第2章 半导体二极管及其应用B

第2章 半导体二极管及其应用

第2章 半导体器件基础

2.1 教学基本要求

主 要 知 识 点 本征半导体，掺杂半导体 半导体基础知识 PN 结的形成 PN 结的单向导电性 PN 结的电容效应 二极管的结构及类型 二极管的伏安特性及主要参数 半导体二极管 二极管的应用（整流和限幅） 硅稳压管的伏安特性、主要参数 硅稳压管稳压电路 光电二极管，变容二极管 晶体管的结构及其工作原理 晶体三极管 电流分配与放大作用 晶体管的工作原理、伏安特性及主要参数 场效应管的结构与类型 场效应管 场效应管的工作原理 场效应管的伏安特性及主要参数 场效应管放大器的结构 √ √ √ √ 教 学 基 本 要 求 熟练掌握 正确理解 √ √ √ √ √ √ √ √ √ √ 一般了解 √ √ √ √ 2.2 重点和难点 一、重点

1．理解PN结的形成和特点。

2．理解PN结的单向导电性、半导体二极管的伏安特性。 二、难点

1．正确理解PN结的组成及其工作原理。

2．正确理解二极管(包括稳压管)的伏安特性和特点。

2.3 知识要点

什么是半导体

N型和P型半导体 1．半导体与PN结 PN结的形成

PN结的单向导电性 PN结的伏安特性

5

第2章 半导体二极管及其应用

二极管的结构及分类 二极管的伏安特性 2．半导体二极管及其应用 主要参数 等效电路 二极管的应用

稳压二极管

3．特殊二极管 发光二极管 光电二极管 变容二极管 晶体管的结构及类型 电流分配及电流放大作用 4．双极型晶体管 共发射极特性、工作区域 主要参数

场效应管的结构及类型 场效应管的工作原理 5．结型场效应管 转移特性和输出特性 主要参数

MOS场效应管的结构及类型 MOS场效应管的工作原理 6．MOS场效应管 转移特性和输出特性 主要参数

MOS场效应管的使用注意事项

2.4 主要内容

2.4.1 半导体及其特性

半导体的导电能力介于导体和绝缘体之间，故称为半导体，典型的半导体材料有硅（Si）、锗（Ge）、硒（Se）、砷化镓（GaAs）及许多金属氧化物和金属硫化物等。半导体具有以下特性： （1）热敏特性：当半导体受热时，电阻率会发生变化，利用这个特性制成热敏电阻。 （2）光敏特性：当半导体受到光照时，电阻率会发生改变，利用这个特性制成光敏器件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。

（3）杂敏特性：当在纯净的半导体中掺入微量的其它杂质元素(如磷、硼等)时，其导电能力会显著增加，利用这个特性制成半导体器件，如半导体二极管、半导体三极管、场效应管、晶闸管等等。 2.4.2 本征半导体

1．本征半导体

具有晶体结构的纯净半导体称为本征半导体。最常用的半导体材料为硅（Si）和锗（Se）。

6

第2章 半导体二极管及其应用

2．半导体的共价键结构

在硅或锗的本征半导体中，由于原子排列整齐和紧密，原来属于某个原子的价电子，可以和相邻原子所共有，形成共价键结构。图2-1所示为硅和锗共价键的(平面)示意图。

3．载流子

在绝对零度和未获得外加能量时，半导体不具备导电能力。但由于共价键中的电子为原子核最外层电子，在温度升高或者外界供给能量下最外层电子容易被热激发成为自由电子，如图2-2所示。共价键失去电子后留下的空位称为空穴，电子和空穴成对出现，称为载流子。空穴参与导电是半导体导电的特点，也是与导体导电最根本的区别。 2.4.3 N型半导体和P型半导体

为了提高本征半导体导电能力，应增加载流子的数目，在本征半导体中掺入微量的其它元素（称为掺杂），形成杂质半导体。 1．N型半导体

如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的5价元素（如磷）后，其自由电子数目远远大于空穴数目，故这种半导体称为N型电子半导体，简称N型半导体。N型半导体中自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子），磷原子称为施主杂质。而且多数载流子决定于掺杂浓度，少数载流子取决于温度。 2．P型半导体

如果在硅或锗的本征半导体中掺入微量的3价硼（B）元素，则形成P型半导体。在P型半导体中，空穴的数量远远大于自由电子数，空穴为多数载流子，自由电子为少数载流子，故P型半导体也称为空穴半导体，硼

(a)+4价电子+4共价键+4+4空穴+4自由电子+4+4硅或锗的原子核+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4图2-1 共价键结构示意图图2-2 自由电子和空穴的形成原子称为受主杂质。

