1、 第第1章章 半导体器件本章主要内容本章主要内容 (1)(1)半导体基础知识半导体基础知识 (2(2）半导体二极管）半导体二极管 （3 3）双极型晶体管）双极型晶体管 （4 4）场效应晶体管）场效应晶体管1.1 半导体基础知识1.1.1 半导体的导电特性半导体的导电特性n自然界中的物质，按其导电能力的强弱可分为自然界中的物质，按其导电能力的强弱可分为导体、半导导体、半导体和绝缘体体和绝缘体三种类型。半导体的导电能力介于导体和绝缘三种类型。半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间。体之间。n导体一般为低价元素，例如银、铜等金属材料都是良好的导体一般为低价元素，例如银、铜等金属材料都是良好的导体导体，
2、它们的原子结构中的最外层电子极易挣脱原子核的，它们的原子结构中的最外层电子极易挣脱原子核的束缚而成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，束缚而成为自由电子，在外电场的作用下产生定向移动，形成电流。形成电流。n高价元素（如隋性气体）或高分子物质（如橡胶），它们高价元素（如隋性气体）或高分子物质（如橡胶），它们的原子结构中的最外层电子极难挣脱原子核的束缚成为自的原子结构中的最外层电子极难挣脱原子核的束缚成为自由电子，其导电性极差，称为由电子，其导电性极差，称为绝缘体绝缘体。n常用的常用的半导体半导体材料有硅（材料有硅（Si）和锗（）和锗（Ge）等，硅原子）等，硅原子中共有中共有14个电子围绕原
3、子核旋转，最外层轨道上有个电子围绕原子核旋转，最外层轨道上有4个个电子，电子，如图如图1.1（a）所示）所示。n原子最外层轨道上的电子通常称为价电子，因此硅为原子最外层轨道上的电子通常称为价电子，因此硅为4价元素。锗原子中共有价元素。锗原子中共有32个电子围绕原子核旋转，最个电子围绕原子核旋转，最外层轨道上的电子数也为外层轨道上的电子数也为4个，个，如图如图1.1（b）所示）所示，所，所以锗也为以锗也为4价元素。价元素。n为了简便起见，常用带为了简便起见，常用带+4电荷的正离子和周围的电荷的正离子和周围的4个价个价电子来表示一个电子来表示一个4价元素的原子，价元素的原子，如图如图1.1（c）所
4、示）所示。图图 1.1 硅和锗的原子结构示意图硅和锗的原子结构示意图 n硅和锗的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核硅和锗的最外层电子既不像导体那样容易挣脱原子核的束缚，也不像绝缘体那样被原子核所紧紧束缚，所的束缚，也不像绝缘体那样被原子核所紧紧束缚，所以其导电性介于导体和绝缘体之间，以其导电性介于导体和绝缘体之间，呈现出典型的半呈现出典型的半导体导电特性。导体导电特性。1.本征半导体本征半导体将硅和锗这样的半导体材料经一定的工艺高纯度提炼将硅和锗这样的半导体材料经一定的工艺高纯度提炼后，其原子排列将变成非常整齐的状态，称为单晶体，后，其原子排列将变成非常整齐的状态，称为单晶体，也称本征半导
5、体。也称本征半导体。在本征半导体中，每个原子与相邻的在本征半导体中，每个原子与相邻的4个原子结合，每个原子结合，每一原子的一原子的4个价电子分别为相邻的个价电子分别为相邻的4个原子所共有，组个原子所共有，组成所谓共价键结构，成所谓共价键结构，如图如图1.2所示。所示。图图1.2 共价键结构示意图共价键结构示意图 n共价键中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚得那样共价键中的电子不像绝缘体中的价电子被束缚得那样紧。一些价电子获得一定能量（如温度升高或被光照）紧。一些价电子获得一定能量（如温度升高或被光照）后，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，这种现后，可以克服共价键的束缚而成为自由电子，这种现象称
6、为电子象称为电子“激发激发”。n此时，本征半导体具有了一定的导电能力，但由于自此时，本征半导体具有了一定的导电能力，但由于自由电子的数量很少，所以它的导电能力比较微弱。同由电子的数量很少，所以它的导电能力比较微弱。同时，在原来的共价键中留下一个空位，这种空位称为时，在原来的共价键中留下一个空位，这种空位称为空穴空穴。空穴因失掉一个电子而带正电。由于正负电的相互吸空穴因失掉一个电子而带正电。由于正负电的相互吸引作用，空穴附近共价键中的价电子会来填补这个空位，引作用，空穴附近共价键中的价电子会来填补这个空位，于是又会产生新的空穴，又会有相邻的价电子来填补，于是又会产生新的空穴，又会有相邻的价电子来
