山东理工电工学教案1 董传岱

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1、山山 东东 理理 工工 大大 学学 教教 案 案 第 1 次课 教学课型：理论课 实验课 习题课 实践课 技能课 其它 主要教学内容（注明：* 重点 # 难点 ） ： 1半导体基本知识 本征半导体 半导体的导电特性 2半导体二极管 PN 结的形成 PN 结的特性 * 二极管的伏安特性及主要参数 * 稳压管的特性 * 教学目的要求： 通过本次教学，使学生了解半导体的基本知识：1.半导体是什么？ 2 .半导体为何有 P 型和 N 型？ 3.理解 PN 结是怎样形成的，它有怎样的特点。 4.掌握二极管的不同应用及参数值计算。 教学方法和教学手段： 讲授 板书 讨论、思考题、作业： 1-4 参考资料：

2、 模拟电子技术基础(第 3 版) 童诗白、华成英 模拟电子技术基础简明教程(第 3 版)杨素行 电子技术基础模拟部分(第 4 版)康华光 电工学（下册）电子技术部分秦曾煌主编 注：教师讲稿附后 第 1 章 半导体器件的基本知识 第 1 章 半导体器件的基本知识 11 半导体基本知识11 半导体基本知识 所谓半导体，顾名思义，就是它的导电能力介于导体和绝缘体之间。 下面介绍半导体物质的内部结构和导电机理。 111 本征半导体及其导电特性 用的最多的半导体是锗和硅，它们都是四价元素，有四个价电子， 。将锗和硅材料提纯 （去掉无用杂质）并形成单晶体后，所有原子便基本上整齐排列，其平面示意图如图 1-

3、2 所 示。半导体一般都具有这种晶体结构，所以半导体也称为晶体，这就是晶体管名称的由来。 图 1-1 锗和硅的原子结构 图 1-2 硅原子共价键结构 本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。 在本征半导体的晶体结构中， 每一个原子与相邻的 4 个原子结合。 每一原子的一个价电 子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，构成所谓共价键结构。 在共价键结构中， 共价键中的电子还不象绝缘体中的价电子被束缚的那样紧， 在获得一 定能量（温度增高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚（电子受到激发而常称为热激发） ， 成为自由电子。温度愈高，晶体中产生的自由电子数目就愈多。 在电子挣脱共价键的束缚成为

4、自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。热激 发使得电子和空穴成对的产生。 当电子挣脱共价键的束缚成为自由电子后， 原子的中性便被 破坏，形成正离子而带正电。 在外电场的作用下，有空穴的原子可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴，这叫电子 和空穴的复合。如图 1-3 所示。 图 1-3 空穴和自由电子的形成 因此，当半导体两端加上外电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向 运动所形成的电子电流，二是由电子递补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着 电子和空穴导电， 这是半导体导电方式的最大特点， 也是半导体和金属在导电原理上的本质 差别。 自由电子和空穴统称为载流子，

5、 它们定向移动都能形成电流。 自由电子和空穴总是成对 出现，成对复合。在一定条件下，电子空穴对的总数目也一定，是一种动态平衡。 本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力仍然很低。 如果在其中掺入微量的杂质（某种元素） ，这将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导 电能力大大增强。 半导体具有热敏性和光敏性。有些半导体对温度的反应特别灵敏，环境温度增高时，它 的导电能力要增强很多， 利用这种特性就做成了各种热敏元件。 又如有些半导体受到光照时， 它的导电能力变得很强，当无光照时，又变得如同绝缘体那样不导电。利用这种特性就做成 了各种光电元件。 因此，半导体具有热敏性、光敏性

6、和掺杂性 3 个主要导电特性。 根据掺入的杂质不同，可以得到不同的杂质半导体。杂质半导体可分为两大类：N 型半 导体和 P 型半导体。 112 N 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入五价元素（如磷） ，多余的第 5 个价电子很容易挣脱磷原子核束 缚而成为自由电子（如图 1-4 所示） 。自由电子导电成为这种导体的主要导电方式，故称它 为电子型半导体或 N 型半导体。自由电子被称为多数载流子，而空穴被称为少数载流子。 图 1-4 硅晶体中掺磷出现自由电子 113 P 型半导体 在硅或锗晶体中掺入三价元素（如硼） ，故在构成共价键结构时，将因缺少一个电子而 形成一个空穴，如图 1-5 所示。这种以空穴

7、导电作为主要导电方式的半导体称为空穴半导体 或 P 型半导体，其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。 图 1-5 硅晶体中掺硼出现空穴 不难理解，多数载流子的数目取决于掺杂的多少，而少数载流子的数目取决于热激发， 如温度越高，少数载流子的数目也就越多。 应注意，不论是 N 型半导体还是 P 型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是 考虑到原子核中带电的质子，整个晶体仍然是不带电的。 12 半导体二极管 12 半导体二极管 121 PN 结的形成及单向导电特性 1PN 结的形成 当 P 型半导体和 N 型半导体连接为一体时，在交界的地方就必然发生由于浓度不均匀 分布而引起多数载流子的扩

8、散运动，如图 1-6a 所示。由于 P 区有大量的空穴（浓度大） ，而 N 区的空穴较少（浓度小） ，因此空穴要从浓度大的 P 区向浓度小的 N 区扩散，同样 N 区 的自由电子要向 P 区扩散。随着扩散的进行，在交界面附近的 P 区留下一些带负电的离子， 形成负空间电荷区。在交界面附近的 N 区留下带正电的离子，形成正空间电荷区。这样， 在 P 型半导体和 N 型半导体交界面的两侧就形成了一个空间电荷区 （或离子层） ， 如图 1-6b 所示，这个空间电荷区就是 PN 结。 图 1-6 PN 结的形成 a) 多数载流子的扩散 b ) 空间电荷区的形成 形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它

