双极型半导体器件

D A
A
R
3.9kW Y
DB
B
2 ．当 UA=UB=0V 时，二个二极管都导通，结果仍 然 是 UY=0V 。 电 阻 中 的 电 流 与 上 一 种 情 况 相 同 IR≈3mA ，但二极管中的电流只是电阻中电流的一半 ， ID≈1.5mA。 VCC U Y 12V I I 3mA 3．当UA=UB=3V时，UY=3V，电阻中的电流 R D
稳压二极管
RZ
UZ
特性参数： (1) (2) (3) (4) 稳定电压 UZ 动态电阻rZ 最大耗散功率 PZM 最大稳定工作电流IZmax 和最小稳定工作电流IZmin (5) 稳定电压温度系数
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2. 稳压二极管稳压电路的工作原理
外
外电场方向与PN结内电场方向相反，削 弱了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍 减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移
内 外
电流，可忽略漂移电流的影响。
PN结呈现低电阻。
2. PN结加反向电压
P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏；
外电场与PN结内电场方向相同，增强内 电场。内电场对多子扩散运动阻碍增强， 扩散电流大大减小。少子在内电场的作用
锗： V=0.2～0.3 硅： V=0.6～0.7
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2.PN结的形成
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2 PN结的单向导电性
1.PN结加正向电压
P 区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；
I = - Is
UT
1.当加正向电压时
I 随U↑，呈指数规率↑
2.当加反向电压时
基本不变
3.门限电压:正向起始部分存在一个死区或门坎。 硅：Ur=0.5-0.6v; 锗：Ur=0.1-0.2v 4.加反向电压时，反向电流很小,即 Is硅(nA)<Is锗(A)
硅管比锗管稳定
5.反向击穿电压UB:当反压增大UB时再增加，反向
内电场方向 PN结
扩散运动 漂移运动 动态平衡 PN 结
P型半导体
空间电荷区 N型半导体
浓度差 多子扩散 杂质离子形成空间电荷区 内电场促使少子漂移 空间电荷区形成内电场 达到动态平衡 内电场阻止多子扩散
PN结的接触电位
内电场的建立，使PN结中产生电位差。从而形成接触电位V 接触电位V决定于材料及掺杂浓度
R
3.9kW
二极管中的电流
1 I D I D 1.15mA 2
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例8.2.5. 电路如图 1 所示， 设D1,D2均为理想元件，已知输入电压ui =150sinwt V 如 图 2 所示， 试画出电压的波形。
D1 +
D2 + 150
图1-3 N型半导体的结构示意图
图1-4 P型半导体的结构示意图
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8.1.3 PN结及单向导电性
1 PN结
多子从浓度大向浓度小的区域运动。 少子向对方运动，漂移运动产生漂移电流。 扩散电流=漂移电流，PN结内总电流为0。 稳定的空间电荷区，又称为高阻区、耗尽层，
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应用举例
例8.2.1:图(c), E=5V, Ui=10sinwt Ui5V，二极管D截止Uo=E Ui5V，二极管D导通Uo=Ui 例8.2.2:图(d) ,E1=E2= 5V, • Ui=10s inwt Ui5V D1 D2止 Uo= Ui Ui5V D1通D2止 Uo= 5V -5VUi 5V D1D2止 Uo= Ui Ui -5V D1止D2通 Uo= -5V
激增，发生反向击穿，
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8.2.3 半导体二极管的参数和模型
1.半导体二极管的参数:
最大整流电流IF、 反向击穿电压UBR、 最大反向工作电压URM、 反向电流IR、 最高工作频率fmax和结电容Cj。
2. 半导体二极管的温度特性
温度对二极管的性能有较大的影响， 温度升高时，反向电流将呈指数规律 增加。 温度升高时，二极管的正向压降将减小，每增加1℃，正向压降VF(VD)大 约小2mV，即具有负的温度系数。这些可以从图所示二极管的伏安特性曲线 上看出。
国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：
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8.2.2 二极管的伏安特性
伏安特性: 是指二极管两端电压和流过二极管电流之间的关系。 由PN结电流方程求出理想的伏安特性曲线 PN结电流方程为：
I IS (e U
UT
1)
I I Se U
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例8.3.1 设硅稳压管Dz1和Dz2的稳定电压分别为5V和10V，求图中各电路的输出电 压U0，已知稳压管的正向压降为0.7V。
3. 空穴的移动
电子移动时是负电荷的移动，空穴移动时是正电荷的移动， 电子和空穴都能运载电荷，所以他们都称为载流子。
图1-1 本征激发和复合的过程 I E 由电子移动形成的电流 自由电子移动方向 空穴移动方向 由空穴移动形成的电流 图1-2 半导体中电子和空穴在外电 场作用下的移动方向和形成的电流
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解 输入端的电压只有二种情况，0V和3V。 1 ．当输入端 UA=0V 、 UB=3V 或 UA=3V 、 UB=0V 时 ，对应输入端是 0V 的二极管导通，二极管的正向压 降为0，所以输出端UY=0V。此时流过R和D的电流
VCC 12V
IR
VCC U Y (12 3)V 2.3mA R 3.9kW
由于绝大多数半导体的原子排列呈晶体结构，所以由半导体构成 的管件也称晶体管。
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2. 电子空穴对
自由电子: 当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时， 价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原的束缚，而参与导电，成为自由电子。这一现象称为 本征激发，也称热激发。 空穴: 自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出 现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性， 其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的 这个空位为空穴。 电子空穴对: 因热激发而出现的自由电子和空穴是同时 成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也 可能回到空穴中去，称为复合。 本征激发和复合在一 定温度下会达到动态平衡.
0
-2 2
t1
wk.baidu.com
t2
t
uO
-
uI2/ V
图1
0
-2 图2
t
uO /V
t1: D1 导 通，D2 截 止 t2 :D2 导 通，D1 截 止
0
-2
t1
t2
t
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例8.2.4. 在图所示电路中，试求下列几种情况下输出端Y的电位及各元件(R、DA、 DB)中通过的电流，二极管的正向压降忽略不计。 (1)UA = UB =0V；(2) UA =3V, UB =0V；(3) UA = UB =3V。
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模电
引线 外壳 阳极引线 铝合金小球 PN结 触丝 N型锗片 N型硅
金锑合金 底座 阴极引线
点接触型
面接触型
小功率二极管
大功率二极管
发光 二极管
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半导体二极管的型号图片
ui /V
uI
-
40kW
+ -
40kW
20V + 100V 图1
uO 0
图2
t
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8.2.3 各类二极管及其应用
8.2.3.1
1. 稳压特性：
在反向击穿时，电流急剧增加而PN结两端的电 压基本保持不变, 正向部分与普通二极管相同, 工作区在反向击穿区
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例8.2.3. 电路如图1 所示， 设输入信号的波形如图2 所示， 若忽略二 极管的 正向压降， 试画出输出电压 的波形， 并说明 t1,t2 时间内二 极管 D1，D2 的工作状态。
uI1/ V
D1 2 + RL
u I1 uI2
D2
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1.电子空穴对
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8.1.2 杂质半导体
掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。
1. N型半导体
在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，可 形成 N型半导体,也称电子型半导体。
2. P型半导体
在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓、铟 等形成了P型半导体，也称为空穴型半导体。
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8.2
半导体二极管
8.2.1 晶体二极管的结构类型
PN结面积小，结电容小， 在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管 点接触型 用于检波和变频等高频电路 PN结面积大，用 二极管按结构分 于工频大电流整流电路 面接触型 往往用于集成电路制造工艺中。 平面型
PN 结面积可大可小， 用于高频整流和开关电路中。
内
下形成的漂移电流加大。
PN结呈现高电阻。
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3.PN结的单向导电性
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3. PN结电流方程
由半导体物理可推出： I 式中
IS (e
v VT
1)
Is 饱和电流; VT = kT/q 等效电压 k 波尔兹曼常数；
1. 若输入电压UI 发生变化，负载电流不变， UI ↑ → UO=UZ↑ →IZ↑ → IR ↑ →IR R↑ UO=UZ↓————————┘ 2. 若负载电阻发生变化，即输出电流 IO 发生，输入电压不变， IO↑ → IR ↑→ IR R ↑→UO=UZ ↓→IZ ↓ → IR ↓ UO ↑——IR R↓—— ┘ 3. 在工作时应反接，并串入一只电阻。 电阻的作用一是起限流作用，以保护稳压管。 其次是当输入电压或负载电流变化时，通过 该电阻上电压降的变化， 取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。
T=300K（室温）时 VT= 26mV