7、填补，如此进行下去就形成了空穴移动，如此进行下去就形成了空穴移动，如图如图1.3所示所示 图图1.3 空穴和自由电子空穴和自由电子n半导体中存在着两种运载电荷的粒子，称为半导体中存在着两种运载电荷的粒子，称为载流子载流子，即即带负电的自由电子带负电的自由电子和和带正电的空穴带正电的空穴。在本征半导体。在本征半导体中，自由电子和空穴总是成对产生，成为中，自由电子和空穴总是成对产生，成为电子电子-空穴对空穴对，所以两种载流子浓度是相等的。所以两种载流子浓度是相等的。n在室温条件下，本征半导体中载流子的数目很少，所在室温条件下，本征半导体中载流子的数目很少，所以导电性能较差。温度升高时，载流子浓度将
8、按指数以导电性能较差。温度升高时，载流子浓度将按指数规律增加。规律增加。2.杂质半导体杂质半导体n若在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就能显著地若在本征半导体中掺入少量的杂质元素，就能显著地改善半导体的导电性能。根据所掺杂质的不同，掺杂改善半导体的导电性能。根据所掺杂质的不同，掺杂后的半导体可分为后的半导体可分为N（Negative）型半导体和）型半导体和P（Positive）型半导体两种。）型半导体两种。（1）N型半导体型半导体n如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的5价杂质元价杂质元素（如磷素（如磷P、砷、砷As、锑、锑Sb等），则原来晶格中的某些等）
9、，则原来晶格中的某些硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了N型半型半导体。导体。n由于这种杂质原子最外层有由于这种杂质原子最外层有5个价电子，其中个价电子，其中4个与周围个与周围硅原子形成共价键，因此还多出一个电子。这个多出的硅原子形成共价键，因此还多出一个电子。这个多出的电子由于不受共价键的束缚便成为可以导电的自由电子，电子由于不受共价键的束缚便成为可以导电的自由电子，而杂质原子成为不可移动的正离子，如图而杂质原子成为不可移动的正离子，如图1.4所示。所示。图图1.4 N型半导体结构型半导体结构n在在N型半导体中，自由电子的浓度将远远高于空穴的型半导
10、体中，自由电子的浓度将远远高于空穴的浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），浓度，因此自由电子称为多数载流子（简称多子），而其中的空穴称为少数载流子（简称少子）。而其中的空穴称为少数载流子（简称少子）。n由于杂质原子可以提供电子，故称为由于杂质原子可以提供电子，故称为施主原子施主原子。N型型半导体主要靠施主原子提供的电子导电，掺入的杂质半导体主要靠施主原子提供的电子导电，掺入的杂质原子越多，自由电子的浓度也就越高，导电性能就越原子越多，自由电子的浓度也就越高，导电性能就越强。强。（2）P型半导体型半导体n如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的如果在纯净的硅（或锗）晶体中掺入少量的3价杂质
11、元价杂质元素（如硼素（如硼B、铝、铝Al、镓、镓Ga等），则原来晶格中的某些等），则原来晶格中的某些硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了硅原子的位置将被杂质原子所代替，就形成了P型半导型半导体。由于这种杂质原子最外层有体。由于这种杂质原子最外层有3个价电子，在与周围个价电子，在与周围4个硅原子形成共价键时，就产生了一个空穴，如图个硅原子形成共价键时，就产生了一个空穴，如图1.5所示。所示。n当相邻硅原子的外层电子由于热运动填补此空穴时，当相邻硅原子的外层电子由于热运动填补此空穴时，杂质原子成为不可移动的负离子，同时在硅原子的共杂质原子成为不可移动的负离子，同时在硅原子的共价键中又产生了一个
12、新的空穴。价键中又产生了一个新的空穴。图图1.5 P型半导体结构型半导体结构n在在P型半导体中，空穴的浓度将远远高于自由电子的浓型半导体中，空穴的浓度将远远高于自由电子的浓度，因此空穴为多子，而其中的自由电子为少子。由度，因此空穴为多子，而其中的自由电子为少子。由于杂质原子中形成的空穴可以吸收电子，故称这样的于杂质原子中形成的空穴可以吸收电子，故称这样的杂质原子为杂质原子为受主原子受主原子。nP型半导体主要靠受主原子提供的空穴导电，掺入的杂型半导体主要靠受主原子提供的空穴导电，掺入的杂质原子越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。质原子越多，空穴的浓度就越高，导电性能就越强。nN型半导体和型半
