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1、本章提要：半导体二极管和晶体管是常用的半导体器件。它们的基本结构、工作原理、特性曲线和主要参数是学习电子技术和分析电子电路的基础。PN结是构成各种半导体器件的基础。 本章重点讨论以下几个问题：1）半导体的导电特性；2）PN结的形成及其导电特性；3）半导体二极管的工作原理及其特性曲线、主要参数及应用；4）特殊二极管；5）晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数。 作为了解的内容：1）场效应晶体管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数；2）晶闸管的结构、工作原理、特性曲线和主要参数及应用。,第二章 半导体器件,第一节 半导体二极管,1、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导电性介于导体与绝缘体之间的
2、物质称为半导体。 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。 半导体硅(Si)、锗(Ge)，均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。 本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。,没有杂质,稳定的结构,一、半导体的导电特性,（一）半导体的特点,1.半导体的电导率可以因加入杂质而发生显著的变化。例如在室温 时，纯硅中掺入一亿分之一的杂质(称掺杂)，其电导率会增加几百倍。 2. 温度的变化，也会使半导体的电导率发生显著的变
3、化，利用这种热敏效应人们制作出了热敏元件。但另一方面，热敏效应会使半导体元、器件的热稳定性下降。 3. 光照不仅可以改变半导体的电导率，而且可以产生电动势，这就是半导体的光电效应。利用光电效应可以制成光电晶体管、光电耦合器和光电池等。,（二）本征半导体的结构,共价键,价电子,硅原子,自由电子,空穴,由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子,自由电子的产生使共价键中留有一个空位置，称为空穴,自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。 一定温度下,自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高,热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。,动态平衡,在本征半导体中，两种载
4、流子成对出现，成对消失，形成动态平衡。因此整个原子是电中性的。温度对载流子的影响很大，温度升高时，载流子的数量增加。,半导体中的两种载流子自由电子和空穴,运载电荷的粒子称为载流子。 外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电， 且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。,（三）杂质半导体 在本征半导体中，人为地掺入少量其他元素(称杂质)，可以使半导体的导电性能发生显著的改变。掺入杂质的半导体称作杂质半导体。根据掺入杂质性质的不同。可分为两种：,N型半导体（电子型）：掺杂五价元素,P型半导体（空穴型）：掺杂三价元素,1N型半导体 在本征半导体中掺入少量的五价磷元素，使每一个五价
5、元素取代一个四价元素在晶体中的位置，可以形成N型半导体。,多余电子,五价磷,电子空穴对,自由电子数多于空穴数,2P型半导体 在本征半导体中掺入少量三价元素，可以形成P型半导体，常用于掺杂的三价元素有硼、铝和铟。,空穴,三价硼,电子空穴对,空穴数多于自由电子数,总结,在N型半导体中，自由电子数大于空穴数，自由电子-多数载流子(多子)。空穴-少数载流子(少子)。 在P型半导体中，空穴数大于自由电子数，空穴-多子。自由电子-少子。 不论N型半导体还是P型半导体，虽然都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,物质因浓度差而产生的运动称为扩散运动。气体、液体、固体均有之。,二、P N结1、PN
6、结的形成,空穴,负离子,正离子,自由电子,扩散运动,P区空穴浓 度远高于N区,N区自由电子 浓度远高于P区,扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。,1、PN结的形成由于扩散运动使P区与N区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向P区、自由电子从P区向N区运动。,(1)内建电场对多数载流子的扩散运动起到阻碍作用； (2)内建电场可推动少数载流子越过空间电荷区向对方漂移。,参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了PN结。,2PN结单向导电特性 外加反向电压PN结反向截止,外加电场,内电场,
7、I0,少子漂移,外加正向电压PN结正向导通,外加电场,内电场,I,多子扩散,PN结的单向导电性,结论,利用PN结的单向导电性，可以制成半导体二极管及各种半导体元件,(1)PN结正偏：,PN结导通,空间电荷区变窄,电阻,有利于多子扩散,电流,(2)PN结反偏：,PN结截止,电阻,有利于少子漂移,电流,空间电荷区变宽,三、半导体二极管 将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。,小功率二极管,大功率二极管,发光二极管,稳压二极管,三、半导体二极管 二极管通常有点接触型和面接触型两种,阳极A,阴极K,VD,点接触型,面接触型,二极管的管压降与其电流的关系 曲线，称为二极管的伏安特性曲线,1二极管的
8、伏安特性,硅管,锗管,a点,Uon,b点,I=ISRexp(U/UT)-1,c点,线性区,d点,反向击穿区,二极管管压降,UBR,死区电压硅管约0.5V锗管约0.1V,非线性区,硅管为0.60.8V； 锗管为0.20.3V.,截止区,反向击穿电压,反向饱和电流,1二极管的伏安特性,2二极管的主要参数 1) 最大整流电流 IFM指二极管长期工作时，允许通过的最大正向平均电流。当电流超过允许值时，将由于PN结的过热，而使二极管损坏。 2) 反向饱和电流ISR 指在一定环境温度条件下，二极管承受反向工作电压、又没有反向击穿时，其反向电流的值。它的值愈小，表明二极管的单向导电特性愈好。温度对反向电流影
