問題：1.常用電子器件有哪些？2.這些器件有什么特點？主講:章春娥第2章二極管及其典型應用第2章二極管及其典型應用2.1半導體基礎知識2.2PN結2.3二極管的結構與類型2.4二極管典型應用電路2.1半導體基礎知識一、半導體的特性二、本征半導體三、雜質半導體一、半導體特性何謂半導體？物體分類導體—

導電率為105s.cm-1，量級，如金屬絕緣體—

導電率為10-22-10-14s.cm-1量級，如：橡膠、云母、塑料等。—

導電能力介于導體和絕緣體之間。如：硅、鍺、砷化鎵等。半導體

半導體特性摻入雜質則導電率增加幾百倍摻雜特性半導體器件溫度增加使導電率大為增加溫度特性熱敏器件光照不僅使導電率大為增加還可以產生電動勢光照特性光敏器件光電器件二、本征半導體及半導體的能帶本征半導體完全純凈、結構完整的半導體晶體稱為本征半導體。純度：99.9999999%，“九個9”它在物理結構上呈單晶體形態。常用的本征半導體+4晶體特征在晶體中，質點的排列有一定的規律。硅（鍺）的原子結構簡化模型價電子正離子注意：為了方便，原子結構常用二維結構描述，實際上是三維結構。鍺晶體的共價鍵結構示意圖半導體能帶結構示意圖價帶中留下的空位稱為空穴導帶自由電子定向移動形成電子流本征半導體的原子結構和共價鍵結構共價鍵內的電子稱為束縛電子價帶禁帶EG外電場E束縛電子填補空穴的定向移動形成空穴流12二、本征半導體及半導體的能帶（續）掙脫原子核束縛的電子稱為自由電子熱激發、本征激發1.本征半導體中有兩種載流子—自由電子和空穴它們是成對出現的2.在外電場的作用下，產生電流—電子流和空穴流電子流自由電子作定向運動形成的與外電場方向相反自由電子始終在導帶內運動空穴流價電子遞補空穴形成的與外電場方向相同空穴始終在價帶內運動二、本征半導體及半導體的能帶（續）3.本征半導體在熱力學溫度0K和沒有外界能量激發下，不導電。本征半導體的載流子的濃度電子濃度ni

:表示單位體積的自由電子數空穴濃度pi:表示單位體積的空穴數。A0—與材料有關的常數EG—禁帶寬度，能量度量T—絕對溫度K—玻爾曼常數結論1.本征半導體中電子濃度ni=空穴濃度pi

2.載流子的濃度與T、EG有關

二、本征半導體及半導體的能帶（續）

載流子的產生與復合g——載流子的產生率即每秒成對產生的電子空穴的濃度。R——載流子的復合率即每秒成對復合的電子空穴的濃度。當達到動態平衡時g=R

R=r

nipi

其中r—復合系數，與材料有關二、本征半導體及半導體的能帶（續）三、雜質半導體雜質半導體摻入雜質的本征半導體。摻雜后半導體的導電率大為提高。

摻入的三價元素如B（硼）、Al（鋁）等，形成P型半導體，也稱空穴型半導體。

摻入的五價元素如P（磷）、砷等，形成N型半導體，也稱電子型半導體。

N型半導體在本征半導體中摻入的五價元素如P。價帶導帶+++++++施主能級自由電子是多子空穴是少子雜質原子提供由熱激發形成由于五價元素很容易貢獻電子，因此將其稱為施主雜質。施主雜質因提供自由電子而帶正電荷成為正離子。三、雜質半導體（續）

P型半導體在本征半導體中摻入的三價元素如B。價帶導帶-------受主能級自由電子是少子空穴是多子雜質原子提供由熱激發形成因留下的空穴很容易俘獲電子，使雜質原子成為負離子。三價雜質因而也稱為受主雜質。三、雜質半導體（續）雜質半導體（續）

