模拟电路二极管,三极管原理

硅和锗的共价键结构
+4 +4表示除 去价电子 后的原子
+4
共价键共
用电子对
+4 +4
(1-7)
形成共价键后，每个原子的最外层电子是 八个，构成稳定结构。
+4 +4
共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体。
+4
+4
共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以 本征半导体的导电能力很弱。
(1-11)
本征半导体中电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半 导体的导电能力越强，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点。
(1-12)
1.1.3 杂质半导体
+ P
－ － －
_
N
外电场
内电场
R
E
(1-24)
二、PN 结反向偏置 变厚
－ + + + + 内电场被被加强，多子 的扩散受抑制。少子漂 移加强，但少子数量有 限，只能形成较小的反 向电流。 +
_ P
－ － －
N
内电场 外电场
R
E
(1-25)
2.1.3 半导体二极管
一、基本结构
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会 使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体， 也称为（电子半导体）。 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。
(1-13)
一、N 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷 （或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被 杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子， 其中四个与相邻的半导体原子形成共价键， 必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子 就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
(1-8)
二、本征半导体的导电机理
1.载流子、自由电子和空穴
在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚着，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。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。
——方程1
(1-37)
令输入电压降到下限 时，流过稳压管的电 流为Izmin 。
U ZW i I zmin 10mA RL
i ui
R DZ
iL iZ
RL
uo
0.8ui iR U zW 10R 10
——方程2
联立方程1、2，可ຫໍສະໝຸດ Baidu得：
ui 18.75V, R 0.5k
ui ui
RL
uo uo
t
t
(1-33)
二极管的应用举例2： ui
ui
R
uR
RL uo
uR
t
t
uo
t
(1-34)
§1.3 特殊二极管
1.3.1 稳压二极管
+
动态电阻：
曲线越陡， 电压越稳 定。 UZ
I
rZ
U Z I Z
稳压 误差 UZ
IZ IZ
U
rz越小，稳 压性能越好。
IZmax
(1-35)
(1-14)
多余 电子
+4 +5
+4
磷原子
+4
N 型半导体中 的载流子是什 么？
1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。 掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自 由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。
i ui
R DZ
iL
iZ
RL
uo
负载电阻 RL 10k。要求当输入电压由正常值发 生20%波动时，负载电压基本不变。
求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。 解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电 流为Izmax 。
U ZW i I zmax 25mA RL 1.2ui iR U zW 25R 10
(1-20)
电位V
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
V0
－ － － － － －
P型区
空间 电荷 区
N型区
(1-21)
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散 运动）。 3、P 区中的电子和 N区中的空穴（都是少）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。
(1-22)
2.1.2 PN结的单向导电性
PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区 加正、N 区加负电压。
PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区 加负、N 区加正电压。
(1-23)
一、PN 结正向偏置
变薄 － + + + + 内电场被削弱，多子 的扩散加强能够形成 较大的扩散电流。
2. 反向击穿电压UBR
二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电 流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至 过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电 压UWRM一般是UBR的一半。
(1-28)
3. 反向电流 IR
指二极管加反向峰值工作电压时的反向电 流。反向电流大，说明管子的单向导电性 差，因此反向电流越小越好。反向电流受 温度的影响，温度越高反向电流越大。硅 管的反向电流较小，锗管的反向电流要比 硅管大几十到几百倍。
点接触型
触丝线 PN结
引线
外壳线
基片
面接触型
二极管的电路符号：
P
N
(1-26)
二、伏安特性
I
导通压降: 硅管0.6~0.7V, 锗管0.2~0.3V。
死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V。
反向击穿 电压UBR
U
(1-27)
三、主要参数 1. 最大整流电流 IOM
二极管长期使用时，允许流过二极管的最大 正向平均电流。
Ge
Si
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。
(1-5)
本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。
