1、第4章 常用半導體器件原理 4. 1 半導體物理基礎半導體物理基礎 4. 2 PN結結 4. 3 晶體二極管晶體二極管 4. 4 雙極性晶體管雙極性晶體管 4. 5 場效應管場效應管 第第4 4章常用半導體器件原理章常用半導體器件原理第4章 常用半導體器件原理4.14.1半導體物理基礎半導體物理基礎用于制造用于制造半導體器件的材料主要是硅半導體器件的材料主要是硅、鍺和砷化鎵等。鍺和砷化鎵等。半導體的半導體的導電能力介于導電能力介于導體和絕緣之間，并且導體和絕緣之間，并且會隨溫度、會隨溫度、光照或摻入某些雜質而發生顯著變化。要理解這些特性，光照或摻入某些雜質而發生顯著變化。要理解這些特性，必須必

2、須從半導體及其原子結構談起從半導體及其原子結構談起。 4.1.1 本征半導體本征半導體 無摻雜的純凈的單晶半導體，無摻雜的純凈的單晶半導體，稱為本征半導體。稱為本征半導體。 硅和鍺都是硅和鍺都是4 價元素，其簡化價元素，其簡化原子結構模型如圖所示。原子結構模型如圖所示。第4章 常用半導體器件原理第4章 常用半導體器件原理自由電子自由電子空空 穴穴統稱載流子統稱載流子 吸收能量吸收能量v由于電子和空穴相互吸由于電子和空穴相互吸引，還會發生激發的逆引，還會發生激發的逆過程過程復合。復合。復合復合空空 穴穴自由電子自由電子釋放能量釋放能量消失一對電子空穴消失一對電子空穴在一定溫度下，最終激發和在一定

3、溫度下，最終激發和復合達到動態平衡。使本征復合達到動態平衡。使本征半導體內的載流子數一定。半導體內的載流子數一定。動畫動畫相鄰電子過來填補空位相鄰電子過來填補空位自由電子自由電子空位空位+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4空位的自由移動空位的自由移動復合復合空空 穴穴自由電子自由電子釋放能量釋放能量消失一對電子空穴消失一對電子空穴空空 穴穴第4章 常用半導體器件原理2. 本征載流子濃度本征載流子濃度 本征激發和復合處于平衡時，本征載流子的濃度為本征激發和復合處于平衡時，本征載流子的濃度為)2exp(G0230iikTETApn式中式中:ni和和pi分別為自由電子和空

4、穴的本征濃度分別為自由電子和空穴的本征濃度(cm-3)；T為熱力學溫度為熱力學溫度(K)；EG0為為T=0K時的禁帶寬度時的禁帶寬度(硅為硅為1.21eV，鍺為，鍺為0.78eV)；k為玻爾茲曼常數為玻爾茲曼常數(8.63 10-6V/K)；A0是與是與半導體材料有關的常數。半導體材料有關的常數。 在室溫下在室溫下(T=300K)，本征半導體中載流子數極少，因，本征半導體中載流子數極少，因而導電能力極弱。而導電能力極弱。第4章 常用半導體器件原理4.1.2 N型與型與P型半導體型半導體1 1. . N型半導體型半導體：在本征半導體中摻入少量五價元素：在本征半導體中摻入少量五價元素( (如磷、如

5、磷、砷、銻等砷、銻等) )。 N型半導體中型半導體中 nnpn電子為多數載流子電子為多數載流子(簡稱多子簡稱多子)空穴為少數載流子空穴為少數載流子(簡稱少子簡稱少子)+4+4+4+4+5+4+4+4+4鍵外電子鍵外電子由于由于 pn+正離子數正離子數= nn所以所以N型型半導體仍是電中性的。半導體仍是電中性的。+1空空 穴穴自由電子自由電子+4第4章 常用半導體器件原理2 2. . P P型半導體型半導體：在本征半導體中摻入三價元素：在本征半導體中摻入三價元素( (如硼、鋁、銦如硼、鋁、銦等等) )。P P型半導體中型半導體中 ppnp 空穴為多數載流子空穴為多數載流子( (多子多子) ) 電

6、子為少數載流子電子為少數載流子( (少子少子) )+4+4+4+4+3+4+4+4+4 由于由于 np+負離子數負離子數= pp所以所以P型型半導體也是電性中的半導體也是電性中的。-1空空 穴穴空空 位位+4第4章 常用半導體器件原理3.3.雜質半導體的雜質半導體的載流子濃度載流子濃度 雜質雜質半導體半導體中，中，多子濃度主要由摻雜多子濃度主要由摻雜濃度決定濃度決定, 而而少子濃度，少子濃度，因摻雜不同會隨多子濃度的變化而改變。在因摻雜不同會隨多子濃度的變化而改變。在熱平衡下，兩者之間有如下關系：熱平衡下，兩者之間有如下關系：多子濃度值與少子濃多子濃度值與少子濃度值的乘積恒等于本征載流子濃度值

