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1、半导体与三极管半导体与三极管15.115.1 半导体的导电特性半导体的导电特性15.2 PN15.2 PN结结15.3 15.3 半导体二极管半导体二极管15.4 15.4 稳压管稳压管15.5 15.5 半导体三极管半导体三极管目目 录录SiSiSiSi自由电子空穴热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照产由于受热或光照产生自由电子和空穴生自由电子和空穴的现象的现象-热激发热激发（或称为本征激发）（或称为本征激发）自由电子在运动中自由电子在运动中遇到空穴后，两者遇到空穴后，两者同时消失，称为同时消失，称为复复合现象合现象 温度一定时，本征半导体中的自由电子温度一定时，本征半导体中的自
2、由电子空穴对的数目空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。当半导体两端加上当半导体两端加上外电压时，自由电外电压时，自由电子作定向运动形成子作定向运动形成电子电流；电子电流；而空穴而空穴吸引相邻原吸引相邻原吸引相邻原吸引相邻原子的价电子来填补，子的价电子来填补，子的价电子来填补，子的价电子来填补，而在该原子中出现而在该原子中出现而在该原子中出现而在该原子中出现一个空穴，其结果一个空穴，其结果一个空穴，其结果一个空穴，其结果相当于空穴的运动相当于空穴的运动相当于空穴的运动相当于空穴的运动（相当于正电荷的（相当于正电荷的（相当于正电荷的（相
3、当于正电荷的移动）。移动）。移动）。移动）。半导体导电方式半导体导电方式在半导体中，在半导体中，同时同时存在着电子导电和存在着电子导电和空穴导电空穴导电，这是半，这是半导体导电方式的最导体导电方式的最大特点，也是半导大特点，也是半导体和金属在导电原体和金属在导电原理上的本质差别。理上的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴因为，温度愈高，因为，温度愈高，载流子数目愈多，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，导电性能也就愈好，所以，温度对半导所以，温度对半导体器件性能的影响体器件性能的影响很大。很大。SiSiSiSi价电价电子子空穴空穴l半导体由于热激发而不断产生电子空穴半导体由于热激发
4、而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？电子和空穴浓度是否会越来越大呢？l实验表明，实验表明，在一定的温度下，电子浓度在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值和空穴浓度都保持一个定值。l半导体中存在半导体中存在载流子的产生过程载流子的产生过程载流子的复合过程载流子的复合过程综上所述：综上所述：(1)(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。穴，电子带负电，空穴带正电。(2)(2)本征半导体中，电子和空穴总是成对地本征半导体中，电子和空穴总是成对地
5、产生。产生。(3)(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。合过程。l本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, , 其导电性其导电性能很差；能很差；l温度愈高，温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多, ,半导体的半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。件性能影响很大。注意：注意：l本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。入微量元素，导电能力显著提高。l本征半导体的电导率很小，而且受温度和光本征半导体的电导率很小
6、，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。器件。l掺入的微量元素掺入的微量元素“杂质杂质”。l掺入了掺入了“杂质杂质”的半导体称为的半导体称为“杂质杂质”半导半导体体。15.1.2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它入微量的磷（或其它五价元素）。五价元素）。 自由电子是多数载自由电子是多数载流子，空穴是少数流子，空穴是少数载流子。载流子。电子型半导体电子型半导体或或N型半导体型半导体SiSiP+Si多余多余电子电子P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶
7、体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流空穴是多数载流子，自由电子是子，自由电子是少数载流子。少数载流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P型半导体。型半导体。SiSiB-Si空穴空穴 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型型半导体，虽然它们都有一种半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶载流子占多数，但是整个晶体仍然是体仍然是不带电不带电的。的。返回综上所述：综上所述：l(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还
8、有不参加导电的正离空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。子。l(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。流子，此外还有不参加导电的负离子。l(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关少子由本征激发产生，其浓度与温度有关 15.2 PN结结lPN结：结： 是指在是指在P型半导体和型半导体和N型半导体的交界处形型半导体的交界处形成的空间电荷区。成的空间电荷区
9、。lPN结是构成多种半导体器件的基础。结是构成多种半导体器件的基础。 二极管的核心是一个二极管的核心是一个PN结；三极管中结；三极管中包含了两个包含了两个PN结结。15.2.1 PN结的形成结的形成l有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为动，称为漂移运动漂移运动（Drift Movement）。）。l由于浓度差而引起的定向运动称为由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动扩散运动（Diffusion Movement）。）。自由电子自由电子PN空穴空穴PN结结是由扩散运动形成的是由扩散运动形成的自由电子自由电子PN 空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场
10、方向空穴空穴扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PN结导通结导通PN结截止结截止多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间电荷区变薄。电荷区变薄
