1–1半導體物理基礎知識

按導電性能的不同，物質(zhì)可分為導體、絕緣體和半導體。目前用來制造電子器件的材料主要是硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等。它們的導電能力介于導體和絕緣體之間，并且會隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。要理解這些特性，就必須從半導體的原子結構談起。第1頁/共94頁

按導電性能的不同，物質(zhì)可分為導體、絕緣體和半導體。目前用來制造電子器件的材料主要是硅(Si)、鍺(Ge)和砷化鎵(GaAs)等。它們的導電能力介于導體和絕緣體之間，并且會隨溫度、光照或摻入某些雜質(zhì)而發(fā)生顯著變化。要理解這些特性，就必須從半導體的原子結構談起。與價電子密切相關，所以為了突出價電子的作用，我們采用圖1–1所示的簡化原子結構模型。第2頁/共94頁圖1–1原子的簡化模型第3頁/共94頁

純凈的單晶半導體稱為本征半導體。在本征硅和鍺的單晶中，原子按一定間隔排列成有規(guī)律的空間點陣(稱為晶格)。由于原子間相距很近，價電子不僅受到自身原子核的約束，還要受到相鄰原子核的吸引，使得每個價電子為相鄰原子所共有，從而形成共價鍵。這樣四個價電子與相鄰的四個原子中的價電子分別組成四對共價鍵，依靠共價鍵使晶體中的原子緊密地結合在一起。圖1–2是單晶硅或鍺的共價鍵結構平面示意圖。共價鍵中的電子，由于受到其原子核的吸引，是不能在晶體中自由移動的，所以是束縛電子，不能參與導電。第4頁/共94頁圖1–2單晶硅和鍺的共價鍵結構示意圖第5頁/共94頁

一、半導體中的載流子——自由電子和空穴在絕對零度(-273℃)時，所有價電子都被束縛在共價鍵內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以半導體不能導電。當溫度升高時，鍵內(nèi)電子因熱激發(fā)而獲得能量。其中獲得能量較大的一部分價電子，能夠掙脫共價鍵的束縛離開原子而成為自由電子。與此同時在共價鍵內(nèi)留下了與自由電子數(shù)目相同的空位，如圖1–3所示。第6頁/共94頁圖1–3本征激發(fā)產(chǎn)生電子和空穴第7頁/共94頁

二、本征載流子濃度在本征半導體中，由于本征激發(fā)，不斷地產(chǎn)生電子、空穴對，使載流子濃度增加。與此同時，又會有相反的過程發(fā)生。由于正負電荷相吸引，因而，會使電子和空穴在運動過程中相遇。這時電子填入空位成為價電子，同時釋放出相應的能量，從而消失一對電子、空穴，這一過程稱為復合。顯然，載流子濃度越大，復合的機會就越多。這樣在一定溫度下，當沒有其它能量存在時，電子、空穴對的產(chǎn)生與復合最終會達到一種熱平衡狀態(tài)，使本征半導體中載流子的濃度一定。理論分析表明，本征載流子的濃度為第8頁/共94頁

式中ni,pi分別表示電子和空穴的濃度(cm–3)；T為熱力學溫度(K)；EG0為T=0K時的禁帶寬度(硅為1.21eV,鍺為0.78eV)；k為玻爾茲曼常數(shù)(8.63×10–6V/K)；A0是與半導體材料有關的常數(shù)(硅為3.87×1016cm-3·K-3/2，鍺為1.76×1016cm-3·K-3/2)。(1–1)第9頁/共94頁

1–1–2雜質(zhì)半導體在本征半導體中，有選擇地摻入少量其它元素，會使其導電性能發(fā)生顯著變化。這些少量元素統(tǒng)稱為雜質(zhì)。摻入雜質(zhì)的半導體稱為雜質(zhì)半導體。根據(jù)摻入的雜質(zhì)不同，有N型半導體和P型半導體兩種。第10頁/共94頁

