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1、第七章 半导体二极管和三极管,第二节 半导体二极管,第三节 半导体三极管,第一节 半导体的导电特性,本章要求一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 三、会分析含有二极管的电路。,学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况，对半导体器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追究精确的数值。半导体器件是非线性的、特性有分散性,工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,对于半导体器件，重点放在特性
2、、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论半导体器件的原理目的在于应用。,第一节 半导体的导电特性,物质按导电能力的不同可分为导体、半导体和绝缘体三大类。半导体的电阻率一般在10-3109 cm量级，典型的半导体有硅(Si)和锗(Ge)，以及砷化镓(GaAs)等。硅和锗在元素周期表上是四阶元素，砷化镓则属于半导体化合物。半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的独特性能决定的：,半导体的特性：,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明 显改变( 可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时
3、，导电能力明显变化 ( 可做成各 种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等 )。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强（可做成温度敏感元件，如热敏电阻）。,一. 本征半导体,天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过高度提纯.完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中
4、产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补(价电子填空穴的现象称为复合)。而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流： (1) 自由电子作定向运动 电子电流(2) 价电子递补空穴 空穴电流,注意：(1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；(2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复
5、合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,二. N型半导体和 P 型半导体,掺杂后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 ，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电 子是多数载流子，空穴是少 数载流子。,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴 是多数载流子，自由电子 是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,
6、无论N型或P型半导体都 是中性的，对外不显电性。,此时整个晶体带电吗？为什么？,自由电子导电和空穴导电的区别在哪里？空穴载流子的形成是否由自由电子填补空穴的运动形成的？,P型半导体中的空穴多于自由电子，是否意味着带正电？,思考题,三. PN结及其单相导电性,1. PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,2. PN结的单向导电性,(1) PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接
7、正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,PN 结变宽,(2) PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,能否说出PN结有何特性？半导体的导电机理与金属导体有何不同？,什么是本征激发？什么是复合？少数载流子和多数载流子是如何产生的 ？,思考题,把PN结用管壳封装，然后在P区
8、和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。,硅高频检波管,开关管,稳压管,整流管,发光二极管,电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即为各类二极管的部分产品实物图。,第二节 半导体二极管,一. 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,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。,(c) 平面型用于集成电 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。,二极管的结构示意图,(d) 表示符号
9、,D,(a) 点接触型,(c) 平面型,(b) 面接触型,二. 伏安特性,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二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V 锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,三. 半导体二极管的参数,1. 最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压 UBR 和最大反向工作电压 URM,二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。为安全计，在实际工作
10、时，最大反向工作电压URM一般只按反向击穿电压UBR的一半计算。,3. 反向电流 IR,在室温下，在规定的反向电压下，一般是最大反向工作电压下的反向电流值。小功率硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。,4.正向压降 UF,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅 二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8 V；锗二极管约0.20.3 V。大功率的硅二极管的正向压降往往达到1V。,反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与正向电流的大小有关，也就是求正向曲线上某一点Q的动态电阻。所以动态电阻是一个交流参数，前几个是直流参数，或称为静态参数。动态电阻
11、的定义如下,5.动态电阻 rd,6.正向压降温度系数,反映了二极管正向压降随温度变化的规律，具有负温度系数。不论是锗管还是硅管基本上是一个常数,所以，二极管的正向特性曲线，当温度升高时，会向Y 轴移动，若正向特性曲线画在第一象限，曲线向左移动。,使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的可能。,总结: 二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向
12、电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,5. 二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,二极管的应用举例,注意：分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想 化处理，即正偏时视其为“短路”，截止时视其为“开路”。,UD=0,UD=,正向导通时相当 一个闭合的开关,+,反向阻断时相当 一个打开的开关,(1)二极管的开关作用,(2)二极管的限幅作用,图示为一限幅电路。电源uS是一个周期性的矩形脉冲， 高电平幅值为+5V，低电平幅值为-5V。试分析电路的输出 电压为多少。,分析,当
13、输入电压ui=5V时，二极管反偏截止，此时电路 可视为开路，输出电压u0= 0V；,当输入电压ui= +5V时，二极管正偏导通，导通时二极管压降近似为零，故输出电压u0+5V。,显然输出电压u0限幅在0+5V之间。,u0,半导体二极管工作在击穿区，是否一定被损坏？为什么？,何谓死区电压？硅管和锗管死区电压的典型值各为多少？为何会出现死区电压？,思考题,为什么二极管的反向电流很小且具有饱和性？当环境温度升高时又会明显增大 ？,例1. 电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6
14、.3或6.7V,解:取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,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：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,参考点,解: 二极管阴极电位为 8 V,例2,四. 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两
15、端的电压。,(2) 最小稳定电压 UZmin保证稳压管可靠击穿所允许的最小反向电压。,(3) 最大稳定电流 IZM,(4) 最大允许耗散功率 PZM 管子不至于发生热击穿的最大功率损耗。 PZM = UZ IZM,保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流。,使用稳压二极管时应该注意的事项,(1)稳压二极管正负极的判别,+,(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路,UZ,(3)稳压管应接入限流电阻,(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值,(5)稳压管都是硅管。其稳定电压UZ最低为3V，高的可达300V，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V。,光电二极管也称光敏二极管，是将光信号变成电信号的半 导
16、体器件，其核心部分也是一个PN结。光电二极管PN结的结 面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。,光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子空穴对，称为光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光电流，其强度与光照强度成正比。,光电二极管,光电二极管也称光敏二极管，同样具有单向导电性，光电管管壳上有一个能射入光线的“窗口”，这个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，入射光通过透镜正好射在管芯上。,实物图,图符号和 文字符号,发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PN结构成，具有单向导电性。,实物图,图符号和 文字符号,单个发光二极管常作为电子设备通断指示灯或快速光源及光电耦合器中的发光元件等。发光二极管一般使用砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。,