7、度值的乘積恒等于本征載流子濃度值n ni i的平方。的平方。2nninpn22niinDnnpnNp N型型半導體半導體2ppipnnp P P型半導體型半導體22piipAnnnpN第4章 常用半導體器件原理 由以上分析可知由以上分析可知通過控制摻雜濃度可以嚴格控制多子濃度通過控制摻雜濃度可以嚴格控制多子濃度, ,而溫度而溫度變化對其影響很小；變化對其影響很小；少子濃度主要由本征激發決定，因而溫度變化少子濃度主要由本征激發決定，因而溫度變化時，時， 少子濃度將會發生明顯變化。少子濃度將會發生明顯變化。 本征半導體通過本征半導體通過摻雜，可以大大改變體內載流子摻雜，可以大大改變體內載流子濃度，

8、并使一種載流子多，而另一種載流子少；濃度，并使一種載流子多，而另一種載流子少；第4章 常用半導體器件原理 4.1.3 漂移電流和擴散電流漂移電流和擴散電流 半導體中的電流包括漂移電流和擴散電流。半導體中的電流包括漂移電流和擴散電流。 1. 漂移電流：漂移電流：在電場作用下，半導體中的載流子作定在電場作用下，半導體中的載流子作定向漂移運動形成的電流，如圖所示。向漂移運動形成的電流，如圖所示。空穴空穴自由電子自由電子N 型半導體電場方向電場方向 總漂移電流是電總漂移電流是電子漂移電流和空穴漂子漂移電流和空穴漂移電流之和，即移電流之和，即 I = Ip( In) = Ip+ In第4章 常用半導體器

9、件原理( )( )Ddn xdp xidxdxx自由電子濃度分布自由電子濃度分布n(x)x或或 正比于正比于 擴散電流正比于擴散電流正比于載流子的濃度梯度即載流子的濃度梯度即濃度差濃度差: 2. 擴散電流：擴散電流：在載流子濃度梯度作用下，半導體在載流子濃度梯度作用下，半導體中的載流子從高濃度區向低濃度區擴散形成的電流。中的載流子從高濃度區向低濃度區擴散形成的電流。 擴散電流是半導體擴散電流是半導體中特有的電流。中特有的電流。第4章 常用半導體器件原理4.2PN結結 密度差產生擴散力密度差產生擴散力 多子擴散并復合多子擴散并復合 空間電荷區空間電荷區 PNU-+PN-+內電場B空間電荷區多子擴

10、散多子擴散少子漂移少子漂移第4章 常用半導體器件原理 開始時，擴散運動占優勢，隨著擴散運動的不斷進行，開始時，擴散運動占優勢，隨著擴散運動的不斷進行，界面兩側顯露出的正、負離子逐漸增多，空間電荷區界面兩側顯露出的正、負離子逐漸增多，空間電荷區 展寬，使內電場不斷增強，于是漂移運動隨之增強，而擴展寬，使內電場不斷增強，于是漂移運動隨之增強，而擴 散運動相對減弱。最后，因濃度差而產生的擴散力被電場散運動相對減弱。最后，因濃度差而產生的擴散力被電場 力所抵消，使擴散和漂移運力所抵消，使擴散和漂移運 動達到動態平衡。空間電荷動達到動態平衡。空間電荷 區的寬度一定，區的寬度一定，UB也保持也保持 一定。

11、一定。(b)UPN-+內電場B空間電荷區 空間電荷區也稱為空間電荷區也稱為耗耗盡區盡區( (層層) )、阻擋區或勢壘阻擋區或勢壘區，統稱為區，統稱為PN結。結。第4章 常用半導體器件原理內電場REPN-+耗耗 盡盡 區區UPUNUPUN4.2.24.2.2PNPN結單向導電特性結單向導電特性 使使P P區電位高于區電位高于N N區電位的接法，稱區電位的接法，稱PNPN結加正向電壓或結加正向電壓或正向偏置正向偏置( (簡稱正偏簡稱正偏) )，如圖所示。，如圖所示。v 正偏使耗盡區變窄正偏使耗盡區變窄 內電場減弱內電場減弱(UB-U) 擴散力擴散力電場力電場力 多子源源不斷地多子源源不斷地 擴散到