一、N型半導體在本征硅(或鍺)中摻入少量的五價元素，如磷、砷、銻等，就得到N型半導體。這時，雜質(zhì)原子替代了晶格中的某些硅原子，它的四個價電子和周圍四個硅原子組成共價鍵，而多出一個價電子只能位于共價鍵之外，如圖1–4所示。第11頁/共94頁

圖1–4N型半導體原子結構示意圖第12頁/共94頁

二、P型半導體在本征硅(或鍺)中摻入少量的三價元素，如硼、鋁、銦等，就得到P型半導體。這時雜質(zhì)原子替代了晶格中的某些硅原子，它的三個價電子和相鄰的四個硅原子組成共價鍵時，只有三個共價鍵是完整的，第四個共價鍵因缺少一個價電子而出現(xiàn)一個空位，如圖1--5所示。第13頁/共94頁圖1–5P型半導體原子結構示意圖第14頁/共94頁

三、雜質(zhì)半導體的載流子濃度在以上兩種雜質(zhì)半導體中，盡管摻入的雜質(zhì)濃度很小，但通常由雜質(zhì)原子提供的載流子數(shù)卻遠大于本征載流子數(shù)。雜質(zhì)半導體中的少子濃度，因摻雜不同，會隨多子濃度的變化而變化。在熱平衡下，兩者之間有如下關系：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ni的平方。即對N型半導體，多子nn與少子pn有第15頁/共94頁對P型半導體，多子pp與少子np有(1–2a)(1–2b)(1–3a)(1–3b)第16頁/共94頁

由以上分析可知，本征半導體通過摻雜，可以大大改變半導體內(nèi)載流子的濃度，并使一種載流子多，而另一種載流子少。對于多子，通過控制摻雜濃度可嚴格控制其濃度，而溫度變化對其影響很?。粚τ谏僮?，主要由本征激發(fā)決定，因摻雜使其濃度大大減小，但溫度變化時，由于ni的變化，會使少子濃度有明顯變化。第17頁/共94頁

1–1–3半導體中的電流了解了半導體中的載流子情況之后，我們來討論它的電流。在半導體中有兩種電流。

一、漂移電流在電場作用下，半導體中的載流子作定向漂移運動形成的電流，稱為漂移電流。它類似于金屬導體中的傳導電流。第18頁/共94頁

半導體中有兩種載流子——電子和空穴，當外加電場時，電子逆電場方向作定向運動，形成電子電流In

，而空穴順電場方向作定向運動，形成空穴電流Ip

。雖然它們運動的方向相反，但是電子帶負電，其電流方向與運動方向相反，所以In和Ip的方向是一致的，均為空穴流動的方向。因此，半導體中的總電流為兩者之和，即

I=In+Ip

漂移電流的大小將由半導體中載流子濃度、遷移速度及外加電場的強度等因素決定。第19頁/共94頁

二、擴散電流在半導體中，因某種原因使載流子的濃度分布不均勻時，載流子會從濃度大的地方向濃度小的地方作擴散運動，從而形成擴散電流。半導體中某處的擴散電流主要取決于該處載流子的濃度差(即濃度梯度)。濃度差越大，擴散電流越大，而與該處的濃度值無關。反映在濃度分布曲線上(見圖1–6)，即擴散電流正比于濃度分布線上某點處的斜率dn(x)/dx(dp(x)/dx)。第20頁/共94頁圖1–6半導體中載流子的濃度分布第21頁/共94頁1–2PN結及晶體二極管

通過摻雜工藝，把本征硅(或鍺)片的一邊做成P型半導體，另一邊做成N型半導體，這樣在它們的交界面處會形成一個很薄的特殊物理層，稱為PN結。PN結是構造半導體器件的基本單元。其中，最簡單的晶體二極管就是由PN結構成的。因此，討論PN結的特性實際上就是討論晶體二極管的特性。第22頁/共94頁