雜質半導體的載流子濃度

因摻雜的濃度很小，可近似認為復合系數R保持不變，在一定溫度條件下，空穴與電子濃度的乘積為一常數，即存在如下關系。n·p=ni·pi=ni2=C

在雜質型半導體中，多子濃度比本征半導體的濃度大得多，而少子濃度比本征半導體的濃度小得多，但兩者乘積保持不變，并等于ni2

。N型半導體：施主雜質的濃度ND

n表示總電子的濃度

p表示空穴的濃度n

=p+ND≈ND（施主雜質的濃度>>p）P型半導體：NA表示受主雜質的濃度，

n表示電子的濃度

p表示總空穴的濃度p=n+NA≈NA

（受主雜質的濃度>>n）2.2PN結一、PN結的形成二、PN結的接觸電位差三、PN結的伏安特性四、PN結電容五、PN結的反向擊穿六、PN結的光電效應與電致發光一、PN結的形成P區N區擴散運動載流子從濃度大向濃度小的區域擴散,稱擴散運動形成的電流成為擴散電流內電場內電場阻礙多子向對方的擴散即阻礙擴散運動同時促進少子向對方漂移即促進了漂移運動擴散運動=漂移運動時達到動態平衡3耗盡層=PN結導電性能？內電場阻止多子擴散

因濃度差多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區空間電荷區形成內電場內電場促使少子漂移擴散運動多子從濃度大向濃度小的區域擴散,稱擴散運動。擴散運動產生擴散電流。漂移運動少子向對方漂移,稱漂移運動。漂移運動產生漂移電流。動態平衡擴散電流=漂移電流，PN結內總電流=0。PN結穩定的空間電荷區，又稱高阻區，也稱耗盡層。一、PN結的形成（續）內電場U內電場的建立，使PN結中產生電位差。從而形成可以使PN結導電的接觸電位U接觸電位U決定于材料及摻雜濃度二、PN結的接觸電位差硅：U=0.6～0.7V鍺：U=0.2～0.3V三、PN結的伏安特性1.PN結加正向電壓時的導電情況

外電場方向與PN結內電場方向相反，削弱了內電場。于是內電場對多子擴散運動的阻礙減弱，擴散電流加大。擴散電流遠大于漂移電流，可忽略漂移電流的影響(高于接觸電位)。

PN結呈現低阻性，處于導通狀態。P區的電位高于N區的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；內4外2.PN結加反向電壓時的導電情況

外電場與PN結內電場方向相同，增強內電場。內電場對多子擴散運動阻礙增強，擴散電流大大減小。少子在內電場的作用下形成的漂移電流加大。此時PN結區少子漂移電流大于擴散電流，可忽略擴散電流。

PN結呈現高阻性，近似認為截止狀態。P區的電位低于N區的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏；內5外三、PN結的伏安特性（續）

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。小結：

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。67三、PN結的伏安特性（續）問題：有必要加電阻R嗎？式中Is反向飽和電流，10-8~10-14A；

UT=kT/q溫度電壓當量

k波爾茲曼常數；q為電子的電量；

T=300k（室溫）時UT=26mvPN結兩端的電壓與流過PN結電流的關系式由半導體物理可推出：當加反向電壓時：當加正向電壓時：(U>>UT)三、PN結的伏安特性（續）3.PN結電流方程當加反向電壓時：當加正向電壓時：(U>>UT)三、PN結的伏安特性（續）結電流方程IU四、PN結電容勢壘電容CB

當外加電壓不同時，耗盡層的電荷量隨外加電壓而增多或減少，與電容的充放電過程相同。耗盡層寬窄變化所等效的電容為勢壘電容。

擴散電容是由多子擴散后，在PN結的另一側面積累而形成的。因PN結正偏時，由N區擴散到P區的電子，與外電源提供的空穴相復合，形成正向電流。剛擴散過來的電子就堆積在P區內緊靠PN結的附近，形成一定的多子濃度梯度分布曲線。四、PN結電容（續）注意：勢壘電容和擴散電容均是非線性電容,并同時存在。外加電壓變化緩慢時可以忽略，但是變化較快時不容忽略。擴散電容CD