9、们不能移动，不参与导电，故空间电荷区 也叫耗尽层。 正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的 N 区指向 带负电的 P 区，如图 1-6b 所示。内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，所以空间电 荷区又称为阻挡层。 空间电荷区的内电场对少数载流子（P 区的自由电子和 N 区的空穴）则可推动它们越 过空间电荷区，进入对方。少数载流子在内电场的作用下有规则的运动称为漂移运动。 在开始形成空间电荷区时， 多数载流子的扩散运动占优势。 但少数载流子的漂移运动则 逐渐增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡， PN 结就处于相对稳定的状态。 2PN 结的单向导电性 如果在

10、PN 结上加正向电压，即外电源的正端接 P 区，负端接 N 区（如图 1-7 所示） 。 可见外电场与内电场方向相反，因此扩散与漂移运动的平衡被破坏。 图 1-7 PN 结加正向电压 外电场驱使 P 区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷，同时 N 区的自由电子 进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷。于是，整个空间电荷区变窄，内电场被削弱，多数 载流子的扩散运动加强，形成较大的扩散电流。至于漂移运动，故对总电流影响可以忽略。 所以正向接法的 PN 结为导通状态，耗尽层变窄，呈现的电阻很低。 如果在 PN 结上加反向电压，即外电源正端接 N 区，负端接 P 区，如图 1-8 所示， 图 1-8

11、 PN 结加反向电压 则外电场与内电场方向一致， 也破坏了扩散与漂移运动的平衡。 外电场驱使空间电荷区两侧 的空穴和自由电子移走， 空间电荷区变宽， 内电场增强， 使多数载流子的扩散运动难于进行。 但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动，在电路中形成了反向电流。由 于少数载流子数量很少，故反向电流很小，即 PN 结呈现的反向电阻很高。又因为少数载流 子是由于获得热能（热激发）价电子挣脱共价键的束缚而产生的，环境温度愈高，反向电流 也就愈大。所以，温度对反向电流的影响很大。 综上所述，PN 结具有单向导电性，即在 PN 结上加正向电压时，PN 结变窄，电阻很 低，两端压降较小，PN

12、 结处于导通状态；加反向电压时，PN 结变厚，电阻很高，反向电 流很小（常被忽略不计） ，PN 结处于截止状态。 122 二极管的基本结构 按结构分， 二极管有点接触型和面接触型两类。 点接触型二极管的特点是其高频性能好， 适用于高频和小功率的工作。面接触二极管由于 PN 结结面积大，只能在较低频率下工作， 可用于整流电路。图 1-9a 示出了一些常见二极管的外形图。图 1-9b 是二极管的图形符号。 图 1-9 半导体二极管的外形及符号 a）外形图 b）符号 123 二极管的伏安特性 在二极管的两端加上电压 U，电流与电压之间的关系曲线 I=f (U) 即是二极管的伏安特 性，如图 1-10

13、 所示。由图可见，当外加正向电压很低时，由于外电场还不能克服 PN 结内 电场对多数载流子扩散运动的阻力，故正向电流几乎为零。当正向电压超过一定数值后，电 流增长很快。这个定值被称为死区电压，其大小与材料及环境温度有关。 通常，硅管的死区电压约为 0.5V ，锗管约为 0.2V。管子导通后，管子的电压降变化很 小，称为管子的导通压降，硅管约为 0.6V ，锗管约为 0.3V。 图 1-10 2 CP10 硅二极管的伏安特性 在二极管上加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。反向电 流有两个特点，一是它受温度影响大，随温度的上升增长很快，二是在温度一定、反向电压 不超过某一范

14、围时，反向电流的大小基本不变，故通常称它为反向饱和电流，用符号 IS 表 示。而当外加反向电压超过 U（BR）以后，反向电流将急剧增大，这种现象称为击穿，U（BR） 称为反向击穿电压。 必须说明一点，发生击穿并不意味着二极管被损坏。则当反向电压降低时，二极管的性 能就可以恢复正常。 124 二极管的主要参数 电子器件的参数是其特性的定量描述，也是实际工作中根据要求选用器件的主要依据。 二极管的主要参数有以下几个： 1最大整流电流 IF 它指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。 2最高反向工作电压 UR 工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，通常将击穿电压 U（BR） 的一半

15、定为 UR。 3反向电流 IR IR系指在室温条件下，二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流值。 例 1-1 如图 1-11 所示限幅电路中，已知输入波形，试画出输出的波形，二极管正向电 阻忽略不计。 图 1-11 例 1-1 的图 a)电路图 b)输入输出波形图 解：当ui=10V 时，VD1导通，VD2截止，输出uo=5V； 当ui=-10V 时，VD1截止，VD2导 通，输出uo=-3V；输出波形如图 1-11 所示。 125 稳压二极管 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。 由于它在电路中与适当数值的电阻配合 后能起稳定电压的作用， 故称为稳压管， 其表示符号、 外形

16、图和伏安特性 R 如图 1-12 所示。 图 1-12 稳压管的符号和伏安特性 a）符号及外形 b）伏安特性 稳压管工作于反向击穿区。从反向特性上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反 向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后， 电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路 中能起稳压作用。若反向电流超过允许范围，稳压管将会发生热击穿而损坏。 稳压管的主要参数有 1稳定电压 UZ UZ是稳压管在正常工作下管子两端的电压。 2电压温度系数 av 这个系数说明稳压值受温度变化影响的大小。例如 2CW18 稳压管的电压温度系数是 0.095