12、對方，形成正擴散到對方，形成正向電流。向電流。v 此外，正向偏壓有微此外，正向偏壓有微小變化時，會引起正向電小變化時，會引起正向電流較大的變化。流較大的變化。UBU1. . PN結結正向偏置正向偏置第4章 常用半導體器件原理內電場RE UNUPPN - - - - - - - - + + + + + + + + + +耗 盡 區UNUPv 反偏使耗盡區變寬反偏使耗盡區變寬 內電場增強內電場增強(UB+U) 電場力電場力擴散力擴散力 少子漂移到對方形少子漂移到對方形成極小的反向電流。成極小的反向電流。 此外，反向偏壓有很此外，反向偏壓有很大變化時，反向電流基大變化時，反向電流基本不變。本不變。

13、PNPN結正偏導通，反偏截止，即具有單向導電特性。結正偏導通，反偏截止，即具有單向導電特性。UBU 使使N區電位高于區電位高于P區電位的接法，稱區電位的接法，稱PN結加反向電壓或結加反向電壓或反向偏置反向偏置(簡稱反偏簡稱反偏)，如圖所示。，如圖所示。2. PN結反結反向偏置向偏置第4章 常用半導體器件原理3.PN.PN結電流方程結電流方程 理論分析證明，按圖示的參考方理論分析證明，按圖示的參考方 向流過向流過PN結的電流結的電流i i與外加電壓與外加電壓u u 之間的關系為之間的關系為 /(1)(1)Tu Uqu kTssiI eI e 式中式中: IS為反向飽和電流，其大小與為反向飽和電流

14、，其大小與PN結的材料、制造工藝、結的材料、制造工藝、溫度等有關；溫度等有關； UT = kT/q，稱為溫度的電壓當量或熱電壓。稱為溫度的電壓當量或熱電壓。T= 300K(室溫室溫)時，時，UT =26mV。這是一個常用參數。這是一個常用參數。第4章 常用半導體器件原理 對于極性不同的正對于極性不同的正、反向電壓，反向電壓，|u|只要大于只要大于UT幾倍幾倍以上，則以上，則PN結電流方程結電流方程可分別可分別近似為近似為/(1)TTu Usu UssIeiI eI正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置 該式與上述該式與上述PN結具有單向結具有單向導電特性的結論完全一致。由此導電特性的結論完全一致。由

15、此畫出的畫出的PNPN結伏安特性如下結伏安特性如下PN結擊穿結擊穿iu0u0/(1)(1)Tu Uqu kTssiI eI e第4章 常用半導體器件原理4.2.3 PN4.2.3 PN結的擊穿特性結的擊穿特性 當反向電壓超過一定值當反向電壓超過一定值UBR后，反向電流會急劇增大，后，反向電流會急劇增大，這種現象稱為這種現象稱為PN結擊穿，并定義結擊穿，并定義UBR為為PN結的擊穿電壓。結的擊穿電壓。PN結發生反向擊穿的機理可以分為兩種。結發生反向擊穿的機理可以分為兩種。 1. 1. 雪崩擊穿雪崩擊穿 在輕摻雜的在輕摻雜的PN結中，當外加反向電壓時，耗盡區較結中，當外加反向電壓時，耗盡區較寬，少

16、子漂移通過耗盡區時被加速，動能增大。寬，少子漂移通過耗盡區時被加速，動能增大。外電場使外電場使耗層展寬耗層展寬第4章 常用半導體器件原理發生碰撞的連鎖反應，發生碰撞的連鎖反應，使載流子劇增。使載流子劇增。雪崩擊穿機理雪崩擊穿機理IR第4章 常用半導體器件原理2. 2. 齊納擊穿齊納擊穿( (場致擊穿場致擊穿) ) 當反向電壓大到一定值時，當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區內中性強電場足以將耗盡區內中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產生大量電子原子的價電子直接拉出共價鍵，產生大量電子- -空穴對空穴對，使反，使反向電流急劇增大。向電流急劇增大。電場強電場強度極大度極大IR第4章 常用半導體

17、器件原理 1 1. . 勢壘電容勢壘電容 從從PN結的結構看，在導電性能較好的結的結構看，在導電性能較好的P區和區和N區之間，區之間，夾著一層高阻的耗盡區，這與平板電容器相似，如圖所示。夾著一層高阻的耗盡區，這與平板電容器相似，如圖所示。4.2.44.2.4PNPN結的電容特性結的電容特性 PN結具有電容效應，它由勢壘電容和擴散電容兩部分組成。結具有電容效應，它由勢壘電容和擴散電容兩部分組成。 耗盡區中存貯的電荷量將隨耗盡區中存貯的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應，并稱為勢壘電性正是電容效應，并稱為勢壘電容，用容，用CT表示表示。nBTTUuCd

