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1、第七章 二极管和三极管,7.1 半导体的导电性,7.3 二极管,7.4 稳压二极管,7.5 三极管,7.6 光电器件,7.2 PN结及其单向导电性,7.1 半导体的导电特性,另有一类物质它的导电能力介于导体和绝缘体之间称为半导体。如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等,半导体的导电特性主要表现在其导电能力在不同条件下具有很大的差别：,（1）温度：当环境温度增高时，其导电能力要增强很多；,（2）光照：当光照增强时其导电能力要增强很多；,（3）杂质：往纯净的半导体中掺入微量杂质，其导电能力显著增加。,半导体的导电特性，在不同条件下具有很大的差别，是由其内部结构的特殊性所决定的。,自然界是很容易导
2、电的称为导体，金属一般都是导体,有些物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷等,1 本征半导体,目前最常用的半导体材料是硅和锗，它们的原子最外层都有四个价电子，都是四价元素。将硅和锗提纯（去掉无用杂质）并形成单晶体，称为本征半导体。,共价键,在本征半导体的晶体结构中，原子按四角形结构组成晶体点阵。原子核处于中心。每个原子与相邻的原子相结合，每一个原子的一个价电子与相邻的另外一个原子的一个价电子组成一个电子对，称为共价键。,共价键,由于共价键的形成，每个原子的最外层有8个价电子，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。 共价键中的两个电子在常温下很难脱离共价键的束缚成为自由电子，因此本征
3、半导体中的自由电子很少，导电能力弱，在绝对0度和没有外界激发时没有任何可以运动的带电粒子（载流子），导电能力为0，相当于绝缘体。但价电子在获得一定能量后（温度升高或受光照）即可能挣脱原子核的束缚而成为自由电子。,Si,Si,Si,Si,共价键,在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。,Si,Si,Si,Si,共价键,在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键
4、中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。,Si,Si,Si,Si,共价键,在价电子挣脱原子核的束缚而成为自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。,Si,Si,Si,Si,共价键,在价电子挣脱原子核的束缚而成为自
5、由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。,（1）半导体中存在自由电子和空穴两种载流子。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断复合。在一定条件下（温度下）载流子的产生和复合达到动态平衡，于是载流子便维持一定数目。温度越高或受光照越强，载流子数目越多，半导体的导电性能也就越好，所以温度或光照对半导体的导电性能影响很大。,（2）当半导体两端加上电压后，半导体中将出现两部分电流。一部分是
6、自由电子作定向运动所形成的电子电流，另一部分是价电子或自由电子填补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体的最大特点，也是半导体和导体导电的本质区别。,2 N型半导体和P型半导体（杂质半导体）,本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，所以导电能力很低。如果在本征半导体中掺入微量的某种杂质（某种元素），将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两类。,电子半导体（N型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入磷（或其它五价元素）。磷原子的最外层有五个价电子，是五价元素。由于掺入硅或锗晶体中的磷原子数比硅或锗的
7、原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被磷原子所取代。磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是这种半导体中自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。,多 余 电 子,2.1 N型半导体,空穴半导体（ P型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入硼（或其它三价元素）。硼原子的最外层有三个价电子，是三价元素。由于掺入硅或锗晶体中的硼原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被硼原子所取代。硼原子在参加共价键结构时
8、，将因缺少一个价电子而形成一个空穴。于是这种半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。,填补空穴,空 穴,2.2 P型半导体,(1)不论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，但整个晶体结构都是不带电。(2)多数载流子常称为多子，少数载流子称为少子,P型半导体,N型半导体,7.2 PN结及其单向导电性,P型半导体或N型半导体的导电能力虽然比本征半导体的导电能力大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。通常是在一块晶片上，采取一定的掺杂工艺措施，在晶片两边分别形成P型半导体和N型半导体，那么它们的交接
9、面就形成了PN结。PN结才是构成各种半导体器件的基础。,1 PN结的形成,P型半导体,N型半导体,假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（ P离子）带正电。由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的
10、五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。,P型半导体,N型半导体,假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（ P离子）带正电。由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质
11、离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。,PN结,PN结中的正负离子虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这个区域内，载流子数极少，所以空间电荷区的电阻率很高。,P型半导体,N型半导体,空间电荷区的电阻率很高,正负空间电荷在交接面两侧形成一个电场，称为内电场。内电场的方向由带正电的N区指向带负电的P区。内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用；对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则起推动作用，即推动少数载流子越过空间电荷区而进入对方，这种由少数载流子所形成的运动称为漂移运动。,P型半导体,N型半导体,扩散运动和漂移运动是相互联系，又是相互
12、矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。随着扩散运动的进行，空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。于是多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动逐渐增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本确定下来，PN结也就处于相对稳定的状态。,P型半导体,N型半导体,扩散运动使空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移运动使空间电荷区变窄。,2 PN结的单向导电性,由于内电场被削弱，多数载流子的扩散运动得到加强，所以能够形成较大的扩散电流。,PN结加正向电压、正向偏置是指P区加正电压，N区加负电压 PN结加反向电压、反向偏置
13、是指P区加负电压，N区加正电压,由于内电场被加强，少数载流子的漂移运动得到加强，但少数载流子数量有限，只能形成较小的反向电流。,0,结论：PN结具有单向导电性。当PN结加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于导通状态。当PN结加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。,7.3 二极管,1 基本结构,将PN结加上电极引线和管壳，就成为了半导体二极管。,图形符号,文字符号,D,点接触型一般为锗管，它的 PN结结面积很小（结电容小），适用于小电流高频电路工作，也用于数字电路中的开关元件。,面接触型一般为硅管，它的 PN结结面积大（结电容大），可以通过较大电流，工作
14、频率较低，适用于整流电路。,2 伏安特性,（1）半导体二极管实际上是一个PN结，所以具有单向导电性。 （2）半导体二极管是非线性元件。,3 主要参数,（1）最大正向电流IFM,指二极管长期工作时允许通过的最大正向平均电流。点接触型二极管的最大正向电流在几十毫安以下；面接触型二极管的最大正向电流较大，如2CP10型硅二极管的这个电流为100mA。实际工作时，二极管通过的电流不应超过这个数值，否则将因管子过热而损坏。,（2）最高反向工作电压UDRM,指二极管不被击穿所容许的最高反向电压。一般为反向击穿电压的1/22/3。如2CP10型硅二极管的这个电压为25V，而反向击穿电压为50V。,（3）最大
15、反向电流IRM,指二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响较大。反向电流大，说明二极管的单向导电性能差。硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下；锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,4 二极管的应用,二极管的应用范围很广，利用它的单向导电性，可组成整流、检波、限幅、嵌位等电路。还可构成其它元件或电路的保护电路，以及在数字电路中作为开关元件等。,在作电路分析时，一般将二极管视为理想元件，即认为正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向电压忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,例：图示为一正负对称限幅电路，已知ui=10sint
16、 V， Us1=Us2=5V，画出uo的波形。,解题思路： （1）当|ui|5V时，D1处于正向偏置而导通，所以uo=5V。 （3) ui-5V时，D2处于正向偏置而导通，所以uo=-5V。,例：图示电路，已知ui的波形，画出uo的波形。,7.4 稳压二极管,稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合，能起到稳定电压的作用，所以称其为稳压管。,1 基本结构,图形符号,文字符号,DZ,（1）稳压管的伏安特性与二极管的伏安特性类似。所不同的是稳压管的反向特性曲线比较陡。,（2）稳压管工作于反向击穿区。当稳压管反向击穿后，反向电流虽在很大范围内变化，但反向电压却变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中可以起稳压作用。,