13、导体和P型半导体虽然各自都有一种多数载流子，型半导体虽然各自都有一种多数载流子，但在整个半导体中正、负电荷数是相等的，即从总体但在整个半导体中正、负电荷数是相等的，即从总体上看，仍然保持着电中性。上看，仍然保持着电中性。1.1.2 PN结及其单向导电特性结及其单向导电特性n在一块本征半导体上，一边掺入施主杂质，使之成为在一块本征半导体上，一边掺入施主杂质，使之成为N型型半导体，另一边掺入受主杂质，使之成为半导体，另一边掺入受主杂质，使之成为P型半导体，那型半导体，那么在么在N型和型和P型半导体的交界面附近，就会形成具有特殊型半导体的交界面附近，就会形成具有特殊物理性能的物理性能的PN结结。nP
14、N结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。1.PN结的形成结的形成n在在N型半导体和型半导体和P型半导体的交界处存在着较大的电子和型半导体的交界处存在着较大的电子和空穴浓度差。空穴浓度差。N型区中的电子要向型区中的电子要向P型区扩散，型区扩散，P型区中的型区中的空穴要向空穴要向N型区扩散。如图型区扩散。如图1.6所示，靠近交界处的箭头表所示，靠近交界处的箭头表示了两种载流子的扩散方向。示了两种载流子的扩散方向。图图1.6 多子的扩散运动多子的扩散运动n带电粒子的扩散不会无限制地进行下去，因为带电粒带电粒子的扩散不会无限制地进行下去，因为带电粒子一旦扩散到对方就会发生子一旦扩
15、散到对方就会发生复合现象复合现象，从而使电子和，从而使电子和空穴因复合而消失。空穴因复合而消失。nN型区的电子向型区的电子向P型区扩散，并与型区扩散，并与P型区的空穴复合，型区的空穴复合，使使P型区失去空穴而留下不能移动的带负电的离子。型区失去空穴而留下不能移动的带负电的离子。nP型区的空穴也要向型区的空穴也要向N型区扩散，并与型区扩散，并与N型区的电子复型区的电子复合，使合，使N型区失去电子而留下带正电的离子。这些正、型区失去电子而留下带正电的离子。这些正、负离子所占的空间称作负离子所占的空间称作“空间电荷区空间电荷区”。n由于由于空间电荷区空间电荷区内缺少可以自由运动的载流子，所以内缺少可
16、以自由运动的载流子，所以又称又称“耗尽层耗尽层”，如图，如图1.7所示。所示。图图1.7 PN结的形成结的形成n空间电荷区中的正、负离子之间形成一个内电场，方向空间电荷区中的正、负离子之间形成一个内电场，方向是由是由N型区指向型区指向P型区。内电场对两边多子的进一步扩型区。内电场对两边多子的进一步扩散起阻挡作用，所以空间电荷区也称为散起阻挡作用，所以空间电荷区也称为“阻挡层阻挡层”。n内电场可以使两边的少子产生漂移运动。漂移运动的方内电场可以使两边的少子产生漂移运动。漂移运动的方向与扩散运动相反。扩散运动使空间电荷区加宽，内电向与扩散运动相反。扩散运动使空间电荷区加宽，内电场增强，于是扩散阻力
17、增大；漂移运动使空间电荷区变场增强，于是扩散阻力增大；漂移运动使空间电荷区变窄，内电场减弱，使扩散容易进行。窄，内电场减弱，使扩散容易进行。n当扩散运动和漂移运动作用相等时，便处于动态平衡状当扩散运动和漂移运动作用相等时，便处于动态平衡状态，空间电荷区不再扩大，态，空间电荷区不再扩大，这种动态平衡状态下的空间这种动态平衡状态下的空间电荷区就是电荷区就是PN结。结。2.PN结的单向导电性结的单向导电性如果在如果在PN结两端外加电压，将破坏其原来的平衡状态。结两端外加电压，将破坏其原来的平衡状态。当外加电压极性不同时，当外加电压极性不同时，PN结表现出截然不同的导电结表现出截然不同的导电性能，即呈
18、现出单向导电性。性能，即呈现出单向导电性。当电源的正极接当电源的正极接P区，负极接区，负极接N区，称为区，称为“加正向电压加正向电压”或或“正向偏置正向偏置”，如图如图1.8所示所示。这时外加电场方向与。这时外加电场方向与内电场方向相反，外电场将内电场方向相反，外电场将P区和区和N区的多数载流子推区的多数载流子推向空间电荷区，使其空窄，削弱了内电场，破坏了原向空间电荷区，使其空窄，削弱了内电场，破坏了原来的平衡，使扩散运动加剧，而漂移运动减弱。来的平衡，使扩散运动加剧，而漂移运动减弱。由于电源的作用，扩散运动源源不断地进行，从而形由于电源的作用，扩散运动源源不断地进行，从而形成正向电流，成正向
19、电流，PN结导通。结导通。图图1.8 PN结外加正向电压时导通结外加正向电压时导通PN结导通时的结压降只有零点几伏，所以应在它所在的结导通时的结压降只有零点几伏，所以应在它所在的回路中串联一个电阻，以限制回路中的电流，防止回路中串联一个电阻，以限制回路中的电流，防止PN结结因正向电流过大而损坏。因正向电流过大而损坏。当电源的正极接当电源的正极接N区，负极接区，负极接P区，称为区，称为“加反向电压加反向电压”或或“反向偏置反向偏置”，如图如图1.9所示所示。反向偏置时，外加电场与内电场方向相同，外电场将反向偏置时，外加电场与内电场方向相同，外电场将N区和区和P区的多数载流子拉向电源电极方向，使空