1–2–1PN結的形成

P型半導體和N型半導體有機地結合在一起時，因為P區(qū)一側空穴多，N區(qū)一側電子多，所以在它們的界面處存在空穴和電子的濃度差。于是P區(qū)中的空穴會向N區(qū)擴散，并在N區(qū)被電子復合。而N區(qū)中的電子也會向P區(qū)擴散，并在P區(qū)被空穴復合。這樣在P區(qū)和N區(qū)分別留下了不能移動的受主負離子和施主正離子。上述過程如圖1–7(a)所示。結果在界面的兩側形成了由等量正、負離子組成的空間電荷區(qū)，如圖1–7(b)所示。第23頁/共94頁

圖1–7PN結的形成第24頁/共94頁

開始時，擴散運動占優(yōu)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(qū)展寬，使內(nèi)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(chǎn)生的擴散力被電場力所抵消，使擴散和漂移運動達到動態(tài)平衡。這時，雖然擴散和漂移仍在不斷進行，但通過界面的凈載流子數(shù)為零。平衡時，空間電荷區(qū)的寬度一定，UB也保持一定，如圖1–7(b)所示。第25頁/共94頁

由于空間電荷區(qū)內(nèi)沒有載流子，所以空間電荷區(qū)也稱為耗盡區(qū)(層)。又因為空間電荷區(qū)的內(nèi)電場對擴散有阻擋作用，好像壁壘一樣，所以又稱它為阻擋區(qū)或勢壘區(qū)。實際中，如果P區(qū)和N區(qū)的摻雜濃度相同，則耗盡區(qū)相對界面對稱，稱為對稱結，見圖1–7(b)。如果一邊摻雜濃度大(重摻雜)，一邊摻雜濃度小(輕摻雜)，則稱為不對稱結，用P+N或PN+表示(+號表示重摻雜區(qū))。這時耗盡區(qū)主要伸向輕摻雜區(qū)一邊，如圖1--8(a),(b)所示。第26頁/共94頁

圖1–8不對稱PN結第27頁/共94頁

1–2–2PN結的單向?qū)щ娞匦砸?、PN結加正向電壓使P區(qū)電位高于N區(qū)電位的接法，稱PN結加正向電壓或正向偏置(簡稱正偏)，如圖1--9所第28頁/共94頁圖1–9正向偏置的PN結第29頁/共94頁

二、PN結加反向電壓使P區(qū)電位低于N區(qū)電位的接法，稱PN結加反向電壓或反向偏置(簡稱反偏)。由于反向電壓與UB的極性一致，因而耗盡區(qū)兩端的電位差變?yōu)閁B+U，如圖1–10所示。第30頁/共94頁圖1–10反向偏置的PN結第31頁/共94頁

三、PN結電流方程理論分析證明，流過PN結的電流i與外加電壓u之間的關系為

i=IS(e

qu/kT-1)=IS(eu/UT-1)(1–4)

式中，IS為反向飽和電流，其大小與PN結的材料、制作工藝、溫度等有關；UT=kT/q，稱為溫度的電壓當量或熱電壓。在T=300K(室溫)時，UT=26mV。這是一個今后常用的參數(shù)。

第32頁/共94頁

由式(1–4)可知，加正向電壓時，u只要大于UT幾倍以上，i≈Iseu/U-T，即i隨u呈指數(shù)規(guī)律變化；加反向電壓時，|u|只要大于UT幾倍以上，則i≈–IS(負號表示與正向參考電流方向相反)。因此，式(1–4)的結果與上述的結論完全一致。由式(1–4)可畫出PN結的伏安特性曲線，如圖1–11所示。圖中還畫出了反向電壓大到一定值時，反向電流突然增大的情況。第33頁/共94頁

1–2–3PN結的擊穿特性由圖1–11看出，當反向電壓超過UBR后稍有增加時，反向電流會急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結擊穿，并定義UBR為PN結的擊穿電壓。PN結發(fā)生反向擊穿的機理可以分為兩種。第34頁/共94頁圖1–11PN結的伏安特性第35頁/共94頁

