常用半導體器件原理(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 晶體二極管 二極管的伏安特性 一一 指數特性 )1()1( TDD /S/SD ???? UukTqu eIeIiIS 為反向飽和電流， q 為電子電量 ( ? 10? 19C) ； UT = kT/q，稱為熱電壓，在室溫 27℃ 即 300 K 時，UT = 26 mV。 u D i D U D ( on ) 0 圖 二極管的伏安特性 I S 擊穿 TDSDUueIi ?T 2 ? T 1 一、二極管的導通，截止和擊穿 當 uD 0 且超過特定值 UD(on) 時， iD 變得明顯，此時認為二極管導通，UD(on) 稱為導通電壓 (死區電壓 ) ； uD 0 時，二極管是截止的； 當反向電壓足夠大時， PN 結擊穿，二極管中的反向電流急劇增大，二極管被擊穿。 ? 29 ? 第四章 常用半導體器件原理 29 二 、 二極管的管壓降 u D i D U D ( on) 0 伏安特性曲線 Q E E ? R 負載線 U D I D ? ? E i D ? ? u D ( a ) ( b ) R 圖 二極管的管壓降 ( a ) 電路； ( b ) 伏安特性和負載特性 D 當電源電壓 E 變化時 ， 負載線平移到新的位置 ， 雖然 ID 有比較大的變化 ， UD 變化卻不大 ， 仍然近似等于 UD(on) ， 所以也可以認為 UD(on) 是導通的二極管兩端固定的管壓降 。 三 、 二極管的電阻 Q( U D , I D ) u D i D 0 Q( U D , I D ) I D U D ( a ) u D i D 0 ( b ) ? i ? u D1RD1r圖 4 .3 .4 二極管電阻的幾何意義 ( a ) 直流電阻 R D ； ( b ) 交流電阻 r D QDDD IUR ?QD iur???直流電阻 交流電阻 ? 30 ? 第四章 常用半導體器件原理 30 RD 和 rD 隨工作點的位置變化而改變 DTSTQSTDTDTddIUeIUeIUiuiurUUUu??????? 溫度對二極管伏安特性的影響 T 增大 ； Is 增大， T增大 10倍， Is增大一倍。 減小 ， 雪崩擊穿電壓增大，齊納擊穿電壓減小。 )on(DU CmVdTdU OonD /)( ??? 31 ? 第四章 常用半導體器件原理 31 二極管的近似伏安特性和簡化電路模型 uD iD UD ( on ) 0 一 般二極管 uD iD UD ( on ) 0 交流電阻為零的二極管 uD iD 0 理想二極管 D1rI II II I II I rD ? 0 UD ( on ) ? 0 rD ? 0 UD ( on ) rD uD ? UD ( on ) uD ? UD ( on ) UD ( on ) uD ? UD ( on ) uD ? UD ( on ) uD ? 0 uD ? 0 I II I II I II ? 32 ? 第四章 常用半導體器件原理 32 【 例 】 電路如圖 (a) 所示，計算二極管中的電流 ID 。已知二極管的導通電壓 UD(on) = V，交流電阻 rD 近似為零。 圖 計算二極管電流 ( a ) 原電路； ( b ) 等效電路 ( b ) V 6 V ? 6 V R 1 2 k R 2 1 k I 1 I 2 ( a ) 6 V ? 6 V R 1 2 k R 2 1 k A I D I D D E ? E E ? E 解： 可以判斷二極管處于導通狀態 ， 將相應的電路模型代入 ， 得到圖 (b) 。 節點 A 的電壓 UA ? E ? I1R1 ? ? I2R2 ? ? E ? UD(on) ? ? ， 解得 I1 ? mA， I2 ? mA， 于是 ID ? I1 ? I2 ? mA 。 ? 33 ? 第四章 常用半導體器件原理 33 工作電流 IZ可以在 IZmin到 IZmax的較大范圍內調節 ， 兩端的反向電壓成為 穩定電壓 UZ。 IZ應大于 IZmin以保證較好的穩壓效果 。 同時 ， 外電路必須對 IZ進行限制 ， 防止其太大使管耗過大 ， 甚至燒壞 PN結 ， 如果穩壓二極管的最大功耗為PM， 則 IZ應小于 IZmax ? PM ? UZ。 uD iD 0 ? IZ m i n ? IZ m a x ? UZ i D IZ UZ uD ? ? ? ? ( a ) ( b ) 圖 4 .3 . 8 穩壓二極管 ( a ) 電路符號； ( b ) 伏安特性 穩壓二極管 ? 34 ? 第四章 常用半導體器件原理 34 穩壓二極管 通常 : UZ 5V時具有負溫度系數 (因齊納擊穿具有負溫系數 )； UZ7V時具有正溫度系數 (因雪崩擊穿具有正溫系數 )； UZ在 5V到 7V之間時，溫度系數可達最小 ? 35 ? 