20、间电荷区的多数载流子拉向电源电极方向，使空间电荷区变宽，内电场增加，阻止扩散运动的进行，而加剧漂区变宽，内电场增加，阻止扩散运动的进行，而加剧漂移运动的进行，形成反向电流（移运动的进行，形成反向电流（也称漂移电流也称漂移电流）。）。图图1.9 PN结外加反向电压时截止结外加反向电压时截止反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的，当温度不变反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的，当温度不变时，少数载流子的浓度不变，反向电流在一定范围内将不时，少数载流子的浓度不变，反向电流在一定范围内将不随外加电场的大小而变化，所以常把反向电流称为随外加电场的大小而变化，所以常把反向电流称为“反向反向饱和电流饱和电
21、流”。由于少数载流子数目极少，所以反向电流近似为零，可以由于少数载流子数目极少，所以反向电流近似为零，可以认为认为PN结反向偏置时处于截止状态。结反向偏置时处于截止状态。PN结加正向电压时，呈现较小的正向电阻，形成较大的结加正向电压时，呈现较小的正向电阻，形成较大的正向电流，正向电流，PN结处于导通状态；结处于导通状态；PN结加反向电压时，呈结加反向电压时，呈现很大的反向电阻，流过很小的反向电流，现很大的反向电阻，流过很小的反向电流，PN结近似于结近似于截止状态。截止状态。这种只允许一个方向电流通过的特性称为这种只允许一个方向电流通过的特性称为PN结的结的单向导单向导电性。电性。3.PN结的伏
22、安特性结的伏安特性 式式1-1给出了流过给出了流过PN结的电流结的电流I与与PN结两端电压结两端电压U之间之间的关系式的关系式 I=IS(eU/UT-1)（1-1）式中，式中，IS为反向饱和电流；为反向饱和电流；UT是温度的电压当量，在是温度的电压当量，在常温（常温（300K）下，）下，UT=26mV。把式（把式（1-1）绘成曲线，如图）绘成曲线，如图1.10所示，称为所示，称为PN结的伏结的伏安特性曲线。安特性曲线。图图1.10 PN结的伏安特性曲线结的伏安特性曲线n当当PN结加正向电压时，在结加正向电压时，在U大于大于UT几倍以后，式（几倍以后，式（1-1）中中eU/UT1，于是，于是II
23、SeU/UT，表明正向电流，表明正向电流I随电压随电压U呈指数规律增加，如图中呈指数规律增加，如图中OA段，这段曲线称为段，这段曲线称为PN结结的的正向伏安特性正向伏安特性。n当当PN结加反向电压时，结加反向电压时，U0，在，在|U|大于大于UT几倍后，式几倍后，式（1-1）中的）中的eU/UT0，于是，于是I-IS，即反向电流基本上，即反向电流基本上是一个不随外加电压变化而变化的常数，如图中的是一个不随外加电压变化而变化的常数，如图中的OB段，这段曲线称为段，这段曲线称为PN结的结的反向伏安特性反向伏安特性。4.PN结的击穿结的击穿n当加于当加于PN结的反向电压增大到一定数值时，反向电流结的
24、反向电压增大到一定数值时，反向电流突然急剧增大，如图突然急剧增大，如图1.10中的中的BE段所示，这种现象称段所示，这种现象称为为PN结的反向击穿。对应于电流开始剧增的反向电压结的反向击穿。对应于电流开始剧增的反向电压UBR，称为击穿电压。，称为击穿电压。PN结的击穿分为结的击穿分为“雪崩击穿雪崩击穿”和和“齐纳击穿齐纳击穿”两种类型。两种类型。n雪崩击穿雪崩击穿是指是指PN结内作漂移运动的少数载流子受强电结内作漂移运动的少数载流子受强电场的加速作用可获得很大的能量，当它与场的加速作用可获得很大的能量，当它与PN结内的原结内的原子碰撞时，把其中的价电子碰撞出来，产生新的电子子碰撞时，把其中的价
25、电子碰撞出来，产生新的电子-空穴对。新的电子空穴对。新的电子-空穴对在强电场的作用下，再去碰空穴对在强电场的作用下，再去碰撞其他原子，产生更多的电子撞其他原子，产生更多的电子-空穴对，如同雪崩一样。空穴对，如同雪崩一样。n齐纳击穿齐纳击穿发生在高浓度掺杂的发生在高浓度掺杂的PN结中。由于杂质浓度结中。由于杂质浓度高，所以形成的高，所以形成的PN结很窄，即使外加反向电压并不很结很窄，即使外加反向电压并不很高，结内电场强度就很强，它可以把结内的束缚电子高，结内电场强度就很强，它可以把结内的束缚电子从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。从共价键中拉出来引起反向电流的剧增。n需要指出，发生上述两种击穿后