无论是N型半导体还是P型半导体，尽管有一种载流子占多数，但整体上仍然是电中性的。 2.4.4 PN结及其单向导电性 1. PN结的形成

利用特殊的制造工艺，在一块本征半导体（硅或锗）上，一边掺杂成N型半导体，一边形成P型半导体，这样在两种半导体的交界面就会形成一个空间电荷区，即PN结。由于PN结

7

(c)O(b)图2-3 PN 结的形成第2章 半导体二极管及其应用

的特殊性质，使得它成为制成各种半导体器件的基础。PN结形成的示意图如图2-3所示。 2．工作原理

由于两边载流子浓度的差异，P型半导体中的“多子”空穴向N型区扩散，而N型半导体中的“多子”自由电子向P型区扩散。在“多子”扩散到交界面附近时，自由电子和空穴相复合，在交界面附近只留下不能移动的带正负电的离子，形成一空间电荷区并形成的内电场使P区的“少子”电子和N区的“少子”空穴漂移。扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，PN结就形成了。

3．PN结的单向导电性 1）PN结外加正向电压

如图2-4所示电路图，P区接电源的正极、N区接电源的负极，形成较大的扩散电流IF，其方向是由P区流向N区，该电流称为正向电流。在一定范围内，随着外加电压的增大正向电流也增大，称之为PN结的正向导通，此时PN结呈低电阻状态。 2）PN结外加反向电压

PN结外加反向电压，即P区接电源的负极、N区接电源的正极，如图2-5所示。此时即在外电场的作用下，P区的自由电子向N区运动，N区的空穴向P区运动，形成反向电流IR，其方向是由N区流向P区。由于少数载流子是由于价电子获得能量挣脱共价键的束缚而产生的，数量很少，故形成的电流也很小，IR?0，此时PN反向截止，呈现高阻状态。

总之，当PN结加正向电压时导通，呈低阻态，有较大的正向电流流过；当PN结加反向电压时截止，呈高阻态，只有很小的反向电流（纳安级）流过。PN结的这种特性称为单向导电性。

阴极阳极F(b)(a)(a)UU0U0?UU(b)RU0?UU0图2-4 PN 结加正向电压时导通图2-5 PN 结加反向电压时截止(a) 二极管的表示符号2AP、2CP1N4000系列2.5 半导体二极管

2.5.1 二极管的结构、类型及符号

将一个PN结封装起来，引出两个电极，就构成半导体二极管，也称晶体二极管。其电路中的表示符号如图2-6（a）所示。二极管的外形如图2-6（b）所示。

二极管按材料可分为硅二极管、锗二极管、砷化镓等；按工艺结

2CZ132CZ30(b) 几种二极管的外型图2-6 半导体二极管构可分为点接触型、面接触型和平面型二极管。点接触型二极管的PN结是由一根很细的金属丝和

8

第2章 半导体二极管及其应用

一块半导体通过瞬间大电流熔接在一起形成的，其结面积很小，故不能承受大电流和较高的反向电压，一般用于高频检波和开关电路。面接触型二极管的PN结采用合金法或扩散法形成，其结面积比较大，可以承受大电流。但由于结面积大，其结电容也比较大，故工作频率低，一般用在低频整流电路。

2.5.2 二极管的伏安特性及主要性能参数 2.5.2.1二极管的伏安特性 1．正向特性：

二极管的正向特性对应图2-7曲线的（1）段，此时二极管加正向电压，阳极电位高于阴极电位。当正向电压较小时（小于开启电压），二极管并不导通。硅材料的二极管开启电压约为0.5V，锗材料的二极管开启电压约为0.1V。

当正向电压足够大，超过开启电压后，内电场的作用被大

i/mA30201080604020O(2)0.2锗管硅管(3)图2-7 二极管伏安特性0.6(1)u/vURM大削弱，电流很快增加，二极管正向导通，此时硅二极管的正向导通压降在0.6~0.8V，典型值取0.7V；锗二极管的正向导通压降在0.1~0.3V，典型值取0.2V。

二极管正向导通时的电流和电压近似满足下式：

iD?IS(eu/UT?1) (2-1)

?23式中iD为二极管通过的电流，u为二极管两端的电压；U T为温度电压当量，且UT?kT/q，其中k为波耳兹曼常数，k?1.38?10?19J/K，q为电子电荷，q?1.60?10C，T为热力学温度，

即绝对温度（300K），室温下UT?26mV；IS为二极管的反向饱和电流。 2．反向特性：

二极管的反向特性对应图2-7所示曲线的（2）段，此时二极管加反向电压，阳极电位低于阴极电位。应注意到，硅管的反向电流要比锗管小得多，小功率硅管的反向饱和电流一般小于0.1μA，锗管约为几个微安。 3．击穿特性：