18、udQC)1(0理論分析證明：理論分析證明： 第4章 常用半導體器件原理nBTTUuCdudQC)1(0 式中：式中：CT0為外加電壓為外加電壓u=0時的時的CT值，它由值，它由PN結結 的結構、摻雜濃度等決定；的結構、摻雜濃度等決定； UB為內建電位差，硅管約為為內建電位差，硅管約為0.7V； n為變容指數，與為變容指數，與PN結的制作工藝有關，一般在結的制作工藝有關，一般在1/3 6之間。之間。 第4章 常用半導體器件原理2 2. . 擴散電容擴散電容 正向偏置的正向偏置的PN結，由于多子擴散，會形成一種特殊結，由于多子擴散，會形成一種特殊形式的電容效應。下面利用形式的電容效應。下面利用P

19、區一側載流子的濃度分布曲區一側載流子的濃度分布曲線來說明。線來說明。 P區少子濃度分布曲線區少子濃度分布曲線 N區電子向區電子向P區擴散，區擴散，非非平衡電子平衡電子形成曲線形成曲線的濃度的濃度分布。其存貯的電荷量對應分布。其存貯的電荷量對應下的面積。下的面積。 當偏壓增大時，曲線變為當偏壓增大時，曲線變為所示，電荷的增加量為所示，電荷的增加量為Qn 。 反之，反之，偏壓減小時，曲線偏壓減小時，曲線變為變為所示，其電荷的減少所示，其電荷的減少量為量為Qn 。第4章 常用半導體器件原理對對PN+結，可以忽略結，可以忽略Qp/u項。經理論分析可得項。經理論分析可得 同理，在同理，在N區一側，非平衡

20、空穴的濃度也有類似的區一側，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的變化量分布和同樣的變化，引起存貯電荷的變化量Qp。pnDQQQCuuunnDTQICuU式中式中:n為為P P區非平衡電子的區非平衡電子的平均壽命；平均壽命；I I為某一正向偏為某一正向偏壓下的直流電流。壓下的直流電流。 這種這種外加電壓改變引起擴散區內存貯電荷量變化的外加電壓改變引起擴散區內存貯電荷量變化的特性，就是電容效應，稱為擴散電容，用特性，就是電容效應，稱為擴散電容，用CD表示表示。 如果引起如果引起Qn、Qp的電壓變化量為的電壓變化量為uu，則則第4章 常用半導體器件原理 CT、CD都隨外加電壓的

21、變化而變化，所以勢壘電容和都隨外加電壓的變化而變化，所以勢壘電容和擴散電容都是非線性電容。擴散電容都是非線性電容。 由于由于CT和和CD均等效地并接在均等效地并接在PN結上，因而結上，因而PN結上的總電結上的總電容容Cj為兩者之和，即為兩者之和，即Cj= CT + CD 。CTCD 因為因為CT和和CD很小，低頻工作時可忽略其影響。但在高頻工很小，低頻工作時可忽略其影響。但在高頻工作時，必須考慮它們引起的不利影響。作時，必須考慮它們引起的不利影響。p 正偏時以正偏時以CD為主，為主，Cj CD，其值通常為其值通常為幾十至幾百幾十至幾百pF；p 反偏時以反偏時以CT為主，為主，Cj CT，其值通

22、常為，其值通常為幾至幾十幾至幾十pF；第4章 常用半導體器件原理4.2.5 PN4.2.5 PN結的溫度特性結的溫度特性 PN結特性對溫度變化很敏感，反映在伏安特性上即為：結特性對溫度變化很敏感，反映在伏安特性上即為：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，如圖中虛線，如圖中虛線所示。所示。 0(2 2.5)/umVCT ui0TT UBR具體變化規律是：具體變化規律是： 保持正向電流不變時，溫度保持正向電流不變時，溫度每升高每升高11，結電壓減小約，結電壓減小約( (22.5)mV，即即 溫度每升高溫度每升高10，反向飽和電流，反向飽和電流IS增大一倍增大一

23、倍第4章 常用半導體器件原理小小 結結1. 本征半導體：無摻雜的純凈的單晶半導體。本征半導體：無摻雜的純凈的單晶半導體。ni=pi2. N型半導體：在本征半導體中摻入五價元素。型半導體：在本征半導體中摻入五價元素。ppnp 空穴為多子，電子為少子空穴為多子，電子為少子nnpn 電子為多子電子為多子，空穴為少子空穴為少子3. P型半導體：在本征半導體中摻入三價元素。型半導體：在本征半導體中摻入三價元素。內電場內電場UPN-+B空間電荷區空間電荷區PN結正偏時導通，反偏時截止。結正偏時導通，反偏時截止。 5. . PN結的單向導電特性結的單向導電特性第4章 常用半導體器件原理/(1)TTu Usu