26、，只要反向电流的热需要指出，发生上述两种击穿后，只要反向电流的热效应不致损坏效应不致损坏PN结，当反向电压降到击穿电压以下时，结，当反向电压降到击穿电压以下时，PN结的性能仍可恢复。结的性能仍可恢复。1.2半导体二极管半导体二极管1.2.1 二极管的结构与分类二极管的结构与分类n如果在一个如果在一个PN结的两端加上电极引线并用外壳封装起结的两端加上电极引线并用外壳封装起来，便构成一只半导体二极管，简称二极管。来，便构成一只半导体二极管，简称二极管。n 由由P区引出的电极称为阳极或正极，由区引出的电极称为阳极或正极，由N区引出的电极区引出的电极为阴极或负极。常见的二极管的结构及符号表示如图为阴极
27、或负极。常见的二极管的结构及符号表示如图1.11所示。所示。图图1.11 二极管的结构和符号二极管的结构和符号n二极管的类型很多，按制造材料来分，有硅二极管和锗二极管的类型很多，按制造材料来分，有硅二极管和锗二极管；按二极管的结构来分，主要二极管；按二极管的结构来分，主要有点接触型和面接有点接触型和面接触型触型。1.点接触型点接触型n其结构如图其结构如图1.11（a）所示。它是用一根细金属丝压在晶）所示。它是用一根细金属丝压在晶片上，在接触点形成片上，在接触点形成PN结。由于它的结面积小，因而不结。由于它的结面积小，因而不能通过较大的电流，但结电容小，适用于高频检波及小能通过较大的电流，但结电
28、容小，适用于高频检波及小电流高速开关电路中。电流高速开关电路中。2.面接触型面接触型n其结构如图其结构如图1.11（b）所示。它用合金法做成较大接触）所示。它用合金法做成较大接触面积，允许通过较大电流，但结电容较大，只适用于面积，允许通过较大电流，但结电容较大，只适用于低频及整流电路中。低频及整流电路中。3.平面型平面型n其结构如图其结构如图1.11（c）所示。它用二氧化硅作保护层，）所示。它用二氧化硅作保护层，使使PN结不受污染，从而大大地减小了结不受污染，从而大大地减小了PN结两端的漏电结两端的漏电流，因此，它的质量较好。其中结面积大的作大功率流，因此，它的质量较好。其中结面积大的作大功率
29、整流管，结面积小的作高频管或高速开关管。整流管，结面积小的作高频管或高速开关管。1.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性n二极管的特性实际上是二极管的特性实际上是PN结特性，考虑到引线电阻及结特性，考虑到引线电阻及表面漏电流等因素的影响，实测的二极管伏安特性与表面漏电流等因素的影响，实测的二极管伏安特性与PN结伏安特性存在一定偏差。结伏安特性存在一定偏差。n图图1.12是实测二极管伏安特性曲线，该特性曲线可以分是实测二极管伏安特性曲线，该特性曲线可以分为为正向特性正向特性和和反向特性反向特性两部分。两部分。图图1.12 二极管伏安特性二极管伏安特性1.正向特性正向特性n当二极管两端加很低的正
30、向电压时（如图当二极管两端加很低的正向电压时（如图1.12中所中所指部分），外电场还不能克服指部分），外电场还不能克服PN结内电场对多数载流结内电场对多数载流子扩散运动所形成的阻力，因此这时的正向电流仍很子扩散运动所形成的阻力，因此这时的正向电流仍很小，二极管呈现的电阻较大。小，二极管呈现的电阻较大。n当二极管两端的电压超过一定数值即当二极管两端的电压超过一定数值即阈值电压阈值电压后（如后（如图图1.12中所指部分），内电场被大大削弱，二极管中所指部分），内电场被大大削弱，二极管的电阻变得很小，于是电流增长很快。的电阻变得很小，于是电流增长很快。n阈值电压阈值电压又称开启电压或死区电压，随管子
31、的材料和又称开启电压或死区电压，随管子的材料和温度的不同而改变，硅管约为温度的不同而改变，硅管约为0.6V，锗管约为，锗管约为0.2V。2.反向特性反向特性n当二极管两端加上反向电压时（如图当二极管两端加上反向电压时（如图1.12中所指部中所指部分），由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的分），由于少数载流子的漂移运动，因而形成很小的反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度的增反向电流。反向电流有两个特性，一是它随温度的增长而增长；二是当反向电压不超过某一数值时，反向长而增长；二是当反向电压不超过某一数值时，反向电流不随反向电压改变而改变，因此这个电流称为反电流不随反向电压改变而改变，因此