外加電壓不同情況下，P、N區少子濃度的分布將發生變化，擴散區內電荷的積累與釋放過程與電容充放電過程相同，這種電容等效為擴散電容。五、PN結的反向擊穿反向擊穿：PN結上所加的反向電壓達到某一數值時，反向電流激增的現象。雪崩擊穿當反向電壓增高時，少子獲得能量高速運動，在空間電荷區與原子發生碰撞，產生碰撞電離。形成連鎖反應，象雪崩一樣。使反向電流激增。齊納擊穿當反向電壓較大時，強電場直接從共價鍵中將電子拉出來，形成大量載流子,使反向電流激增。擊穿是可逆。摻雜濃度小的二極管容易發生。擊穿是可逆。摻雜濃度大的二極管容易發生。不可逆擊穿—熱擊穿。PN結的電流或電壓較大，使PN結耗散功率超過極限值，使結溫升高，導致PN結過熱而燒毀。

由此可以得出結論：PN結具有單向導電性。小結：

PN結加正向電壓時，呈現低電阻，具有較大的正向擴散電流；PN結加反向電壓時，呈現高電阻，具有很小的反向漂移電流。67三、PN結特性總結一、晶體二極管的結構類型二、晶體二極管的伏安特性三、晶體二極管的等效電阻四、光電二極管五、發光二極管六、穩壓二極管七、變容二極管2.4、二極管的典型應用2.3二極管的結構與類型一、晶體二極管的結構類型在PN結上加上引線和封裝，就成為一個二極管。二極管按結構分點接觸型面接觸型平面型PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路PN結面積大，用于工頻大電流整流電路往往用于集成電路制造工藝中。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。伏安特性：是指二極管兩端電壓和流過二極管電流之間的關系。由PN結電流方程求出理想的伏安特性曲線，IU1.當加正向電壓時PN結電流方程為：2.當加反向電壓時I

隨U↑，呈指數規律↑I=-Is

基本不變二、晶體二極管的伏安特性晶體二極管的伏安特性正向起始部分存在一個死區或門坎，稱為門限電壓。

加反向電壓時，反向電流很小。Is硅(nA)<Is鍺(A)

硅管比鍺管穩定。當反壓增大到VBR時再增加，反向激增，發生反向擊穿，VBR稱為反向擊穿電壓。實測伏安特性①②③二、晶體二極管的伏安特性（續）材料門限電壓導通電壓Is/μA硅0.5～0.6V0.7V<0.1鍺0.1～0.2V0.3V幾十非線性電阻直流電阻R(也稱靜態電阻）交流電阻r（又稱動態電阻或微變電阻）1.直流電阻及求解方法定義二極管兩端的直流電壓UD與電流ID之比IDIUUDD三、晶體二極管的等效電阻三、晶體二極管的等效電阻(續）直流電阻的求解方法：借助于靜態工作點Q（IQ，UQ）來求。IDEDDRLUD方法一：解析法列寫二極管電流方程和電路方程：解方程組，得到二極管靜態工作電流IQ和電壓UQ，三、晶體二極管的等效電阻(續）方法二：圖解法IDEDDRLUDIUU=ED-IRL繪制直流負載線U=0I=ED/RLI=0U=EDED/RLEDQIQUQ由靜態工作點Q點得IQ和UQ，從而求出直流電阻直流負載線與伏安特性曲線的交點由電路可列出方程：2.交流電阻rD的計算方法RLEDDUIQUUI室溫（T=300K）下,UT=26mV。交流電阻：r=26mV/IQ