24、 UssIei I eI 正向偏置正向偏置反向偏置反向偏置i iu0u06. PN結電流方程結電流方程7. PN結伏安特性結伏安特性PNPN結擊穿結擊穿8 . PN結電容，擊穿和溫度特性結電容，擊穿和溫度特性第4章 常用半導體器件原理 4.3 晶體二極管晶體二極管晶體二極管是由晶體二極管是由PNPN結加上電極引線和管殼構成的，結加上電極引線和管殼構成的，其結構示意圖和電路符號分別如下圖所示。其結構示意圖和電路符號分別如下圖所示。普通二極管應用最廣。本節主要討論普通二極管及其應用電普通二極管應用最廣。本節主要討論普通二極管及其應用電路。另外，簡要介紹穩壓二極管及其穩壓電路。路。另外，簡要介紹穩壓

25、二極管及其穩壓電路。PN正極正極負極負極負極負極正極正極第4章 常用半導體器件原理4.3.1 4.3.1 二極管的伏安特性二極管的伏安特性普通二極管的典型伏安特性曲線如圖所示，與普通二極管的典型伏安特性曲線如圖所示，與PN結結伏安特性相比，有如下特點：伏安特性相比，有如下特點：1. 1. 正向特性正向特性有一導通電壓有一導通電壓UD(on)，室溫室溫下，下， UD(on) =(0.50.6)V 硅管硅管 UD(on) =(0.10.2)V 鍺管鍺管在正常工作電流范圍內，管在正常工作電流范圍內，管壓降的變化范圍很小：壓降的變化范圍很小：u/V0i/mA1020305100.50.5鍺管鍺管 (0

26、.20.3)V硅管硅管 (0.60.8)V 2. 2.反向特性反向特性由于表面漏電流影響，二極管由于表面漏電流影響，二極管反向電流要比理想反向電流要比理想PN結的結的Is大。大。對對硅管一般小于硅管一般小于0.1A，鍺管小于幾十微安。鍺管小于幾十微安。第4章 常用半導體器件原理4.3.24.3.2二極管的電參數二極管的電參數 顯然，正向顯然，正向RD隨工作電流增大隨工作電流增大而減小，反向的而減小，反向的RD隨反向電壓增大隨反向電壓增大而增大。如圖中而增大。如圖中Q1點處的點處的RD小于小于Q2點處的點處的RD 。 DQDDURI 一般正向電阻為幾十一般正向電阻為幾十幾百歐，反向電阻為幾十幾百

27、歐，反向電阻為幾十幾百千歐。幾百千歐。 顯然，正向電阻越小，反向電阻越大，單向導電性能越好。顯然，正向電阻越小，反向電阻越大，單向導電性能越好。0UDuIDiQ1Q21. 1. 直流電阻直流電阻RD第4章 常用半導體器件原理 2. 交流電阻交流電阻rD rD定義為：二極管在其工作狀態定義為：二極管在其工作狀態(IDQ,UDQ)處的電壓微處的電壓微變量與電流微變量之比，即變量與電流微變量之比，即DQDQDQDQUIUIDdiduIUr, rD的幾何意義如圖，即二極的幾何意義如圖，即二極管伏安特性曲線上管伏安特性曲線上Q (IDQ，UDQ)點點處切線斜率的倒數。處切線斜率的倒數。DQTQUuSTQ

28、DIUeIUdidurT/rD可以通過對二極管電流方程求導得出，即可以通過對二極管電流方程求導得出，即第4章 常用半導體器件原理0UDuIDiQ1Q2ID 可見，可見，rD與工作電流與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關。成反比，并與溫度有關。室溫室溫(T=300K) 條件下條件下: :26()()()DDQmVrIm 通過對二極管交、直流電阻的分析可知，由于二通過對二極管交、直流電阻的分析可知，由于二極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線極管的非線性伏安特性，所以交、直流電阻均是非線性電阻，即特性曲線上不同點處的交、直流電阻不同，性電阻，即特性曲線上不同點處的交、直流電阻不同，同一點處

29、交流和直流電阻也不相同。同一點處交流和直流電阻也不相同。 第4章 常用半導體器件原理 3.3.最大整流電流最大整流電流IF IF指二極管允許通過的最大正向平均電流。實際應用指二極管允許通過的最大正向平均電流。實際應用 時，流過二極管的平均電流不能超過此值。時，流過二極管的平均電流不能超過此值。 4. 最大反向工作電壓最大反向工作電壓URM URM指二極管工作時所允許加的最大反向電壓指二極管工作時所允許加的最大反向電壓。通常取。通常取 UBR的一半作為的一半作為URM 。 5.5.反向電流反向電流IR IR越小，單向導電性能越好。越小，單向導電性能越好。IR與溫度密切相關，使用與溫度密切相關，使