32、这个电流称为反向饱和电流。向饱和电流。n当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大（如图当外加反向电压过高时，反向电流将突然增大（如图1.12中所指部分），二极管失去单向导电特性，这中所指部分），二极管失去单向导电特性，这种现象称为反向击穿。产生击穿时加在二极管上的反种现象称为反向击穿。产生击穿时加在二极管上的反向电压称为反向击穿电压向电压称为反向击穿电压UBR。3.温度对二极管特性的影响温度对二极管特性的影响n温度对二极管特性有较大影响，随着温度的升高，将使温度对二极管特性有较大影响，随着温度的升高，将使正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。正向特性正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。正
33、向特性曲线左移，表明在相同的正向电流下，二极管正向压降曲线左移，表明在相同的正向电流下，二极管正向压降随温度升高而减小。随温度升高而减小。n实验表明，温度每升高实验表明，温度每升高1，正向压降正向压降约减小约减小2mV。反。反向特性曲线下移，表明温度升高时，反向电流增大。向特性曲线下移，表明温度升高时，反向电流增大。n实验表明，温度每升高实验表明，温度每升高10，反向电流反向电流约增大一倍。约增大一倍。4.理想二极管特性理想二极管特性n在电路中，如果二极管正向压降远小于和它串联的电在电路中，如果二极管正向压降远小于和它串联的电压，反向电流远小于和它并联的电流，则二极管可用压，反向电流远小于和它
34、并联的电流，则二极管可用理想二极管来等效。理想二极管来等效。n对于理想二极管，正向偏置时，二极管管压降为零，对于理想二极管，正向偏置时，二极管管压降为零，相当于短路；反向偏置时，反向电流为零，二极管相相当于短路；反向偏置时，反向电流为零，二极管相当于开路。当于开路。n例例1.1 在如图在如图1.13所示的电路中，已知输入端所示的电路中，已知输入端A的电位的电位UA=3V，输入端，输入端B的电位的电位UB=0V，电阻，电阻R接接+5V电源，电源，设二极管设二极管D1和和D2均为理想二极管，试求输出端均为理想二极管，试求输出端F的电的电位位UF。图图1.13 例例1.1的电路图的电路图解解 n因为
35、因为UBUA，所以二极管，所以二极管D2优先导通，又由于二极管优先导通，又由于二极管为理想元件，则输出为理想元件，则输出F的电位为的电位为UF=UB=0V。当。当D2导通导通后，后，D1上加的是反向电压，因而上加的是反向电压，因而D1截止。截止。n在本例中，二极管在本例中，二极管D2起钳位作用，把起钳位作用，把F端的电位钳制在端的电位钳制在0V；D1起隔离作用，把输入端起隔离作用，把输入端A和输出端和输出端F隔离开来。隔离开来。1.2.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1.最大整流电流最大整流电流IFMnIFM是指二极管长期运行时，允许通过的最大平均电流。是指二极管长期运行时，允许通过的最大
36、平均电流。其大小主要取决于其大小主要取决于PN结的结面积，并且受结温的限制。结的结面积，并且受结温的限制。使用时，二极管的平均电流不要超过此值，否则可能使用时，二极管的平均电流不要超过此值，否则可能使二极管因过热而损坏。使二极管因过热而损坏。2.最高反向工作电压最高反向工作电压UDRMnUDRM是指二极管使用时允许加在二极管上的最大反向是指二极管使用时允许加在二极管上的最大反向电压，通常取反向击穿电压电压，通常取反向击穿电压URB的的1/2。3.反向电流反向电流IRnIR是指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压是指在室温下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过二极管的反向电流。时，流过二
37、极管的反向电流。IR越小，管子的单向导越小，管子的单向导电性能越好。电性能越好。4.最高工作频率最高工作频率fMnf M值主要决定于值主要决定于PN结的结电容大小，结电容越大，二结的结电容大小，结电容越大，二极管允许的最高工作频率越低。极管允许的最高工作频率越低。1.2.4 特殊二极管特殊二极管1.稳压二极管稳压二极管（1）稳压管的工作特性稳压管的工作特性n稳压二极管是一种具有特殊用途的面接触型二极管，稳压二极管是一种具有特殊用途的面接触型二极管，由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能够起稳定由于它在电路中与适当数值的电阻配合后能够起稳定电压的作用，故称稳压管（也称齐纳二极管）。电压的作用，故