当二极管反向电压过高超过反向击穿电压时，二极管的反向电流急剧增加，对应图2-7图中的（3）段。由于这一段电流大、电压高， PN结消耗的功率很大，容易使PN结过热烧坏，一般二极管的反向电压在几十伏以上。 2.5.2.2 主要性能参数

1. 额定整流电流IF：二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流值。 2. 最高反向工作电压URM：保证二极管不被击穿的最高反向电压。 3. 反向饱和漏电流IS：二极管两端加反向电压时流过二极管的电流。 4. 直流电阻RD? 5. 交流电阻rd?UD：RD的几何意义是静态工作点Q点到原点的直线斜率的倒数。 ID?Q?uD?iDduD：几何意义是二极管伏安特性曲线上Q点处切线斜率的倒数。 diDQ9

第2章 半导体二极管及其应用

当－5V?ui??5V时，两个二极管都截止，uo?ui。 故其电压传输特性如题2-5图答案所示。 ② 分析讨论：

（ⅰ）ui?5 V时，uo?ui； （ⅱ）ui?5 V时，

-55uo/V5-5ui/Vuo?5 V? 当?t?ui?5 V11?ui?2.5 V?25sin?t?2.5V 222题2-5图答案题2-8图A?时，uo?12.5V?2.5 V?15V达到正向最值； 21 （ⅲ）ui??5 V时，uo?25sin?t?2.5 V

23? 当?t??时，uo??12.5V?2.5 V??15V达到负向最值；

2画出输出电压波形如下：

uo0.5Um?2.5V?5V+12V?tARD1D23.9 kπ?5V2πUF?0.5Um?2.5V

B题2－6图 题2-5电压传输波形图

2-6 如图2-58所示，求出下列几种情况下的输出电压Uo(设二极管为理想器件)。 1）UARDD?UB?0；

2）UA?3V、UB?0； 3）UA?UB?3V。 解：由优先导通的原则，有： （1）D1、D2都导通，则Uo?0 V ； （2）D1截止、D2导通，则Uo?0 V； （3）D1、D2都导通，则Uo?3 V；

ui4V(a)uouiR4V(b)uoRRD24V(c)uiD12VuouiD12V(d)D24Vuo题2-7图

2-7 在图2-59所示的各限幅电路中，设二极管为理想器件，已知ui?6sin?tV，试画出输出电压uo的波形。

解：（a）当ui?－4V时，二极管截止，uo?ui；

当ui??4V时，二极管导通，uo??4V。

25

第2章 半导体二极管及其应用

uo+6V?t-4V-6Vπ2π （b）当ui?－4V时，二极管截止，uo??4V ；

当ui??4V时，二极管导通，uo?ui。

uo+6V?tπ2π （c）当ui?3V时，二极管D2导通，uo?3V ；

当ui?3V时，二极管D1导通，uo?3V。 故uo?3V。

-4V-6Vuo?6V?3Vπ?6V2π?t

（d）当ui?3V时，二极管D2导通，uo?3V；

当ui?－3V时，二极管D1导通，uo?－3V。 当－3V?ui?3V时，两个二极管都截止，uo?ui。

uo?6V?3V?3V?6Vπ2π?t

2-8 在图2-60中，已知U=20V、R1?0.8 kΩ、R2?1kΩ，稳压管的稳压值为UZ?10V，最大稳定电流IZM?8mA。试求稳压管中流过的电流IZ是否超过IZM?8mA。如果超过，应采取什么措施？ 解： ①IR?U10U?UZ20?10?10 mA ??12.5 mA，Io?Z?R21 kR10.8 k IZ?IR?Io?12.5?10?2.5 mA?IZM

②如果超过，应适当增大限流电阻R1，或降低输入电压U；

IRR1IZIoUZR226 R1U

DZUoUZ1DZ1uiUZ2题2-9图uoDZ2题2-8图第2章 半导体二极管及其应用

2-9 稳压电路如图2-61所示，若输入正弦交流电压ui幅度足够大，试画出输出电压uo的波形。 解：设稳压管正向导通压降均为0.5V，

当ui?UZ2＋0.5V时，稳压管DZ2工作，uo?UZ2＋0.5V ； 当ui?－UZ1－0.5V时，稳压管DZ1工作，uo?－UZ1－0.5V。

当－UZ1－0.5V?ui?UZ2＋0.5V时，两个稳压管都不能正常稳压，uo?ui。 画出输出电压uo的波形如下：

R1uoUZ2?0.5V120?π2π?tui 题2-10图VD?UZ2?0.5V2-10 在图2-62所示电路中，问发光二极管是否会发光？为什么？

答：只要ui的值大于发光二极管的开启电压，当ui为正半周时，发光二极管处于正偏导通状态，电路中就有导通电流，发光二极管就会发光。

2-11 用直流电压表测得4个工作于放大状态的晶体管的管脚电位如表2-2所示，试判断其管脚、管型及材料。 答：

C2.8VB7V2.9VBC7.5VB8VC5VBE8.7VE8.3VC8V5.5V表2-2 题2-11表 A B C 5 8 D 8 5.5 E2.1V(A)E2.6VU1(V) 2.8 2.9

(B)

