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1、1,半导体二极管和晶体管,第十四章,2,电子技术是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。,从本学科内容大的方面来划分，可分为模拟电子技术和数字电子技术。,模拟电子技术主要讨论连续变化信号电路。,数字电子技术主要讨论脉冲信号电路。,电子器件的发展：,真空电子管 晶体管 集成电路,3,第14章 二极管和晶体管,14.3 半导体二极管,14.4 稳压二极管,14.5 半导体三极管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,4,本章要求： 1. 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； 2. 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原
2、理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 会分析含有二极管的电路！,第14章 二极管和晶体管,基本课时：4-5个,5,本章作业：,P32页 14.3.6 14.3.8 14.4.3 14.5.8 14.5.9,6,14.1 半导体的导电特性,几个基本概念：,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。,7,一种物质的导电性能取决于 其载流子密度（浓度）。,8,半导体的特点：, 半导体的优点（与电子真空管相比） 1、体积小，重量轻 2、
3、耗电省 3、成本低（特别是大规模生产）, 缺点： 1、受温度影响大 2、参数离散 3、半导体器件对静电非常敏感：半导体生产车间对去静电要求非常强，进车间前要去静电、穿防护服,9,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,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，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,10,14.1.1 本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子
4、（价电子）都是四个。,11,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,12,硅和锗的共价键结构,共价键 共用电子对,+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。,注意：半导体中两种电子： 共价键中的价电子 自由电子,13,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。,1、本征激发（热激发）,14,本征半导体的导电机理,空穴吸引邻近价电
5、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载流子。,空穴导电：,15,注意：,1、半导体有两种载流子：自由电子 和空穴； 2、自由电子和空穴是成对出现，又不断复合。 3、在一定温度下，电子空穴对处于动态平衡，载流子数目便维持一定。 4、温度对半导体的导电性能影响很大。,16,N型半导体,多余电子,磷原子,掺杂浓度为百万分之一，则电子浓度就会增加到：,2、掺杂,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。,17,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,硅或锗 +少量磷 N型半导体,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,18,N型半导体,N型半导体中的载流
6、子是什么？,结论： 1、自由电子和空穴，且掺杂后载流子的浓度远远大于本征半导体中载流子浓度 。 2、自由电子浓度远远大于空穴浓度。 多数载流子（多子） 自由电子 少数载流子（少子） 空穴。,19,空穴,P型半导体,硼原子,20,P型半导体特点：,1、在本征半导体中掺入三价元素。,2、P型半导体中载流子是自由电子和空穴 多子： 空穴 少子 ： 自由电子,21,总 结,掺杂半导体导电性能大大增强的原因是： 掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加！,22,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温
7、度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,23,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN 结的形成,先将基片做成P型，然后在另一边掺入五价元素，使其成为N型半导体。 先将基片做成N型，然后在另一边掺入三价元素，使其成为P型半导体。,24,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,25,一、 PN 结的形成,26,1、空间电荷区中几乎没有载流子。(故空间电荷区的电阻率很高),2、空间电荷区中内电场阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂
8、移运动。,3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小即漂移电流很小，nA级。,请注意,4、扩散与漂移达到动态平衡时,空间电荷区的宽度基本稳定，PN结处于相对稳定状态。,27,P区接外电源的正极、N区接负极： PN结加上正向电压、正向偏置,14.2.2 PN 结的单向导电性,28,PN结反向偏置,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区接外电源负极、N区接正极。,29,结论： PN结具有单向导电特性,30,14.3 半导体二极管,14.3.1 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
9、、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。,31,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,32,二极管实际外形,33,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿 电压U(BR),导通压降,当外加电压死区电压,二极管才能导通。,当外加电压反向击穿电压,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 范围内基本 保持常数。,电流的正半部分单位为mA，负半部分为A,34,14.3.3 主
10、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. 反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向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，IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,35,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
11、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，反向电流很小。,3.当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。,36,二极管电路分析举例（考点）,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,定量分析：若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当
12、于断开。,37,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6.3或6.7V,例1：,思路： 1、取 B 点作参考点 2、断开二极管 3、分析二极管V阳、 V阴,在这里，二极管起钳位作用。,38,两个二极管的阴极接在一起 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。,V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V ，D1截止
13、。,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,这里，D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,共阴连接,39,B,D1,6V,12V,3k,A,D2,UAB,+,共阳连接,求：UAB,V1阳 =12 V，V2阳=12 V，V1阴 = -6 V ，V2阴= 0 V UD1 = 18V，UD2 =12V UD2 UD1 D1 优先导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = -6 V， D2截止。,40,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 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,例3：,总结二
14、极管的用途： 限幅、钳位、开关、整流、检波、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,41,例4：二极管的应用,R,RL,ui,uR,uo,42,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,（2）二极管的极间电容（了解）,43,一、工作区域,U,UZ,IZ,曲线越陡，电压越稳定。,-,14.4 稳压二极管,稳压管工作在反向击穿区,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。,44,二、工作特点：,（1）在反向击穿区处于稳压状态；,（3）工作在其它区域与一般二极管相同。,（2）其反向击穿是可逆的；,45,(1)
15、稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,三 主要参数,对Si管而言， 正值, UZ 6V 很小, UZ =6V 负值, UZ 6V 所以一般的多选用工作在6V的稳压管,46,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZMax ，最小稳定电流 IZMin,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,书上的例子自己看看,47,基极,NPN型,PNP型,基极,14.5 半导体三极管,14.5.1 基本结构,48,发射结,集电结,49,基区：较薄，1um以
16、下，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,结构特点,50,三极管结构特点（工作的内部条件）： 1、集电区：面积最大，掺杂浓度大于基区掺杂浓度（收集电子的作用） 2、基区：最薄，掺杂浓度最低（过渡电子的作用） 3、发射区：掺杂浓度最高，远远大于集电区的掺杂浓度（发射电子的作用）,51,1,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,14. 5. 2 电流分配和放大原理,EB,RB,Ec,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。,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。,52,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从发射区扩散来的电子与基区的少子漂移进入集电结而被集电区