30、用 時應注意時應注意IR的溫度條件。的溫度條件。 6.6.最高工作頻率最高工作頻率fM fM是與結電容有關的參數。工作頻率超過是與結電容有關的參數。工作頻率超過fM時，二極時，二極 管的單向導電性能變壞。管的單向導電性能變壞。 第4章 常用半導體器件原理 二極管二極管是一種非線性電阻是一種非線性電阻( (導導) )元件，在大信號工作時，元件，在大信號工作時，其非線性主要表現為單向導電性，即其非線性主要表現為單向導電性，即正偏時呈現低阻，反偏正偏時呈現低阻，反偏時呈現高阻。時呈現高阻。而而正偏正偏導通后所表現的非線性往往是次要的。導通后所表現的非線性往往是次要的。4.3.34.3.3二極管的簡化

31、電路模型二極管的簡化電路模型u/V0i/mA10203051010.5UD+-在工程分析中，器件的模型力求簡單、實用，能突出在工程分析中，器件的模型力求簡單、實用，能突出電路的主要功能及特性電路的主要功能及特性。DEUIR()DIf U第4章 常用半導體器件原理 . .A1BC近似，其模型為圖近似，其模型為圖(a)(a)。其中管壓降。其中管壓降UD取取0.7V(硅管硅管)或或 0.3V(鍺管鍺管)，導通電阻，導通電阻rD一般為幾十歐姆。一般為幾十歐姆。(a) . .A2BC近似，對應模型為圖近似，對應模型為圖(b)(b)。保留。保留管壓降管壓降UD。(b) . .A3B0C近似，對應模型為圖近

32、似，對應模型為圖(c)。稱為理想二極管。稱為理想二極管。(c)(c) 二極管伏安特性二極管伏安特性用折線近似后，即可用線性元件來等效各用折線近似后，即可用線性元件來等效各線性段，從而得出電路摸型。根據不同的應用場合，分別有：線性段，從而得出電路摸型。根據不同的應用場合，分別有：第4章 常用半導體器件原理 以上三種電路模型，是在不同近似條件下模擬了大以上三種電路模型，是在不同近似條件下模擬了大信號運用時二極管的開關特性。其中信號運用時二極管的開關特性。其中(b)(b)、(c)(c)是低頻工是低頻工作時最常用的近似模型。作時最常用的近似模型。50.70.4310ImA二極管截止二極管截止 I= 0

33、 UD =-5V或或I=5/10=0.5 mA 實際中，在分析二極管電路時，必須首先判斷管子實際中，在分析二極管電路時，必須首先判斷管子是正偏導通還是反偏截止。然后用相應模型等效來分析是正偏導通還是反偏截止。然后用相應模型等效來分析電路。電路。第4章 常用半導體器件原理 例例1 電路如圖所示，計算二極管中的電流電路如圖所示，計算二極管中的電流 ID 。已知二。已知二極管的導通電壓極管的導通電壓UD(on) = 0.6 V，交流電阻，交流電阻 rD 近似為零。近似為零。 6 V 6 V R1 2 k R2 1k ID D E E UA EUD(on)6 60.60.65.4V A解：可以判斷二極

34、管處于導通狀態，解：可以判斷二極管處于導通狀態， 則則電路模型電路模型:1206( 5.4)0( 5.4)215.75.411.1AADEUUIRRmA 第4章 常用半導體器件原理作業作業 4-6，4-7, 4-9。第4章 常用半導體器件原理PN正極正極負極負極負極負極正極正極 在分析實際二極管電路時，必須首先判斷管子是正偏在分析實際二極管電路時，必須首先判斷管子是正偏導通還是反偏截止。然后用相應模型等效再來分析電路。導通還是反偏截止。然后用相應模型等效再來分析電路。 普通二極管的單向導電特性普通二極管的單向導電特性u/V0i/mA1020305101 0.7第4章 常用半導體器件原理4.3.

35、44.3.4二極管基本應用電路二極管基本應用電路tui0tuo0 1. 1. 二極管整流電路二極管整流電路 把交流電變為直流電，稱為整流。一個簡單的二極把交流電變為直流電，稱為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖所示。若二極管為管半波整流電路如圖所示。若二極管為理想二極管理想二極管，當，當輸入一正弦波時，求輸出輸入一正弦波時，求輸出u0。VuiuoRL該電路是半波整流電路。該電路是半波整流電路。若二極管反接，若二極管反接，uo=? ui0時，時，V導通，導通，uo=ui ； ui0時，時，V1、V3導通；導通； V2、V4截止截止 uo=ui 全波整流電路全波整流電路mUuo=|ui | u