(mA)定義：注意:交流電阻rD與其靜態工作點Q有關。說明：二極管正偏時，rD很小（幾至幾十歐姆）二極管反偏時，rD很大（幾十千至幾兆歐姆）。四、光電二極管1定義：有光照射時，將有電流產生的二極管。2類型：PIN型、PN型、雪崩型3結構：和普通的二極管基本相同4工作原理：利用光電導效應工作，PN結工作在反偏態，當光照射在PN結上時，束縛電子獲得光能變成自由電子，形成光生電子—空穴對，在外電場的作用下形成光生電流。DEDDRLUDIP注意：應在反壓狀態工作光電二極管1.定義：將電能轉換成光能的特殊半導體器件。3.常用驅動電路：直流驅動電路交流驅動電路普通發光二極管紅外發光二極管……2.類型五、發光二極管4.工作原理：當管子加正向電壓時，在正向電流激發下，管子發光，屬電致發光。注意：發光二極管在加正向電壓時才發光。六、穩壓二極管穩壓二極管是應用在反向擊穿區的特殊二極管穩壓特性：在反向擊穿時，電流急劇增加而PN結兩端的電壓基本保持不變。正向部分與普通二極管相同。工作區在反向擊穿區RZUZ特性參數：1.穩定電壓VZ:反向擊穿電壓。2.最大工作電流Izmax:受耗散功率的限制，使用時必須加限流電阻。避免熱擊穿！穩壓二極管特性參數：1.穩定電壓VZ:2.最大工作電流Izmax:3.動態電阻，RZ很小，十幾歐姆~幾十歐姆。穩壓管使用方法：穩壓二極管在工作時應反接,并串入一只電阻。電阻R的作用：一是起限流作用，以保護穩壓管。二是當輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調節穩壓管的工作電流，從而起到穩壓作用。六、穩壓二極管（續）Z七、變容二極管

利用結勢壘電容CT隨外電壓U的變化而變化的特點制成的二極管。符號：注意：使用時，應加反向電壓。半導體二極管的型號國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：附錄半導體二極管圖片附錄半導體二極管圖片附錄半導體二極管圖片附錄~220Ve2iDuL應用一：整流電路整流電路是最基本的將交流轉換為直流的電路。半波整流u2E2m+-iDuL~220Vu2iDuL+-2.4、二極管的典型應用半波整流輸出電壓平均值為UDC設：u2是輸入信號電壓，U2是u2的有效值，E2m是u2的最大值E2m設全波整流~220VuLioRLe2e2’+--+~220VuLioRLu2′u2u2uL2.4二極管的典型應用（續）橋式整流~220Vu2uL+-~220Vu2uL+-u2uLUDC≈0.9U22.4二極管的典型應用（續）u2>0時u2<0時應用二：LED顯示器abcdfgabcdefgabcdefg+5V共陽極電路共陰極電路控制端為高電平對應二極管發光控制端為低電平對應二極管發光e2.4二極管的典型應用（續）應用三：穩壓電路。工作原理：利用穩壓二極管提供穩定的直流電壓。第八章重點介紹2.4二極管的典型應用（續）應用四：限幅電路。工作原理：利用二極管單向導電性，限定輸出信號的幅度。2.4二極管的典型應用（續）應用五：鉗位電路。結論：利用二極管和電容，把一個雙向的周期信號信號轉變為單向的信號，并保持原信號波形的電路。工作原理：當輸入ui>0時，二極管瞬間導通，C快速充電，Uc=V1，充電結束，R無電流，輸出uo=0.

當輸入ui<0時，二極管截止，C放電緩慢，輸出uo=-Uc+ui=-V1-V2。小結

半導體是導電能力介于導體和絕緣體之間的一種物體。具有一系列特殊的性能，如摻雜、光照和溫度都可以改變半導體的導電性能。利用這些性能可制作成具有各種特性的半導體器件。

PN結是構成半導體器件的基礎，具有單向導電性、非線性電阻特性、電容效應、擊穿穩壓特性。當PN結加正向電壓時，PN結導通，呈現低阻特性。當PN結加反向電壓時，PN結截止，呈現高阻特性。晶體二極管實際上就是一個PN結，描述二極管的性能常用二極管的伏安特性，可用二極管的電流方程來描述。即二極管兩端的電壓和流過的電流滿足I=Is(eU/UT-1)。硅管：當UD>0.7V時，二極管導通，導通后，UD=0.7V鍺管：當UD>0.3V時，二極管導通，導通后，UD=0.3V穩壓管是一種應用很廣的特殊類型的二極管，工作區在反向擊穿區。可以提供一個穩定的電壓。使用時注意加限流電阻。晶體二極管基本用途是整流/穩壓和限幅等。半導體光電器件分光敏器件和發光器件，可實現光