(C)

(D)

U2(V) 2.1 2.6 其中，(A)为NPN管、硅材料，(B)为NPN管、锗材料，(C)为PNP管、硅材料，(D)为PNP管、锗材料。

U3(V) 7 7.5 8.7 8.3 2-12 某一晶体管的PCM=1000mW、ICM=20mA、UBR(CEO) =15V。试问在下列几种情况下，哪种是正常工作状态？

1）UCE=3 V、IC=10 mA；2）UCE =2 V、IC =40 mA；3）UCE =6 V、IC =200 mA

答：晶体管正常的工作状态要求满足：①PC?ICUCE?PCM；②IC?ICM；③UCE?UBR(CEO)； 所以，符合上述三个条件的工作状态只有第（1）种情况UCE=3 V、IC=10 mA。

27

第2章 半导体二极管及其应用

2-13 在某共发射极放大电路中，电源电压UCC＝12V，若用电压表测得晶体管三个极UB=4.5 V、UE =3.8 V、UC =8 V，试判断晶体管的工作状态；若UB=4.5 V、UE =3.8 V、UC =4V，晶体管的工作状态又如何？若UB=2.3 V、UE =1.6 V、UC =11.2V, 则晶体管的工作点靠近输出特性的哪个区域？ 答：① UB=4.5 V 、UE =3.8 V 、UC =8 V时，该晶体管处于放大状态；

② UB=4.5 V 、UE =3.8 V 、UC =4V时，该晶体管处于饱和状态； ③ UB=2.3 V 、UE =1.6 V 、UC =11.2V时，该晶体管靠近截止区；

2-14 场效应管与晶体管的工作原理有什么不同？MOSFET与JFET的工作原理有什么不同？ 答：①场效应管是压控管，是通过uGS来影响iD电流，即iD?gmuGS，而晶体管是流控管，是通过iB来影响iC电流，即iC??iB；场效应管栅极几乎不取电流（ig≈0）；而晶体管工作时基极总要吸取一定的电流；场效应管只有多子参与导电；晶体管有多子和少子两种载流子参与导电，而少子浓度受温度、辐射等因素影响较大，因而场效应管比晶体管的温度稳定性好、抗辐射能力强。

②MOSFET与JFET的工作原理上的区别： MOSFET 有增强型、耗尽型 MOSFET是通过GS极之间外加电压，在绝缘层下面吸附或排斥反型载流子，从而影响DS极之间导电沟道的形成； 增强型有开启电压UGS(th)，耗尽型有夹断电压只有耗尽型 JFET的DS极之间本来就存在导电沟道，JFET 的GS极之间外加电压，用来调节GS极之间的反偏PN结的宽度，从而影响DS极之间导电沟道的宽度，实现uGS对iD电流的控制； JFET UGS(off)等概念；

2-15 试从图2-63所示FET的输出特性，做出uDS?3 V时的转移特性曲线。

iDmA6543210iDmAuGS?0V-0.2V-0.4V-0.6V12345uDS?3V654321uDSv-0.6-0.4-0.20uGSV题2-16 图 解：

转移特性曲线

2-16 一个FET的转移特性曲线如图2-64所示，试问：(1) 这是什么类型的FET？(2)该FET的夹断电压UGS(off)和饱和漏电流IDSS各是多少。

解： 图2-64(a)中: (1) 该FET为P沟道JFET，(2) 该FET的夹断电压UGS(off)??2V；IDSS?4 mA 图2-64(b)中: (1) 该FET为P沟道耗尽型MOSFET，(2) 该FET的夹断电压UGS(off)??2V；IDSS?3 mA

28

第2章 半导体二极管及其应用

iDmA-1iDmA2iDmA401uGSV-1-2-302 5uGSV 4 3 2 1uGSV-4(a)-4-5(b)0

2-17 根据MOSFET漏极电流iD的实际方向得到了如图2-65所示转移特性曲线。请回答以下问题： 1) 该MOSFET是增强型还是耗尽型？

2) 是N沟道还是P沟道FET？计算开启电压UGS(th)。 解： (1) 该MOSFET是增强型；

(2) 是N沟道FET，开启电压UGS(th)?3 V；

题2-16 图123题2-18 图 29

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/c0c7.html