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1、 14 0 第十四章二极管和三极管 14 1半导体的导电特性 14 2PN结及其单向导电性 14 3二极管 14 4稳压二极管 14 5晶体管 14 6光电器件 14 1 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 14 1半导体的导电特性 导体 半导体和绝缘体 14 2 半导体的导电机理不同于其它物质 所以它具有不同于其它物质的特点 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 热敏特性 光敏特性 往纯净
2、的半导体中掺入某些杂质 会使它的导电能力明显改变 掺杂特性 14 3 14 1 1本征半导体 一 本征半导体的结构 通过一定的工艺过程 可以将半导体制成晶体 现代电子学中 用的最多的半导体是硅 Si 和锗 Ge 它们的最外层电子 价电子 都是四个 原子结构图 14 4 本征半导体 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 在硅和锗晶体中 每个原子都处在正四面体的中心 而相邻四个原子位于四面体的顶点 每个原子与其相邻的原子之间形成共价键 共用一对价电子 14 5 硅和锗的共价键结构 共价键 共用电子对 4表示除去价电子后的原子 14 6 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中 称为束缚电子 常温下束缚电
3、子很难脱离共价键成为自由电子 因此本征半导体中的自由电子很少 所以本征半导体的导电能力很弱 共价键形成后 每个原子最外层电子是八个 构成比较稳定的结构 共价键有很强的结合力 使原子规则排列 形成晶体 14 7 二 本征半导体的导电机理 在绝对0度 T 0K 和没有外界激发时 价电子完全被共价键束缚 本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 在常温下 由于热激发 使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚 成为自由电子 同时共价键上留下一个空位 称为空穴 1 载流子 自由电子和空穴 14 8 自由电子 空穴 束缚电子 自由电子 空穴成对出现 14 9 2
4、 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下 空穴可吸引附近的电子来填补 其结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 自由电子和空穴 自由电子 在晶格中运动 空穴 在共价键中运动 14 10 温度越高 载流子的浓度越高 本征半导体的导电能力越强 温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素 这是半导体的一大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成 1 自由电子做定向运动所形成的电子电流 2 仍被原子核束缚的价电子填补空穴形成的空穴电流 14 11 14 1 2N型半导体和P型半导体 在本征半导体
5、中掺入某些微量的杂质 会使半导体的导电性能发生显著变化 其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加 P型半导体 空穴浓度大大增加的杂质半导体 也称为 空穴半导体 N型半导体 自由电子浓度大大增加的杂质半导体 也称为 电子半导体 14 12 一 N型半导体 多余电子 磷原子 14 13 N型半导体中的载流子是什么 1 由五价元素提供的电子 浓度与五价元素原子相同 2 本征半导体中成对产生的自由电子和空穴 因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 所以自由电子浓度远大于空穴浓度 自由电子称为多数载流子 多子 空穴称为少数载流子 少子 14 14 二 P型半导体 空位 硼原子 P型半导体中空穴是多子
6、 自由电子是少子 空穴 14 15 三 杂质半导体的示意表示法 杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流 但由于数量关系 起导电作用的主要是多子 受温度影响较小 一般近似认为多子与杂质浓度相等 14 16 4 在外加电压作用下 P型半导体中电流主要是 N型半导体中电流主要是 a 电子电流 b 空穴电流 1 在杂质半导体中多子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 2 在杂质半导体中少子的数量与 a 掺杂浓度 b 温度 有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 a b c b a 课堂练习 14 17 PN结的形成 在同一片半导体基片上 分别制造P型半导体和N型半导体