一、雪崩擊穿在輕摻雜的PN結中，當外加反向電壓時，耗盡區(qū)較寬，少子漂移通過耗盡區(qū)時被加速，動能增大。當反向電壓大到一定值時，在耗盡區(qū)內(nèi)被加速而獲得高能的少子，會與中性原子的價電子相碰撞，將其撞出共價鍵，產(chǎn)生電子、空穴對。新產(chǎn)生的電子、空穴被強電場加速后，又會撞出新的電子、空穴對。第36頁/共94頁

二、齊納擊穿在重摻雜的PN結中，耗盡區(qū)很窄，所以不大的反向電壓就能在耗盡區(qū)內(nèi)形成很強的電場。當反向電壓大到一定值時，強電場足以將耗盡區(qū)內(nèi)中性原子的價電子直接拉出共價鍵，產(chǎn)生大量電子、空穴對，使反向電流急劇增大。這種擊穿稱為齊納擊穿或場致?lián)舸Ｒ话銇碚f，對硅材料的PN結，UBR>7V時為雪崩擊穿；UBR<5V時為齊納擊穿；UBR介于5~7V時，兩種擊穿都有。第37頁/共94頁

1–2–4PN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。

一、勢壘電容從PN結的結構看，在導電性能較好的P區(qū)和N區(qū)之間，夾著一層高阻的耗盡區(qū)，這與平板電容器相似。當外加電壓增大時，多子被推向耗盡區(qū)，使正、負離子減少，相當于存貯的電荷量減少；當外加電壓減小時，多子被推離耗盡區(qū)，使正、負離子增多，相當于存貯的電荷量增加。第38頁/共94頁

因此，耗盡區(qū)中存貯的電荷量將隨外加電壓的變化而改變。這一特性正是電容效應，并稱為勢壘電容，用CT表示。經(jīng)推導，CT可表示為(1–5)

式中：CT0為外加電壓u=0時的CT值，它由PN結的結構、摻雜濃度等決定；UB為內(nèi)建電位差；n為變?nèi)葜笖?shù)，與PN結的制作工藝有關，一般在1/3~6之間。第39頁/共94頁

二、擴散電容正向偏置的PN結，由于多子擴散，會形成一種特殊形式的電容效應。下面利用圖1--12中P區(qū)一側載流子的濃度分布曲線來說明。第40頁/共94頁

圖1–12P區(qū)少子濃度分布曲線第41頁/共94頁

同理，在N區(qū)一側，非平衡空穴的濃度也有類似的分布和同樣的變化，引起存貯電荷的增加量ΔQp。這種外加電壓改變引起擴散區(qū)內(nèi)存貯電荷量變化的特性，就是電容效應，稱為擴散電容，用CD表示。如果引起ΔQn,ΔQp的電壓變化量為Δu，則(1–6)

對PN+結，可以忽略ΔQp/Δu項。經(jīng)理論分析可得第42頁/共94頁

式中：τn為P區(qū)非平衡電子的平均命；I為PN結電流，由式(1–4)確定。由式(1–5)、(1–6)可知，CT、CD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。由于CT和CD均等效地并接在PN結上，因而，PN結上的總電容Cj為兩者之和，即Cj=CT+CD

。正偏時以CD為主，Cj≈CD

，其值通常為幾十至幾百pF；反偏時以CT為主，Cj≈CT,其值通常為幾至幾十pF。因為CT和CD并不大，所以在高頻工作時，才考慮它們的影響。第43頁/共94頁

1–2–5PN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：溫度升高，正向特性左移，反向特性下移，如圖1–11中虛線所示。具體變化規(guī)律是：保持正向電流不變時，溫度每升高1℃，結電壓減小約2~2.5mV，即

Δu/ΔT≈-(2~2.5)mV/℃(1–7)