11、。电荷区变薄。电荷区变薄。 扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区变宽。电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移扩散和漂移这一对相反的这一对相反的这一对相反的这一对相反的运动最终达到运动最终达到运动最终达到运动最终达到动态平衡，空动态平衡，空动态平衡，空动态平衡，空间电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。度固定不变。度固定不变。+形成空间电荷区形成空间电荷区1. 外加正向电压使外加正向电压使PN结导通结导通（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基
12、结的电流基本是多子的扩散电流本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄变窄PN内电场内电场 方向方向外电场方向外电场方向RI15.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 P接正、接正、N接负接负 内电场被内电场被内电场被内电场被削弱，多削弱，多削弱，多削弱，多子的扩散子的扩散子的扩散子的扩散加强，形加强，形加强，形加强，形成较大的成较大的成较大的成较大的扩散电流。扩散电流。扩散电流。扩散电流。2.2.外加反向电压使外加反向电压使PNPN结截止结截止（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置） PN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移结的电流是少子的漂移电流电流
13、-反向电流反向电流特点特点: 受温度影响大受温度影响大, 温度越高少子的数目越多，反向温度越高少子的数目越多，反向温度越高少子的数目越多，反向温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加电流将随温度增加电流将随温度增加电流将随温度增加。原因原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+ - 变变 宽宽PN内电场内电场 方向方向外电场方向外电场方向RI=0 P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正接正接正 内电场被加强，内电场被加强，少子的漂移加少子的漂移加强，由于少子强，由于少子数量很少，形数量很少，形成很小的反向成很小的反向电流。电流。结结 论论 PNPN
14、结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。很高，反向电流很小。返回15.3 半导体二极管半导体二极管15.3.1 基本结构基本结构15.3.2 伏安特性伏安特性15.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数15.3.4 应用举例应用举例15.3.1 基本结构基本结构PN结结阴极引线阴极引线铝合金小球铝合金小球金锑合金金锑合金底座底座N N型硅型硅阳极引线阳极引线面接触型面接触型引
15、线引线外壳外壳触丝触丝N N型锗片型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片半导体二极管图片15.3.2 伏安特性伏安特性正向正向O 0.4 0.8 U/U/V VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压 半导体二半导体二极管的伏安极管的伏安特性是非线特性是非线性的。性的。正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗伏左右，锗管：管： 0.1伏左右。伏左右。
16、正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.60.7伏左右，伏左右，锗管：锗管： 0.2 0.3伏。伏。1.1.正向特性正向特性反向电流：反向电流：很小。很小。 硅管硅管 0.1微安微安 锗管锗管 几十个微安几十个微安反向击穿电压反向击穿电压U（BR）:几十伏以上。几十伏以上。2.2.反向特性反向特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压15.3.3 主要参数主要参数1.1.最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。均电流。2.
17、反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3.3.反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 主要利用二极管的单向导电性。可用于主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。15.3.4 应用举例应用举例返回例例15.3.1 R和和C构成一微分电路。画出输出电压构成一微分电路。画出输出电压 的波形。的波形。 设设+-u1uRu0CRRLDu1
18、UtuRu0tt例例15.3.2: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接接负电源负电源-12V。-12VAB+3V0VDBDAY解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通导通后，后， DB上加的是反向上加的是反向电压，因而截止。电压，因而截止。VY=+2.7VDA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。15.4 15.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电
19、压的作用。稳定电压的作用。 稳压二极管亦称齐纳二极管稳压二极管亦称齐纳二极管(Zener Diodes)，与一般二极管不同之处是它正常，与一般二极管不同之处是它正常工作在工作在PN结的反向击穿区。因其具有稳定结的反向击穿区。因其具有稳定电压作用，故称为稳压管（电压作用，故称为稳压管（Voltage Regulators）。）。 1.1.稳压管表示符号：稳压管表示符号： 正向正向+-反向反向+-IZUZ2.2.稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3.3.稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反稳压管工作于反向击穿区向击穿区。稳压管。稳压管击穿时，电流虽然击穿时，电流虽然在很大范围内变化，
20、在很大范围内变化，但稳压管两端的电但稳压管两端的电压变化很小。利用压变化很小。利用这一特性，稳压管这一特性，稳压管在电路中能起稳压在电路中能起稳压作用。作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿反向击穿 是可逆的。是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 4 4 主要参数主要参数（2 2）电压温度系数）电压温度系数 （1 1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在稳压管在反向击穿后稳定工作电压值。反向击穿后稳定工作电压值。说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数（3 3）动态电阻）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稳压管端电压的