7、经过载流子的扩散 在它们的交界面处就形成了PN结 14 2PN结及其单向导电性 14 18 P型半导体 N型半导体 扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽 内电场越强 漂移运动就越强 而漂移的结果使空间电荷区变薄 14 19 P型半导体 N型半导体 当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时 相当于两个区之间没有电荷运动 空间电荷区的厚度固定不变 14 20 空间电荷区 N型区 P型区 电位V V0 14 21 1 空间电荷区中几乎没有载流子 2 空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴 N区中的自由电子 都是多子 向对方运动 扩散运动 3 P区中的自由电子和N区中的空穴 都是少子 数量有限 因此由它们形
8、成的电流很小 注意 14 22 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压 正向偏置的意思都是 P区加正电压 N区加负电压 PN结加上反向电压 反向偏置的意思都是 P区加负电压 N区加正电压 14 23 一 PN结加正向电压 P N 内电场被削弱 多子扩散加强 能够形成较大的正向电流 14 24 二 PN结加反向电压 N P R E 内电场被加强 多子扩散受到抑制 少子漂移加强 但因少子数量有限 只能形成较小的反向电流 14 25 总结 1 加正向电压时 PN结处于导通状态 呈低电阻 正向电流较大 2 加反向电压时 PN结处于截止状态 呈高电阻 反向电流很小 PN结具有单向导电性 14 26 14
9、 3二极管 发光稳压整流 检波开关 14 27 常见二极管外形图 14 28 一 基本结构 PN结加上管壳和引线 结面积小 结电容小 正向电流小 用于检波和变频等高频电路 结面积大 正向电流大 结电容大 用于工频大电流整流电路 用于集成电路制作工艺中 PN结结面积可大可小 用于高频整流和开关电路中 14 29 硅管0 5V锗管0 1V 反向击穿电压U BR 导通压降 外加电压大于死区电压 二极管才能导通 外加电压大于反向击穿电压时 二极管被击穿 失去单向导电性 正向特性 反向特性 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 死区电压 反向电流在一定电压范围内保持常数 二 伏安特性 非线性 14 30
10、 三 主要参数 1 最大整流电流IOM 二极管长时间使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 电流超过允许值时 PN结过热会损坏管子 2 反向工作峰值电压URWM 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 一般是反向击穿电压U BR 的一半或三分之二 点接触型D管为数十伏 面接触型D管可达数百伏 通常二极管击穿时 其反向电流剧增 单向导电性被破坏 甚至过热而烧坏 14 31 3 反向峰值电流IRM 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流 反向电流越大 说明二极管的单向导电性越差 反向电流受温度影响 温度越高反向电流越大 硅管的反向电流较小 几微安 锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍 以上均是二
11、极管的直流参数 二极管的应用主要是利用它的单向导电性 它可应用于整流 检波 限幅 保护等等 14 32 导通压降 实际二极管 正向导通 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V死区电压 硅0 5V锗0 1V 定性分析 判二极管的工作状态 导通 截止 二极管电路分析 死区电压 14 33 理想二极管 正向导通 管压降为零反向截止 相当于断开 14 34 二极管电路分析 分析方法 1 断开二极管 2 a 分析其两端电位高低 b 或其两端所加电压UD的正负 3 a V阳 V阴 导通V阳0 导通UD 0 截止 14 35 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0
12、正向压降 0 二极管的应用举例例1 二极管半波整流 14 36 例2 二极管的检波应用 uO P11 例14 3 1 uR R和C构成微分电路 作用 除去正尖脉冲 14 37 例3 已知 管子为锗管 VA 3V VB 0V 导通压降为0 3V 试求 VY 方法 先判二极管谁优先导通 导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值 解 P12 例14 3 2 作用 钳位 14 38 ui 8V 二极管导通 可看作短路uo 8Vui 8V 二极管截止 可看作开路uo ui 已知 理想二极管 画出uo波形 8V 例4 二极管的用途 整流 检波 钳位 限幅 开关 元件保护 温度补偿等 参考点 二极管阴极电位为8
13、V 14 39 例5 已知 管子为锗管 VA 3V VB 0V 导通压降为0 3V 试求 VY 方法 先判二极管谁优先导通 导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值 解 P12 例14 3 2 14 40 例6 0 3V 2 7V 2 7V 2 7V 设二极管的导通压降为0 3伏 14 41 例7 设二极管的导通压降为0 3伏 0 3V 0 3V 0 3V 3 3V 第十四章课后习题 P13 14 3 8 二极管的应用 双 限幅P32 14 3 8 二极管的应用 与门P34 14 4 3 稳压管的应用14 5 8 晶体管 工作区14 6 1 发光二极管及综合P35 14 5 11 综合应用 选做