在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成 晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心， 而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。
硅和锗的晶 体结构：
(1-6)
(1-15)
二、P 型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼 （或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质 取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的 半导体原子形成共价键时， 空穴 产生一个空穴。这个空穴 +4 可能吸引束缚电子来填补， 使得硼原子成为不能移动 的带负电的离子。由于硼 +3 原子接受电子，所以称为 硼原子 受主原子。
稳压二极管的参数:
（1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数。 （3）动态电阻
rZ
U Z I Z
（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。 （5）最大允许功耗
PZM U Z I Z max
(1-36)
稳压二极管的应用举例 稳压管的技术参数: U zW 10V, I zmax 20mA, I zmin 5mA
(1-3)
半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有 不同于其它物质的特点。例如： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能
力明显变化。
• 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使
它的导电能力明显改变。
(1-4)
1.1.2 本征半导体
一、本征半导体的结构特点
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。
集电极 集电极
C P N P E
PNP型
B
基极
N P N
E
发射极
B
基极
发射极
(1-41)
集电区： 面积较大
C N P N E
集电极
B
基极
基区：较薄， 掺杂浓度低
发射区：掺 杂浓度较高
发射极
(1-42)
C N P N
集电极
集电结
B
基极
发射结
E
发射极
(1-43)
1.4.2 电流放大原理
基区空穴 向发射区 的扩散可 忽略。 进入P区的电子 RB 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流IBEEB ，多数 扩散到集电结。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是 主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、 保护等等。下面介绍两个交流参数。
(1-29)
4. 微变电阻 rD
rD 是二极管特性曲线上工 作点Q 附近电压的变化与 电流的变化之比： ID
iD
Q
iD
u D rD iD
显然，rD是对Q附近的微小 变化区域内的电阻。
内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。 P型半导体
漂移运动 内电场E N型半导体
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽。
+4
+4
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
(1-16)
三、杂质半导体的示意表示法
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N 型半导体
－ － － － － － P 型半导体
uD
UD
uD
(1-30)
5. 二极管的极间电容
二极管的两极之间有电容，此电容由两部分组成： 势垒电容CB和扩散电容CD。
势垒电容：势垒区是积累空间电荷的区域，当电压变化时， 就会引起积累在势垒区的空间电荷的变化，这样所表现出 的电容是势垒电容。 扩散电容：为了形成正向电流 （扩散电流），注入P 区的少子 （电子）在P 区有浓度差，越靠 近PN结浓度越大，即在P 区有电 子的积累。同理，在N区有空穴的 积累。正向电流大，积累的电荷 多。这样所产生的电容就是扩散 电容CD。
(1-9)
空穴
+4
+4
自由电子
+4
+4 束缚电子
(1-10)
2.本征半导体的导电机理
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即 自由电子和空穴。
+4
+4
+4
+4
在其它力的作用下， 空穴吸引附近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子。
电子技术 模拟电路部分
第一章
半导体器件
(1-1)
第一章 半导体器件
§ 1.1 半导体的基本知识
§ 1.2 PN 结及半导体二极管
§ 1.3 特殊二极管
§ 1.4 半导体三极管
§ 1.5 场效应晶体管
(1-2)
§1.1 半导体的基本知识
1.1.1 导体、半导体和绝缘体
导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。
(1-38)
1.3.2 光电二极管
反向电流随光照强度的增加而上升。
I U
照度增加
(1-39)
1.3.3 发光二极管
有正向电流流过
时，发出一定波长
范围的光，目前的 发光管可以发出从 红外到可见波段的 光，它的电特性与
一般二极管类似。
(1-40)
§1.4 半导体三极管
1.4.1 基本结构
NPN型
C
(1-19)
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + 内电场E
N型半导体
+ + + + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 扩散运动 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
P
(1-31)
-
N
+
CB在正向和反向偏置时均不能忽略。而反向偏置 时，由于载流子数目很少，扩散电容可忽略。
PN结高频小信号时的等效电路：
rd
势垒电容和扩散电 容的综合效应
(1-32)
二极管：死区电压=0 .5V，正向压降0.7V(硅二极管) 理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
二极管的应用举例1：二极管半波整流
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。 但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。
近似认为多子与杂质浓度相等。
(1-17)
§1.2 PN结及半导体二极管
2.1.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导 体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的 交界面处就形成了PN 结。
(1-18)