21、变化量与相应的电流变化量的比值管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 PZMl是稳压管工作时的参考电流数值。是稳压管工作时的参考电流数值。l工作电流若小于稳定电流工作电流若小于稳定电流I IZ Z，稳压性能较差；稳压性能较差；l工作电流若大于稳定电流，稳压性能较好，工作电流若大于稳定电流，稳压性能较好，但是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。但是要注意管子的功率损耗不要超出允许值。 （4 4）稳定电流）稳定电流 IZ最大稳定电流最大稳定电流IZM:稳压管正常工作时允许通过的最稳压管正常工作时允许通过的
22、最大反向电流。大反向电流。+_UU0UZR例题例题稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ大于时大于时,稳压管击穿稳压管击穿此时此时选选R，使，使IZIZM返回15.5.1 15.5.1 基本结构基本结构15.5.2 15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理15.5.3 15.5.3 特性曲线特性曲线15.5.4 15.5.4 主要参数主要参数15.5 半导体三极管半导体三极管15.5.1 基本结构基本结构 结构结构平面型平面型 合金型合金型 NPN（3D系列系列） PNP（3A系列）系列）半导体三极管图片15.5.1 基本结构基本结构发射结发射结集电结集电结BNNP发射区发射区基
23、区基区 集电区集电区ECNNPBECCEB发射结发射结集电结集电结BPPN发射区发射区基区基区 集电区集电区ECPPNBECCEB15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG6共发射极接法共发射极接法基极电路基极电路( (输入回路输入回路) )集电极电路集电极电路( (输出回路输出回路) )发射极是输入回路、输出回路的公共端发射极是输入回路、输出回路的公共端 晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA
24、 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05由此实验及测量结果可得出如下结论：由此实验及测量结果可得出如下结论：（1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。（2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。（3）当）当IB=0（将基极开路）时，（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO0, UBC0, UBC = UBE - UCE, UBE1 UCE增加，特性曲线右移。增加，特性曲线右移。 UCE1V以后以后，特性曲线几乎重合。，特性曲线几乎重合。 与二极管的伏安特性相似与二极管的伏安特性相似输入特性有以下几个特点：输入特性有以下几个特点： 2. 输出
25、特性曲线输出特性曲线晶体管的输晶体管的输出特性曲线出特性曲线是一组曲线。是一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020AIB=002晶体管的输出特性曲线分为三个工作区晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区）放大区（2）截止区）截止区（3）饱和区）饱和区（1）放大区（线性区）放大区（线性区）具有恒流特性具有恒流特性132436912IC/mA10080604020AIB=00放大区放大区UCE/V 输出特性曲线的近似水平部分。输出特性曲线的近似水平部分。 发射结处发射结处于正向偏于正向偏置；集电置；集电结处于反结处于反向偏置向偏置（2）截止区）截止区IB=0曲线
26、以下的区域为截止区曲线以下的区域为截止区IB=0 时时，IC=ICEO0.001mA 对对NPN型硅管而言，当型硅管而言，当UBE0.5V时，即已开始截止，时，即已开始截止，为了截止可靠，常使为了截止可靠，常使UBE小于等于零小于等于零。132436912IC/mA10080604020AIB=00截止区截止区UCE/V在截止区发射结在截止区发射结处于反向偏置，处于反向偏置，集电结处于反向集电结处于反向偏置，晶体管工偏置，晶体管工作于截止状态。作于截止状态。（3）饱和区）饱和区 当当UCEUBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态。饱和状态。 在
27、饱和区，在饱和区，IB的变化对的变化对IC的影响较小，两者不成比例的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020AIB=002饱和区饱和区UCE/V在饱和区，在饱和区，发射结处于发射结处于正向偏置，正向偏置，集电结也处集电结也处于正于正偏。偏。 15.5.4 主要参数主要参数1.电流放大系数电流放大系数：静态电流（直流）放大系数：静态电流（直流）放大系数：动态电流（交流）放大系数：动态电流（交流）放大系数注意：注意：两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。较小的情况下，两者
28、数值较为接近。在估算时，常用在估算时，常用近似关系近似关系（1）（2） 对于同一型号的晶体管，对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的值有差别，常用晶体管的值在值在20-100之间。之间。2. 集集基极反向截止电流基极反向截止电流ICBOICBO=IC|IE=0 ICBO受温度的影响大。受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安安，小功率硅管在一微安以下。以下。ICBO越小越好。越小越好。EC A+_T+_ICB03. 集集射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO=IC|IB=0穿透电流穿透电流IC
29、EO与与ICBO的关系：的关系：ICBO愈大，愈大， 愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子时，要求时，要求ICBO尽可能小些，而尽可能小些，而以不超过以不超过100为宜为宜。ICBO受温度影响很大，当温度上升时，增加很快，受温度影响很大，当温度上升时，增加很快， ICE和和IC和相应增加，所以晶体管的温度稳定性很差。和相应增加，所以晶体管的温度稳定性很差。4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM集电极电流集电极电流IC超过一定值时，晶体管的超过一定值时，晶体管的值要下降。当值要下降。当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。值下降到正常值的三分之
30、二时的集电极电流。 在使用晶体管时，在使用晶体管时，IC超过超过ICM并不一定会使晶体管损坏，并不一定会使晶体管损坏，但以降低但以降低 为代价。为代价。5. 集集射极反向击穿电压射极反向击穿电压U（BR）CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。6. 集电极最大允许耗散功集电极最大允许耗散功PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。PCM=ICUCEIC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作区安全工作区结 束第第 15 15 章章返回结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！67