36、i0時，時， V2、V4導通；導通； V1、V3 截止截止 uo=ui ；第4章 常用半導體器件原理2. 精密整流電路精密整流電路 由于二極管存在死區電壓由于二極管存在死區電壓UON(硅管為硅管為0.60.7V左右左右)，因而只有當輸入電壓幅值大于死區電壓時，電路才能正常因而只有當輸入電壓幅值大于死區電壓時，電路才能正常工作。為此，插入運放以減小等效死區電壓。工作。為此，插入運放以減小等效死區電壓。第4章 常用半導體器件原理1 1）. . 精密半波整流電路精密半波整流電路 (1).當當ui0時，時，uo0，V2截止，截止，V1導通，導通， uo=0 (2). 當當ui0時，時， uo0， V2

37、導通，導通， V1截止截止 iouRRu12傳輸特性傳輸特性第4章 常用半導體器件原理 . .當當u ui i0 0時，時，u uo o0 0，V V2 2導通，導通，V V1 1截止，則截止，則 . . 當當u ui i0 0時，時， u uo o00， V V2 2截止，截止， V V1 1導通，導通，u uo o=0 =0 iouRRu12傳輸特性傳輸特性第4章 常用半導體器件原理 2）. 精密全波整流電路精密全波整流電路絕對值電路絕對值電路 用半波整流和反相加法器構成全波整流電路：用半波整流和反相加法器構成全波整流電路： . 當當ui0時，時，uo1= - ui，uo= - ui -2

38、uo1= - ui +2 ui = ui. 當當ui0時，時，uo1=0，uo = - ui |oiuu+原理原理第4章 常用半導體器件原理傳輸特性傳輸特性第4章 常用半導體器件原理假設二極管假設二極管v為理想二極管，為理想二極管，. 當當ui0時，時，v管截止，管截止，iouRRu122211(1)oiiiRRuuuuRR. 當當ui0時，時，v管導通，管導通，若取若取R1=R2，則，則|oiuu第4章 常用半導體器件原理 限幅電路的傳輸特性限幅電路的傳輸特性如圖所如圖所示示, 圖中圖中UIH、UIL分別稱為分別稱為上門上門限和下門限電壓：限和下門限電壓： 2. 2. 二極管限幅電路二極管限

39、幅電路 限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的限幅電路也稱為削波電路，它是一種能把輸入電壓的變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換、整形和輸入整形和輸入保護電路。保護電路。uiuoUILUomaxUOminUIH第4章 常用半導體器件原理當當ui E+UD(on)= -2+0.7=-1.4V時，時，V V管導通，管導通，uo = ui -0.7。【例例2】限幅電路如圖所示。限幅電路如圖所示。當輸入幅度為當輸入幅度為5v5v的正弦波時，其輸出波形如圖。的正弦波時，其輸出波形如圖。當當ui-1.4V時時,V,V管截止管截止, , uo=-2V，即把即把

40、ui最小電壓限制在最小電壓限制在2V。 VuiuoRE2Vtui/V05-5-1.4Vtuo/V0-24.3第4章 常用半導體器件原理VuiuoRE1VRtui/V6-6 【例例3】 電路如圖所示，已知輸入為電路如圖所示，已知輸入為幅度幅度6V的的正弦波時，正弦波時， 試畫出輸出波形。試畫出輸出波形。12oiuu11.723.4oiiuuVuV 當當時時V管截止管截止即即11.723.4oiiuuVuV 當當時時V管導通管導通即即1.7ouV tuo/V0-1.730-3.4第4章 常用半導體器件原理 當當|ui| 5.7 V時，時，D1導通，導通， ui = 5.7V當當uI - 0.7 V

41、時，時，D2導通，導通， ui = -0.7V當當 - 0.7 V uI 5.7 V時，時，D1和和D2截止，此時截止，此時 ui =uI即即 - 0.7 V ui 5.7 V第4章 常用半導體器件原理3. 3. 二極管電平選擇電路二極管電平選擇電路 從多路輸入信號中選出最低電平或最高電平的電路，稱從多路輸入信號中選出最低電平或最高電平的電路，稱為電平選擇電路。二極管低電平選擇電路如圖所示。為電平選擇電路。二極管低電平選擇電路如圖所示。V1u1uoV2ERu2 設兩路輸入信號設兩路輸入信號u u1 1, u, u2 2均小于均小于E： A) A) 若若u1 u2，V1導通，導通，u uo o=

42、 =u1+ +0.7v， 使使V2截止。截止。 B) B) 若若u2 uo時，時，V管導通，管導通，uo = ui 。 當當 uiuo時，時，V管截止，管截止，uo 保持不變。保持不變。第4章 常用半導體器件原理1. 1. 穩壓二極管的特性穩壓二極管的特性 穩壓二極管的電路符號及穩壓二極管的電路符號及伏安特性曲線如圖所示。伏安特性曲線如圖所示。4 4.4 .4 穩壓二極管電路穩壓二極管電路 穩壓二極管是利用穩壓二極管是利用PN結反向擊穿后具有穩壓特性制結反向擊穿后具有穩壓特性制作的二極管，其除了可以構成限幅電路之外，主要用于作的二極管，其除了可以構成限幅電路之外，主要用于穩壓電路。穩壓電路。u