第四章 常用半導體器件原理 35 I Z ? ? R L R ? ? D Z I L U O U I ? ? U Z LZZIZ RURUUI ???Z m i nL m i nZZIm i n IRURUU ???m a xm i nLZm i nLZ m i nZIm i n RRURIUUR ????Z m a xL m a xZZIm a x IRURUU ???m i nm a xLZm a xLZ m a xZIm a x RRURIUUR ????m i nLZm i nLZ m i nZIm i nm a xLZm a xLZ m a xZIm a x RURIUURRURIUU??????? 36 ? 第四章 常用半導體器件原理 36 ［例 ］穩壓二極管電路如圖所示，穩定電壓 UZ = 6 V。當限流電阻 R = 200 ? 時，求工作電流 IZ 和輸出電壓 UO；當 R = 11 k? 時，再求 IZ 和 UO 。 I Z ? ? R L R ? ? D Z I L U O U I ? ? U Z 1 2 V 1 k 解：當 R ? 200 ? 時 ， 穩壓二極管 DZ處于擊穿狀態 )mA(24LZZIZ ????RURUUI)V(6ZO ?? UU)V(1ILLO ??? URRRU當 R ? 11 k? 時 ， DZ 處于截止狀態 ， IZ ? 0 ? 37 ? 第四章 常用半導體器件原理 37 其它二極管簡介 一 、 變容二極管 如前所述 ， PN結加反向電壓時 ， 結上呈現勢壘電容 ， 該電容隨反向電壓增大而減小 。利用這一特性制作的二極管 ， 稱為變容二極管 。 它的電路符號如圖所示 。 變容二極管的結電容與外加反向電壓的關系由式 (1–5)決定 。它的主要參數有：變容指數 、 結電容的壓控范圍及允許的最大反向電壓等 。 變容二極管符號 ? 38 ? 第四章 常用半導體器件原理 38 其它二極管簡介 二 、 光電二極管是一種將光能轉換為電能的半導體器件 ， 其結構與普通二極管相似 ， 只是管殼上留有一個能入射光線的窗口 。 圖示出了光電二極管的電路符號 ， 其中 ， 受光照區的電極為前級 ， 不受光照區的電極為后級 。 和普通二極管相比 ， 在結構上不同的是 ，為了便于接受入射光照 ， PN結面積盡量做的大一些 ， 電極面積盡量小些 ， 而且 PN結的結深很淺 ， 一般小于 1微米 。 前級 后級 光電二極管符號 ? 39 ? 第四章 常用半導體器件原理 39 其它二極管簡介 三 、 發光二極管是一種將電能轉換為光能的半導體器件 。 它由一個 PN結構成 ， 其電路符號如圖所示 。 當發光二極管正偏時 ， 注入到 N區和 P區的載流子被復合時 ， 會發出可見光和不可見光 。 發光二極管符號 四 、 ? 40 ? 第四章 常用半導體器件原理 40 其它二極管簡介 藍色發光二極管 ? 41 ? 第四章 常用半導體器件原理 41 其它二極管簡介 五 、 肖特基二極管 當金屬與 N型半導體接觸時 ， 在其交界面處會形成勢壘區 ， 利用該勢壘制作的二極管 ， 稱為肖特基二極管或表面勢壘二極管 。 它的原理結構圖和對應的電路符號如圖 1–24所示 。 N 型 半導體 ( a ) 金屬 ( b ) (a)結構示意圖； (b)電路符號 + + + + + + + + + + + + 與 PN結二極管比較： 相同點：具有單向導電性； 相異點：肖特基二極管是依靠多數載流子工作的器件，無少子存 儲效應（ CD），高頻特性好。 導通電壓和反向擊穿電壓均比 PN結低。 ? 42 ? 第四章 常用半導體器件原理 42 二極管應用電路舉例 一 、 整流電路 ［例 ］分析圖 (a) 所示的二極管整流電路的工作原理，其中二極管 D的導通電壓 UD(on) = V，交流電阻 rD ? 0。輸入電壓 ui的波形如圖 (b) 所示。 R L D ? ? u i ? ? u o t u i 0 ( a ) ( b ) ? 43 ? 第四章 常用半導體器件原理 43 解：當 ui V時 ， D處于導通狀態 ， 等效成短路 ， 所以輸出電壓 uo = ui ；當 ui V時 ， D處于截止狀態 ， 等效成開路 ， 所以 uo = 0。 于是可以根據 ui的波形得到 uo的波形 ， 如圖 (b) 所示 ， 傳輸特性則如圖 (c) 所示 。 電路實現的是 半波整流 ，但是需要在 ui的正半周波形中扣除 UD(on) 得到輸出 。 R L D ? ? u i ? ? u o t u i 0 t 0 ( a ) ( b ) 0 .7 V u o ( c ) u o u i 0 0 .7 V 1 ? 44 ? 第四章 常用半導體器件原理 44 ［例 ］分析圖 (a) 所示的二極管橋式整流電路的工作原理，其中的二極管 D1 ~ D4為理想二極管，輸入電壓 ui的波形如圖 (b) 所示。 RL D1 ? ? ui ? ? uo t ui 0