38、称稳压管（也称齐纳二极管）。n稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，如图如图1.14（a）所示）所示，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。，其差异是稳压管的反向特性曲线比较陡。图图1.14（b）是稳压管的符号表示。）是稳压管的符号表示。图图1.14 稳压管的伏安特性曲线与符号稳压管的伏安特性曲线与符号n稳压管工作于反向击穿状态，利用其反向电流变化量稳压管工作于反向击穿状态，利用其反向电流变化量IZ很大时而管子两端电压的变化量很大时而管子两端电压的变化量UZ却很小的特点，却很小的特点，在电路中达到稳压的目的。在电路中达到稳压的目的。n与一般二极管不同的是，稳
39、压管的反向击穿是可逆的。与一般二极管不同的是，稳压管的反向击穿是可逆的。当反向电压去掉之后，稳压管又可恢复正常。这一特当反向电压去掉之后，稳压管又可恢复正常。这一特性是由制造工艺来达到的。性是由制造工艺来达到的。n需注意的是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将需注意的是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将因过热而损坏。因过热而损坏。（2）稳压管的主要参数稳压管的主要参数（a）稳定电压）稳定电压UZ 它是稳压管在正常工作下管子两端的电压。这一参数随它是稳压管在正常工作下管子两端的电压。这一参数随工作电流和温度的不同略有改变，且不同管子的参数值工作电流和温度的不同略有改变，且不同管子的参数值存在一
40、定的分散性。例如，手册中给出存在一定的分散性。例如，手册中给出2CW14的的UZ=（67.5）V，是指有的管子是，是指有的管子是6V，有的是，有的是7V等等，而不等等，而不是指每只管子的稳定电压变化有如此之大。是指每只管子的稳定电压变化有如此之大。（b）稳定电流）稳定电流IZ 它是稳压管正常工作时的电流值，原则上应选它是稳压管正常工作时的电流值，原则上应选IZminIZIZmax。IZmin是稳压管能够正常稳压的最小工作电流，电流是稳压管能够正常稳压的最小工作电流，电流低于此值时稳压效果变坏，甚至不稳压。低于此值时稳压效果变坏，甚至不稳压。IZmax是稳压管能够正常稳压的最大工作电流，电流是稳
41、压管能够正常稳压的最大工作电流，电流高于此值时会因高于此值时会因PN结温度过高而损坏结温度过高而损坏。（c）动态电阻）动态电阻rZ 它是指稳压管两端电压的变化量与相应的电流变化量它是指稳压管两端电压的变化量与相应的电流变化量的比值，即的比值，即rZ=UZ/IZ。稳压管的反向伏安特性曲线。稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。（d）最大耗散功率）最大耗散功率PZM 它是指保证稳压管安全工作所允许的最大功率损耗，它是指保证稳压管安全工作所允许的最大功率损耗，PZM=UZIZmax。2.光电二极管光电二极管n光电二极管也是一种特殊二极管，又称
42、光电二极管也是一种特殊二极管，又称光敏二极管光敏二极管。其。其管壳上备有一个玻璃窗口管壳上备有一个玻璃窗口,以便接受光照。以便接受光照。n它利用光粒子激发共价键中的束缚电子而获取光生电子，它利用光粒子激发共价键中的束缚电子而获取光生电子，从 而 把 光 能 转 变 为 电 能从 而 把 光 能 转 变 为 电 能,其 灵 敏 度 的 典 型 值 为其 灵 敏 度 的 典 型 值 为0.1A/Lx(Lx光照强度单位，勒克斯光照强度单位，勒克斯)。n光电二极管的伏安特性曲线及符号表示如图光电二极管的伏安特性曲线及符号表示如图1.15所示，所示，其主要特点是反向电流与光照强度成正比。其主要特点是反向
43、电流与光照强度成正比。n人们日常生活中使用的太阳能电池正是由若干这种光电人们日常生活中使用的太阳能电池正是由若干这种光电二极管组成的储能电路。二极管组成的储能电路。图图1.15 光电二极管的伏安特性曲线及符号光电二极管的伏安特性曲线及符号3.发光二极管发光二极管n发光二极管简写为发光二极管简写为LED（Light Emitting Diode），其），其符号表示及正向导通发光时的工作电路符号表示及正向导通发光时的工作电路如图如图1.16所示所示。n在正向偏置的二极管中，多数载流子扩散到对方要被在正向偏置的二极管中，多数载流子扩散到对方要被复合，复合过程是载流子释放能量的过程，在每个复复合，复合