溫度每升高10℃，反向飽和電流IS增大一倍。如果溫度為T1時，IS=IS1；溫度為T2時，IS=IS2，則

(1–8)第44頁/共94頁

當溫度升高到一定程度時，由本征激發(fā)產(chǎn)生的少子濃度有可能超過摻雜濃度，使雜質(zhì)半導體變得與本征半導體一樣，這時PN結就不存在了。因此，為了保證PN結正常工作，它的最高工作溫度有一個限制，對硅材料約為(150~200)℃，對鍺材料約為(75~100)℃。

第45頁/共94頁1–3晶體二極管及其基本電路

晶體二極管是由PN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圖1--13(a),(b)所示。符號中，接到P型區(qū)的引線稱為正極(或陽極)，接到N型區(qū)的引線稱為負極(或陰極)。第46頁/共94頁

利用PN結的特性，可以制作多種不同功能的晶體二極管，例如普通二極管、穩(wěn)壓二極管、變?nèi)荻O管、光電二極管等。其中，具有單向?qū)щ娞匦缘钠胀ǘO管應用最廣。本節(jié)主要討論普通二極管及其基本應用電路。另外，簡要介紹穩(wěn)壓二極管及其穩(wěn)壓電路。第47頁/共94頁圖1–13晶體二極管結構示意圖及電路符號

(a)結構示意圖；(b)電路符號第48頁/共94頁

1–3–1二極管特性曲線普通二極管的典型伏安特性曲線如圖1–14所示。實際二極管由于引線的接觸電阻、P區(qū)和N區(qū)體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與PN結的伏安特性略有差異。由圖可以看出，實際二極管的伏安特性有如下特點。第49頁/共94頁

圖1–14二極管伏安特性曲線第50頁/共94頁

1–3–1二極管特性曲線普通二極管的典型伏安特性曲線如圖1–14所示。實際二極管由于引線的接觸電阻、P區(qū)和N區(qū)體電阻以及表面漏電流等影響，其伏安特性與PN結的伏安特性略有差異。由圖可以看出，實際二極管的伏安特性有如下特點。第51頁/共94頁

一、正向特性正向電壓只有超過某一數(shù)值時，才有明顯的正向電流。這一電壓稱為導通電壓或死區(qū)電壓，用UD(on)表示。室溫下，硅管的UD(on)=(0.5~0.6)V，鍺管的

UD(on)=(0.1~0.2)V。正向特性在小電流時，呈現(xiàn)出指數(shù)變化規(guī)律，電流較大以后近似按直線上升。這是因為大電流時，P區(qū)、N區(qū)體電阻和引線接觸電阻的作用明顯了，使電流、電壓近似呈線性關系。第52頁/共94頁

二、反向特性由于表面漏電流影響，二極管的反向電流要比理想PN結的IS大得多。而且反向電壓加大時，反向電流也略有增大。盡管如此，對于小功率二極管，其反向電流仍很小，硅管一般小于0.1μA，鍺管小于幾十微安。兩極管的反向擊穿以及溫度對二極管特性的影響，均與PN結相同。第53頁/共94頁

1–3–2二極管的主要參數(shù)器件參數(shù)是定量描述器件性能質(zhì)量和安全工作范圍的重要數(shù)據(jù)，是我們合理選擇和正確使用器件的依據(jù)。參數(shù)一般可以從產(chǎn)品手冊中查到，也可以通過直接測量得到。下面介紹晶體二極管的主要參數(shù)及其意義。一、直流電阻RD

RD定義為：二極管兩端所加直流電壓UD與流過它的直流電流ID之比，即第54頁/共94頁

RD不是恒定值，正向的RD隨工作電流增大而減小，反向的RD隨反向電壓增大而增大。RD的幾何意義見圖1–15(a)，即Q(ID,UD)點到原點直線斜率的倒數(shù)。顯然，圖中Q1點處的RD小于Q2點處的RD