43、i0IZminIZmaxUZ+-ui 其正、反向特性與普通二其正、反向特性與普通二極管基本相同。區別僅在于擊極管基本相同。區別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內變化時電流在很大范圍內變化時，其其兩端電壓幾乎不變。兩端電壓幾乎不變。第4章 常用半導體器件原理2. 穩壓二極管的主要參數穩壓二極管的主要參數 1). 穩定電壓穩定電壓UZ UZ是指擊穿后在電是指擊穿后在電流為規定值時，流為規定值時， 管子兩端的電壓值。管子兩端的電壓值。ui0IZminIZmaxUZ 2). 額定功耗額定功耗PZ PZ是由管子結溫限是由管子結溫限制所限定的參數。制所限定的參數。

44、PZ與與 PN結所用的結所用的材料、結構及工藝有關，使用時不允許超過材料、結構及工藝有關，使用時不允許超過 此值。此值。 3). 穩壓電流穩壓電流IZ I IZ Z是穩壓二極管正常工作時的參考電流。穩是穩壓二極管正常工作時的參考電流。穩定電流的最大值定電流的最大值I IZmaxZmax有一限制，即有一限制，即 IZmax=PZ/UZ超過此值會燒壞管子。另外，工作電流也有最小值超過此值會燒壞管子。另外，工作電流也有最小值I IZminZmin的限的限制，小于此值時，穩壓二極管將失去穩壓作用。制，小于此值時，穩壓二極管將失去穩壓作用。 4). 動態電阻動態電阻rZ ZZZQZUrIrZ一般為幾歐姆

45、到幾十歐。一般為幾歐姆到幾十歐。第4章 常用半導體器件原理VZUiUoRRLILIZIR3. 穩壓二極管穩壓電路穩壓二極管穩壓電路 穩壓二極管實現穩壓必須滿足兩個條件穩壓二極管實現穩壓必須滿足兩個條件： 1). 穩壓管反穩壓管反向擊穿；向擊穿； 2). 串接限流電阻。串接限流電阻。其電路如圖所示。其電路如圖所示。 若若Ui增大，增大，RL不變時不變時 若若RL增大，增大，Ui不變時不變時所謂穩壓是指當所謂穩壓是指當Ui和和RL變化時，輸出電壓變化時，輸出電壓U0要保持恒定。要保持恒定。 電路穩壓原理如下：電路穩壓原理如下：第4章 常用半導體器件原理minminminiZZZLUUUIRR 當當

46、Ui、RL變化時，變化時，IZ應始終滿足應始終滿足IzminIZIZmax。VZUiUoRRLILIZIR即即minminmaxminminiZLLZZUURRRRIUui0IZminIZmaxUZ限流電阻限流電阻R R的選擇方法的選擇方法可見，當可見，當Ui =Uimin, RL = RLmin時，時，IZ最小。這時應滿足最小。這時應滿足 設設Ui的最小值為的最小值為Uimin，最大值為最大值為Uimax；RL最小時最小時IL的的最大值為最大值為UZ/RLmin；RL最大時最大時IL的最小值為的最小值為UZ / RLmax。第4章 常用半導體器件原理maxmaxmaxiZZZLUUUIRRm

47、inmaxRRR 而當而當Ui=Uimax，RL=RLmax時，時，IZ最大。這時應滿足最大。這時應滿足maxminmaxmaxmaxiZLLZZUURRRRIU即即可得限流電阻的取值范圍是可得限流電阻的取值范圍是VZUiUoRRLILIZIRRui0IZminIZmaxUZminminmaxminminiZLLZZUURRRRIUIZmax增大增大第4章 常用半導體器件原理VZUiUoR4. 4. 利用穩壓二極管構成的限幅電路利用穩壓二極管構成的限幅電路 【例例1 1】穩壓二極管的穩定電壓穩壓二極管的穩定電壓Vz=6V,Vz=6V,輸入為幅度輸入為幅度10V10V的三角波。求輸出電壓的波形。的三角波。求輸出電壓的波形。第4章 常用半導體器件原理tuo/V0 ui R1 uo 5 k A UZ DZ1 DZ2 1 k R2 【例例2 2】輸出電壓輸出電壓限幅電路：限幅電路：tui/V02-2-6610若若UZ=5.3V，UD=0.7V第4章 常用半導體器件原理212()TLZDRUUURR212()THZDRUUURR其上、下門限分別為：其上、下門限分別為：UoH =UZ+UDU