9、响较大，经验值是，温度每升高10，反向电流约增大一倍。使用时应加注意。 3) 反向工作峰值电压URM指管子运行时允许承受的最大反向电压。通常取反向击穿电压的二分之一至三分之二。,3二极管的近似特性和理想特性由二极管的伏安特性曲线可见，由于二极管正向导通时电压变化很小，而反向截止时，电流很小。对于所分析的电路来说，将它们忽略时，产生的误差很小。故通常可用理想二极管的特性代替二极管的伏安特性。,近似特性:当电源电压与二极管导通时正向电压降相差不多时二极管的电压小于导通正向电压时，二极管截止，电流为0；二极管导通后，正向电压降恒为UD,理想特性:当电源电压远大于正向电压降时加正向电压时，二极管导通，
10、正向电压降和正向电阻为0，（二极管相当于短路）加反向电压时，二极管截止，反向电流为0，反向电阻无穷大。（二极管相当于开路）,0,t,0,t,E,E,t1,t2,时,二极管截止,（0t1与t2以后）,时,二极管导通,（t1t2）,限幅电路,例2-2 图2-12a中的R和C构成一微分电路。当输入电压ui如图1-12b中所示时，试画出输出电压uo的波形。设uC(0)=0。,2,2,二极管正向压降是0.3V,硅管为0.60.8V； 锗管为0.20.3V.,稳压二极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。,锗稳压管特性曲线,硅稳压管特性
11、曲线,VS,K,A,四、特殊二极管 1. 稳压二极管（又称齐纳二极管）,稳压二极管的伏安特性,由一个PN结组成，反向击穿后在一定的电流范围内端电压基本不变，为稳定电压。,若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！,限流电阻,稳压管的主要参数有下面几个： 1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下两端的电压。 2）电压温度系数 说明稳压管受温度变化影响的参数。例如电压温度系数为0.095%/，则表示温度每升高1，它的稳压值将比额定温度时升高0.095%。一般来说:低于4 V的稳压管，电压温度系数是负的; 高于7V的稳压管，电压温度
12、系数是正的；6V左右的稳压管，稳压值受温度的影响较小。因此，选用6V左右的稳压管，可得到较好的温度稳定性。,3）动态电阻rZ 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。4）稳定电流IZ 稳压管正常工作时的参考电流。5）最大允许耗散功率PZM稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。即稳压管的额定功耗。,当Ui=+20V时，VS1反向击穿，其稳压值UZ1=6.3V，VS2正向导通，UD2=0.7V，则Uo=+7V；同理Ui=-20V时,Uo=-7V,VS1,VS2,2、光电二极管（又称光敏二极管）是一种将光信号转换为电信号的特殊二极管。它与PN结二极管类似，不同之处在于：在它的P
13、N结处通过管壳上的一个玻璃窗口能接收外部的光照。它工作于反向偏置状态。主要特点是它的反向电流与照度成正比：有光照时，电流会急剧增加，称为光电流；无光照时，反向电流很小，称为暗电流。,光电二极管的符号,3、发光二极管当有电流流过时就发光，这是由于电子与空穴直接复合而放出能量的结果。用途: (1)作为显示器件，除单个使用外，也常做成七段式或矩阵式器件，工作电流一般为几毫安至十几毫安。(2)将电信号变为光信号，通过光缆传输，然后再用光敏二极管接收，再现电信号。,发光二极管的符号,下图为发光二极管发射电路通过光缆驱动光电二极管电路。,第二章 半导体器件 第二节 半导体三极管,第二节 半导体三极管,一、
14、基本结构双极型半导体器件 晶体三极管的结构，目前最常见的有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。 不论是平面型还是合金型，都是由3层不同型半导体构成。,平面型,合金型,第二节 半导体三极管,晶体三极管分为NPN型和PNP型两类,第二节 半导体三极管,二、电流放大原理 晶体管必须满足一定的偏置条件，才能有电流放大作用。 右图电路是以NPN型硅三极管接成共射形式（基极回路和集电极回路以发射极作为公共端）的示意图。,由图可见，晶体管的外部偏置条件是：电压源UBB通过电阻RB提供给发射结正向偏置；而电压源UCC通过电阻RC加到集电极，使集电结处于反向偏置。,第二节 半导体三极管,因发射
15、区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区,因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合,因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区,扩散运动形成发射极电流IE 复合运动形成基极电流IB 漂移运动形成集电极电流IC,第二节 半导体三极管,NPN三极管电流方向及各电流的关系,IC,ICE,ICBO,IB,IBE,IE,共射电流放大系数,表示晶体管的电流放 大作用。（共射形式）,第二节 半导体三极管,结论,晶体管有电流放大作用。,晶体管的发射结正偏，集电结反偏时，,晶体管为电流控制器件（基极电流控制集电极电流）,参加导电的有自由电子和空穴，故又叫双极型晶体三极管,NPN,PNP,NPN型与PNP型晶体管电流电压的参考方向,第二节 半导体三极管,三、晶体管的伏安特性曲线,1输入伏安特性曲线（NPN）,定义,硅管,晶体管输入特性与二极管的正向特性一样，也有一段死区。只有在发射结外加电压大于死区电压时，晶体管才会出现 。,硅管的死区电压约为,锗管的死区电压约为,晶体管导通后，其发射结电压变化范围很小,锗管,第二节 半导体三极管,2输出特性曲线,定义,(1) 截止区,外部特征：,三极管相当于开路。,外部（偏置）条件：,发射结反向偏置，集电结反向偏置。,(2) 饱和区,外部特征：,三极管相当于短路,外部（偏置）条件：,发射结正向偏置，集电结正向偏置。,