。(1–9)第55頁/共94頁

圖1–15二極管電阻的幾何意義

(a)直流電阻RD；(b)交流電阻rD第56頁/共94頁

二、交流電阻rD

rD定義為：二極管在其工作狀態(tài)(IDQ,UDQ)處的電壓微變量與電流微變量之比，即(1–10)

rD的幾何意義見圖1–15(b)，即二極管伏安特性曲線上Q(IDQ,UDQ)點處切線斜率的倒數(shù)。

rD可以通過對式(1–4)求導得出，即(1–11)第57頁/共94頁

可見rD與工作電流IDQ成反比，并與溫度有關。室溫條件下(T=300K):

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，同一點處交流和直流電阻也不相同。(1–12)第58頁/共94頁

三、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。實際應用時，流過二極管的平均電流不能超過此值。

四、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，超過此值容易發(fā)生反向擊穿。通常取UBR的一半作為URM

。第59頁/共94頁

五、反向電流IR

IR指二極管未擊穿時的反向電流。IR越小，單向?qū)щ娦阅茉胶?。IR與溫度密切相關，使用時應注意IR的溫度條件。

六、最高工作頻率fM

fM是與結電容有關的參數(shù)。工作頻率超過fM時，二極管的單向?qū)щ娦阅茏儔摹Ｐ枰赋?，由于器件參?shù)分散性較大，手冊中給出的一般為典型值；必要時應通過實際測量得到準確值。另外，應注意參數(shù)的測試條件，當運用條件不同時，應考慮其影響。第60頁/共94頁

1–3–3晶體二極管模型對電子線路進行定量分析時，電路中的實際器件必須用相應的電路模型來等效，根據(jù)分析手段及要求的不同，器件模型將有所不同。例如，借助計算機輔助分析，則允許模型復雜，以保證分析結果盡可能精確。而在工程分析中，則力求模型簡單、實用，以突出電路的功能及主要特性。下面我們將依據(jù)二極管的實際工作條件，引出工程上便于分析的二極管模型。第61頁/共94頁

二極管是一種非線性電阻(導)元件，在大信號工作時，其非線性主要表現(xiàn)為單向?qū)щ娦裕鴮ê笏尸F(xiàn)的非線性往往是次要的。第62頁/共94頁圖1–16二極管特性的折線近似及電路模型第63頁/共94頁圖1–16二極管特性的折線近似及電路模型第64頁/共94頁

1–3–4二極管基本應用電路利用二極管的單向?qū)щ娞匦?，可實現(xiàn)整流、限幅及電平選擇等功能。一、二極管整流電路把交流電變?yōu)橹绷麟?，稱為整流。一個簡單的二極管半波整流電路如圖1–17(a)所示。若二極管為理想二極管，當輸入一正弦波時，由圖可知：正半周時，二極管導通(相當開關閉合)，uo=ui；負半周時，二極管截止(相當開關打開)，uo=0。其輸入、輸出波形見圖1–17(b)。整流電路可用于信號檢測，也是直流電源的一個組成部分。第65頁/共94頁

圖1–17二極管半波整流電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關系第66頁/共94頁

二、二極管限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變化范圍加以限制的電路，常用于波形變換和整形。限幅電路的傳輸特性如圖1–18所示.第67頁/共94頁圖1–18限幅電路的傳輸特性第68頁/共94頁

一個簡單的上限幅電路如圖1–19(a)所示。利用圖1–16(c)的二極管模型可知，當ui≥E+UD(on)=2.7V時，V導通，uo=2.7V，即將ui的最大電壓限制在2.7V上；當ui<2.7V時，V截止，二極管支路開路，uo=ui

。圖1–19(b)畫出了輸入一5V的正弦波時，該電路的輸出波形?？梢?，上限幅電路將輸入信號中高出2.7V的部分削平了。第69頁/共94頁

圖1–19二極管上限幅電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關系第70頁/共94頁

三、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，稱為電平選擇電路。一種二極管低電平選擇電路如圖1–20(a)所示。設兩路輸入信號u1,u2均小于E。表面上看似乎V1,V2都能導通，但實際上若u1<u2