当加正向电压时： 当加反向电压时：
I ISe
v VT
(v>>VT)

I IS
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4. PN结的反向击穿
击穿可逆。 掺杂浓度小的 反向击穿 PN结上反向电压达到某一数值，反向电流激增。 二极管容易发生 当反向电压增高时，少子获得能量高速运动， 雪崩击穿 击穿可逆。 在空间电荷区与原子发生碰撞，产生碰撞电离。 掺杂浓度大的 二极管容易发生 形成连锁反应，象雪崩一样。使反向电流激增。 齐纳击穿 当反向电压较大时，强电场直接从共价键中将电 子拉出来，形成大量载流子,使反向电流激增。 不可逆击穿 — 热击穿 PN结的电流或电压较大，使PN 结耗散功率超过极限值，使结温 升高，导致PN结过热而烧毁。 Welcome: xmlong@swjtu.edu.cn
模拟电子技术
第8 章
8.1
半导体器件
半导体的基本知识
8.2
8.3 8.4
半导体二极管
三极管(晶体管) 场效应管
第8章 半导体器件
8.1 半导体的基本知识 8.1.1 本征半导体及其导电性
1. 本征半导体共价键结构
物质按其导电能力的强弱分类： 导体——容易传导电流的材料称为导体。 绝缘体——几乎不传导电流的材料称为绝缘体。 半导体——导电能力介于导体和绝缘体之间的称为半导体。 本征半导体——化学成分纯净的半导体。
N型半导体的特点： 自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子， 以自由电子导电为主。 P型半导体的特点： 空穴为多数载流子，自由电子是少数载流子， 以空穴导电为主。
半导体的特性：
⑴光敏性和热敏性。 即半导体受到光照或热的辐射时， 其电阻率会发生很大的变化，导电能力将有明显的改善，利 用这一特性可制造光敏元件和热敏元件。 ⑵掺杂特性。 即在纯净的半导体中掺入微量的其他 元素，半导体的导电能力将有明显的增加。