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1、第十五章 半导体二极管和三极管, 15 1 半导体的导电特性 15 2 PN结 15 3 半导体二极管 15 4 稳压管 15 5 半导体三极管,15 1 半导体的导电特性,一、 导体、半导体和绝缘体,1、很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,2、有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,3、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、 氧化物等。,（导体）,半导体,载流子密度（浓度）举例：,一种物质的导电性能取决于它的载流子密度（浓度）。,由于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
2、作用时，它的导 电能力将明显变化热激发。,又例如，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的载流子数量大大的增加，半导体的导电能力也大大的改变掺杂。而掺杂可大大增加导电率正是半导体能制成各种电子器件的基础。,（1）通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,（2）完全纯净的（单一元素组成的）、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,（3）在硅和锗晶体中，原子按四角形 系统组成，每个原子与其相临的原子之间 形成共价键，共用一对价电子。,二、 本征半导体,1。要点：,2。硅和锗的共价键结构,+4表示除去价电子后的原子,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，常温下束缚电子很难脱离共价键成
3、为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。,共价键 共用电子对,3。本征半导体的导电机理,在绝对零度（T= 0 K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0。,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。自由电子和空穴都可以参与导电，通称载流子。,本征半导体的导电机理,自由电子在外电场的作用下，在晶格点阵 中定向运动，形成电子电流。,空穴导电：空穴吸引邻近价电子来填补，这样 的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为空穴 是呈正电性的载 流子，其定向
4、运 动的方向与自由 电子相反，所形 成的电流称为空 穴电流。,2、自由电子和空穴总是成对出现，同时又不 断相遇“复合”。,3、在一定温度下，电子空穴对的产生和复合 达到动态平衡，于是半导体中的载流子数 目便维持一定。,1、半导体有两种载流子： 自由电子和空穴,本征半导体的特点：,4、温度愈高，半导体的载流子愈多，导电性 能也愈好。,例如，掺杂浓度为百万分之一，则载流子浓度约为： 电阻率为：,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,可见，掺杂大大提高了半导体的导电能力，同时也导致杂质半导体的产生！,三、 N 型半导体和 P 型半导体,（1）掺杂浓度远大于本征半导
5、体中载流子浓度 。 （2）自由电子浓度远大于空穴浓度。,1、N型半导体,多余电子,磷原子,特点：,少数载流子（少子）空穴,空穴,硼原子,2、P型半导体,（1）掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 。 （2）空穴浓度远大于自由电子浓度。 多数载流子（多子）空穴,特点：,结 论,1、P型半导体：本征半导体中掺入三价元素；,N型半导体：本征半导体中掺入五价元素。,3、多数载流子的数目取决于掺杂浓度，少数载流子的数目取决于温度。,4、无论P型半导体或N型半导体，就其整体而言，正负电荷平衡仍为电中性。,2、 P型半导体 N型半导体 多数载流子 空穴 自由电子 少数载流子 电子 空穴,一、 PN 结的形成
6、,15 2 P N 结,空间电荷区形成内电场,1、空间电荷区（耗尽层）中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场是阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动。,3、P区的电子和N区的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流即漂移电流很小（A级）。,请注意,4、扩散与漂移达到动态平衡时即形成PN结。,二、 PN结的单向导电性,PN结加上正向电压（或正向偏置）的意思是： P区加正、N区加负电压。,1、PN结正向偏置,外电场削弱内电场，空间电荷区变窄。 有利于多子的扩散，形成较大正向电流，PN结呈低电阻。 在一定范围内，正向电流随外电压增加而增大。,正向导通,2、PN结反向偏置,PN结加上反向电压（
7、或反向偏置）的意思是： P区加负、N区加正电压。,外电场加强内电场，空间电荷区变宽。 有利于少子的漂移，扩散很难，形成微弱反向（漂移） 电流，此时PN结呈高反向电阻。 电场强度一定时，反向电流只随温度变化。,反向截止,结 论,PN结的单向导电性为：,PN结加正向偏置时，导通，正向电流很大， 正向电阻很小；,PN结加反向偏置时，截止，反向电流很小， 反向电阻很大。,一、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型, 15 3 半导体二极管,D,表示符号,二极管实际结构,二、伏安特性,死区电压 硅管0. 5V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。,