，則V1導通后將把uo限制在低電平u1上，使V2截止。反之，若u2<u1

，則V2導通，使V1截止。只有當

u1=u2時，V1,V2才能都導通。第71頁/共94頁

可見，該電路能選出任意時刻兩路信號中的低電平信號。圖1–20(b)畫出了當u1,u2為方波時，輸出端選出的低電平波形。如果把高于2.3V的電平當作高電平，并作為邏輯1，把低于0.7V的電平當作低電平，并作為邏輯0，由圖1–20(b)可知，輸出與輸入之間是邏輯與的關系。因此，當輸入為數(shù)字量時，該電路也稱為與門電路。第72頁/共94頁

圖1–20二極管低電平選擇電路及波形(a)電路；(b)輸入、輸出波形關系第73頁/共94頁

將圖1–20(a)電路中的V1,V2反接，將E改為負值，則變?yōu)楦唠娖竭x擇電路。如果輸入也為數(shù)字量，則該電路就變?yōu)榛蜷T電路(見習題1–8)。第74頁/共94頁

1–3–5穩(wěn)壓二極管及穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管是利用PN結反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。

一、穩(wěn)壓二極管的特性穩(wěn)壓二極管的電路符號及伏安特性曲線如圖1–21所示。由圖可見，它的正、反向特性與普通二極管基本相同。區(qū)別僅在于擊穿后，特性曲線更加陡峭，即電流在很大范圍內(nèi)變化時(IZmin<I<IZmax)，其兩端電壓幾乎不變。第75頁/共94頁

圖1-21穩(wěn)壓二極管及其特性曲線（a)電路符號（b)伏安特性曲線第76頁/共94頁

這表明，穩(wěn)壓二極管反向擊穿后，能通過調(diào)整自身電流實現(xiàn)穩(wěn)壓。穩(wěn)壓二極管擊穿后，電流急劇增大，使管耗相應增大。因此必須對擊穿后的電流加以限制，以保證穩(wěn)壓二極管的安全。第77頁/共94頁

二、穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

1.穩(wěn)定電壓UZ

UZ是指擊穿后在電流為規(guī)定值時，管子兩端的電壓值。由于制作工藝的原因，即使同型號的穩(wěn)壓二極管，UZ的分散性也較大。使用時可通過測量確定其準確值。

2額定功耗PZ

PZ是由管子結溫限制所限定的參數(shù)。PZ與PN結所用的材料、結構及工藝有關，使用時不允許超過此值。第78頁/共94頁

3穩(wěn)壓電流IZ

IZ是穩(wěn)壓二極管正常工作時的參考電流。工作電流小于此值時，穩(wěn)壓效果差，大于此值時，穩(wěn)壓效果好。穩(wěn)定電流的最大值IZmax有一限制，即IZmax=PZ/UZ。工作電流不允許超過此值，否則會燒壞管子。另外，工作電流也有最小值IZmax的限制，小于此值時，穩(wěn)壓二極管將失去穩(wěn)壓作用。第79頁/共94頁

4動態(tài)電阻rZ

rZ是穩(wěn)壓二極管在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。反映在特性曲線上，是工作點處切線斜率的倒數(shù)。rZ隨工作電流增大而減小。rZ的數(shù)值一般為幾歐姆到幾十歐姆。第80頁/共94頁

5溫度系數(shù)α

α是反映穩(wěn)定電壓值受溫度影響的參數(shù)，用單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對變化量表示。通常，UZ<5V時具有負溫度系數(shù)(因齊納擊穿具有負溫系數(shù))；UZ>7V時具有正溫度系數(shù)(因雪崩擊穿具有正溫系數(shù))；而UZ在5V到7V之間時，溫度系數(shù)可達最小。第81頁/共94頁

三、穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓電路如圖1