，如长方形，圆形。以制成各种外形，如长方形，圆形。开启电压比普通二极管的大，任务电压普通在开启电压比普通二极管的大，任务电压普通在1.52.5V之间，任务电流之间，任务电流在在530mA之间，
28、电流越大，发光越强。之间，电流越大，发光越强。发光二极管的开启电压发光二极管的开启电压图1.3.3 发光二极管红光：红光：1.61.8V绿光：绿光： 1.82.0V黄光：黄光： 1.61.8V蓝光：蓝光： 2.22.5V白光：白光： 2.22.5V 发光二极管因其驱动电压发光二极管因其驱动电压低、功耗小、寿命长、可低、功耗小、寿命长、可靠性高等优点广泛用于显靠性高等优点广泛用于显示电路之中。示电路之中。 外加反向电压，无光照时外加反向电压，无光照时的反向电流称之为暗电流；有的反向电流称之为暗电流；有光照时的反向电流称之为光电光照时的反向电流称之为光电流，光照越强，光电流越大。流，光照越强，光电
29、流越大。 光电二极管利用光电二极管利用PN结的光敏特性，将光能转换成电能结的光敏特性，将光能转换成电能图1.3.5光电二极管的外形和符号广泛用于遥控、报警及光电传感器之中广泛用于遥控、报警及光电传感器之中例例电路如图电路如图1215所示，知发光二极管的所示，知发光二极管的导通电压导通电压UD = 1.6 V，正向电流为，正向电流为520mA时才干发光。时才干发光。试问：试问： (1)开关处于何种位置时发光二极管能够发光开关处于何种位置时发光二极管能够发光? (2)为使发光二极管发光，电路中为使发光二极管发光，电路中R的取值范围为多少的取值范围为多少? 解：解：(1)当开关断开时发光二极管有能够
30、发光。当开封锁合时当开关断开时发光二极管有能够发光。当开封锁合时发光二极管的端电压为零，因此不能够发光。发光二极管的端电压为零，因此不能够发光。(2)由于由于IDmin = 5mA，IDmax = 20mA小小 结 本本讲主要引主要引见了以下根本内容：了以下根本内容：PNPN结构成：构成： PN PN结的的单导游游电性：正偏性：正偏导通、反偏截通、反偏截止止半半导体二极管的构成和体二极管的构成和类型：点、面、型：点、面、平面型；硅管、平面型；硅管、锗管；整流管、开关管、管；整流管、开关管、检波管、波管、发光管、光敏管、光管、光敏管、稳压管等。管等。 半半导体二极管的特性体二极管的特性 正向特性：正向特性： 反向特性：反向特性：半半导体二极管的参数体二极管的参数 半半导体二极管的等效模型：理想模型、体二极管的等效模型：理想模型、恒恒压降模型、折降模型、折线模型模型 并利用模型分析并利用模型分析和和计算半算半导体二极管体二极管电路路 简要引要引见了其它了其它类型的二极管。型的二极管。