8、反向击穿电压U(BR),三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,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U(BR),二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是U(BR)的一半。,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。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,四、二极管电路的分析方法及应用（图解法）,直流信号,大交流信号:,相当电子开
9、关,二极管的应用主要是利用它的单向导电性来实现整流、限幅（削波）、钳位隔离等作用。,整流作用：,限幅（削波）作用：,钳位、隔离作用：,UA UB 时，UF UA DA 将 F 端电位钳位在 UA DB 将 F 端与输入端 B 隔离,UA UB时，UF UB DB 将 F 端电位钳位在 UB DA 将 F 端与输入端 A 隔离,解:,在如图所示的的电路中，求输入端Y的电位VY 。,DA优先导通,设管压降为0.3V，则 VY = 2.7 v,此时， VY VB , DB反偏截止,效果 钳位：VY 钳在 2.7 v 隔离：DB使 B 与 Y 隔离断开，不通。,已知ui=2Esint, 试画出各电路的
10、输出电压uo的波形。,(1) 并联下限幅器,解:, ui 正半周时，D截止，E 断开， uoui ;, ui 负半周且 时, D导通，输出为 uo = E 。,(2) 并联上限幅器,(3) 双向限幅（削波）器,对如图的电路，试求下列情况下输出 端的电位VY及各元件中通过的电流: (1) VA= 10 v, VB=0 ; (2) VA= 6 v, VB= 5.8 v ; (3) VA= VB= 5 v 。 设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无限大。,(1) VA= 10 v, VB = 0时，,解:,DB反向截止！,(2) VA= 6 v, VB= 5.8 v时，,VY VB， DB也导通,此时
11、VY应由VA和VB共同作用而得，可根据结点电压法求出！,DA导通,VA VB， DA优先导通,进一步可求出IR、 IA、 IB 如下：,VA=VB= 5 v时，DA、 DB同时导通，此时,VY由VA和VB共同作用， 可根据结点电压法求出：, 15 4 稳 压 管,稳压管是一种特殊的半导体二极管。,特殊处：反向击穿电压低，反向击穿特性陡，且 击穿后除去反向电压又能恢复正常。,稳压管的图形符号和文字符号,一、伏安特性及工作特点：,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,（1）在反向击穿区 UZ很小, IZ 很大, 管子处于 稳压工作状态；,（2）工作在其它区 域与一般二极 管性质相同。,二、稳压管的主要
12、参数,（1）稳定电压 UZ ： 稳压管正常工作时管 两端电压。,（2）电压温度系数U（%/）： 稳压值受温度变化影响的的系数。,（3）动态电阻：是衡量稳压管性能好坏的指标,rZ 越小，曲线越陡， 管子性能越好。,（5）最大允许耗散功率 PZM,（4）稳定电流 IZ ： 稳压管在UZ 作用下的电 流，是一个参考数据。 每种型号的稳压管都有 最大稳定电流 IZM 。,三、稳压管的主要应用,1、 限幅作用,在限幅电路中， 二极管工作在正向特性区； 稳压管工作在反向击穿区。,UZ,2、 稳压作用,稳压管稳压电路由限流电阻 RZ与稳压管DZ构成。, 当电源电压增大而引起Ui 时，受其影响有Uo,Uo=
13、UZ是DZ的反向工作电压，有UiUo=UZIZ很多 I RZ = ( IZ + Io ) RZ 很多 Uo = Ui IRZ 基本不变（稳压!）, 当电源电压不变而负载变化时，RLIo Uo UZ = Uo IZ很多 I = ( IZ + Io )基本不变 Uo = Ui IRZ 基本不变（稳压!）,一、基本结构,NPN型,PNP型, 15 5 半导体三极管,基区：较薄，1um以下，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,发射结,集电结,三区: 基区 发射区 集电区,三极: 基极 B 发射极 E 集电极 C,两结: 发射结 集电结,结构特点:,Ec,二、电流放大原理,EB,RB,
14、发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,多子的运动,少子的运动,ICE与IBE之比即IC与IB之比称为电流放大倍数,IB=IBE-ICBO IBE,B,E,C,IB,IE,IC,NPN型三极管,B,E,C,IB,IE,IC,PNP型三极管,三极管的表示方法,T,T,图中箭头方向代表发射结正偏时的正向电流方向！,三、特性曲线,特性曲线实
15、验线路,（1）输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降： 硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,此区域中UCE0.3VUBE ,集电结、发射结均正偏，IBIC，无放大作用，称为饱和区。,（2）输出特性,此区域IC=ICEO , UBE 死区电压，发射结、集电结均反偏，三极管相当于两个截止的二极管并联，其作用相当于一个打开的开关。此区称为截止区。,此区域中 :发射结正偏，集电结反偏， UBE0 , UBC0， ，此 区称为放大区或线性区。,（3）主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射极接法，相应地还有共基极 、共集电极接法。,共射直流电流放大倍数：, 电流放大倍数和 ,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,例：UCE= 6V 时：IB= 40A, IC= 1.5mA； IB= 60 A, IC= 2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =, 集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。, 集-射极反向截止电流 ICEO,B,E,C,N,N,P,