44、过程是载流子释放能量的过程，在每个复合的晶格上辐射成一粒光子。合的晶格上辐射成一粒光子。n硅（锗）半导体发射光的波长不在可见光谱内，故不硅（锗）半导体发射光的波长不在可见光谱内，故不能做成发光二极管。能做成发光二极管。n砷化镓（砷化镓（GaAs）、磷化镓（）、磷化镓（GaP）等化合物半导体材）等化合物半导体材料制成的料制成的PN结复合时可以发射可见光，光的颜色视具结复合时可以发射可见光，光的颜色视具体的半导体材料而定。体的半导体材料而定。图图1.16 发光二极管的符号及其工作电路发光二极管的符号及其工作电路n当发光二极管正向偏置时，其发光亮度随注入电流的当发光二极管正向偏置时，其发光亮度随注入
45、电流的增大而提高。为限制其工作电流，通常都要串接限流增大而提高。为限制其工作电流，通常都要串接限流电阻电阻R。由于发光二极管的工作电压低（。由于发光二极管的工作电压低（1.5V3V）、）、工作电流小（工作电流小（5mA10mA），所以用发光二极管做为），所以用发光二极管做为显示器件具有响应速度快、功率小、驱动简单和寿命显示器件具有响应速度快、功率小、驱动简单和寿命长等优点。长等优点。n常见的发光二极管除可以单个使用外，还有七段数码常见的发光二极管除可以单个使用外，还有七段数码管，它可以显示管，它可以显示09的的10个字形符号。个字形符号。n发光二极管广泛应用于数字钟、计算机及各种数字化发光二极
46、管广泛应用于数字钟、计算机及各种数字化仪器的数字显示中。仪器的数字显示中。1.2.5 二极管的应用二极管的应用1.单相半波整流电路单相半波整流电路n单相半波整流电路是一种最简单的整流电路。单相半波整流电路是一种最简单的整流电路。图图1.17（a）所示电路为纯电阻负载的单相半波整流电路。所示电路为纯电阻负载的单相半波整流电路。n图中图中Tr为电源变压器，它的作用是将交流电网电压为电源变压器，它的作用是将交流电网电压u1变换变换为整流电路所需要的交流电压为整流电路所需要的交流电压u2，即变压器原边电压为，即变压器原边电压为u1，副边电压为副边电压为u2；D为整流二极管，为整流二极管，RL为负载电阻
47、。为负载电阻。图图1.17 单相半波整流电路及其波形图单相半波整流电路及其波形图n设变压器副边电压设变压器副边电压u2=U2msint。当。当u2为正半周时，为正半周时，其极性为上正下负，即其极性为上正下负，即a点电位高于点电位高于b点电位，二极管点电位，二极管因承受正向电压而导通。因承受正向电压而导通。n此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等。此时有电流流过负载，并且和二极管上的电流相等。忽略二极管上的电压降，则负载两端的输出电压等于忽略二极管上的电压降，则负载两端的输出电压等于变压器副边电压，即变压器副边电压，即uo=u2，输出电压，输出电压uo的波形与变的波形与变压器副边电压压器副
48、边电压u2的波形相同。的波形相同。n当当u2为负半周时，其极性为上负下正，即为负半周时，其极性为上负下正，即a点电位低于点电位低于b点电位，二极管因承受反向电压而截止。此时负载上点电位，二极管因承受反向电压而截止。此时负载上无电流流过，输出电压无电流流过，输出电压uo=0，变压器副边电压，变压器副边电压u2全部全部加在二极管加在二极管D上。上。n综上所述，在负载电阻综上所述，在负载电阻RL上呈现的电压波形如上呈现的电压波形如图图1.17（b）所示）所示。由于这种电路只在整个交流周期的半个周。由于这种电路只在整个交流周期的半个周期二极管导通，才有电流流过负载，输出电压是单方期二极管导通，才有电流
49、流过负载，输出电压是单方向的脉动电压，故称此种电路为向的脉动电压，故称此种电路为单相半波整流电路单相半波整流电路。2.限幅电路限幅电路n所谓限幅，是指输出电压的幅度受到规定电压（限幅所谓限幅，是指输出电压的幅度受到规定电压（限幅电压）的限制。电压）的限制。n图图1.18（a）是一个二极管限幅电路，）是一个二极管限幅电路，UL为限幅电压。为限幅电压。在实际电路的分析中，通常把二极管看成理想器件，在实际电路的分析中，通常把二极管看成理想器件，即当其正向通导时，相当于短路，反向截止时，相当即当其正向通导时，相当于短路，反向截止时，相当于开路。对于图于开路。对于图1.18（a）的电路，当输入电压）的电
50、路，当输入电压ui高于高于限幅电压限幅电压UL时，加在二极管上的电压（时，加在二极管上的电压（ui-UL）为正，）为正，二极管导通，相当于短路，输出电压二极管导通，相当于短路，输出电压uo被限定在被限定在UL值值上；反之，当输入电压上；反之，当输入电压ui低于限幅电压低于限幅电压UL时，加在二时，加在二极管上的电压（极管上的电压（ui-UL）为负，二极管截止，）为负，二极管截止，uo=ui。n即即uo与与ui的关系为的关系为 uo=UL(uiUL)ui(uiUL)（1-2）n由此得到输出电压由此得到输出电压uo的波形如图的波形如图1.18（b）所示。显然，）所示。显然，当限幅电压当限幅电压UL
