第9章半导体二极管和三极管

1、东华理工大学东华理工大学 机械与电子工程学院基础教学部机械与电子工程学院基础教学部 海南风光 下篇下篇 电子技术 模拟电子技术模拟电子技术 数字电子技术数字电子技术 下篇下篇 从从20世纪初开始，人们相继发现了真空和半导体世纪初开始，人们相继发现了真空和半导体 电子器件，以电子器件，以检波检波、放大放大及及开关开关等功能为核心的等功能为核心的 电子技术电子技术得到迅速发展。得到迅速发展。 从从1948美国贝尔实验室发明半导体晶体管以来，半导体美国贝尔实验室发明半导体晶体管以来，半导体 电子器件逐步取代电子管而成为应用电子技术的主角，电子器件逐步取代电子管而成为应用电子技术的主角， 经历了分立器

2、件、集成电路、大规模和超大规模的集成经历了分立器件、集成电路、大规模和超大规模的集成 电路。其应用领域遍及广播、通讯、测量、控制电路。其应用领域遍及广播、通讯、测量、控制； 今天，计算机已经以高技术的载体进入到各个领域，为今天，计算机已经以高技术的载体进入到各个领域，为 人类文明的发展树立了一座宏伟的里程碑。人类文明的发展树立了一座宏伟的里程碑。 划时代的发明划时代的发明半导体电子学半导体电子学50年年 http:/ 今天今天,听广播、看电视已成为人们日听广播、看电视已成为人们日 常生活中最普通的事。个人计算机正常生活中最普通的事。个人计算机正 在进入寻常百姓家。人们在享用现代在进入寻常百姓家

3、。人们在享用现代 科技成果时，未必都能想到，就在身科技成果时，未必都能想到，就在身 边的收音机、电视机、计算机里，曾边的收音机、电视机、计算机里，曾 经发生过几次翻天覆地的大革命。经发生过几次翻天覆地的大革命。 第一次大革命发生在第一次大革命发生在1906年。那一年，美国年。那一年，美国 人德福雷斯特发明了真空三极管。由这种真空三人德福雷斯特发明了真空三极管。由这种真空三 极管和其他一些元件（电阻、电容、电感等）组极管和其他一些元件（电阻、电容、电感等）组 成放大电路，可以把收音机接收的信号放大十倍、成放大电路，可以把收音机接收的信号放大十倍、 百倍乃至千倍。这样，收音机就能收到更远的电百倍乃

4、至千倍。这样，收音机就能收到更远的电 台，而且音量更大、音质更好。真空是靠在真空台，而且音量更大、音质更好。真空是靠在真空 中运动的电子来实现放大的，所以人们也把它称中运动的电子来实现放大的，所以人们也把它称 为电子管。为电子管。 真空管体积大、耗电多，发热量也大，寿命又真空管体积大、耗电多，发热量也大，寿命又 不够长，缺点不少。到了不够长，缺点不少。到了20世纪世纪40年代，人们把年代，人们把 收音机和其他电子设备做得小巧些，寿命更长、收音机和其他电子设备做得小巧些，寿命更长、 可靠性更高些，用真空管很难办到。于是，电子可靠性更高些，用真空管很难办到。于是，电子 学领域里的第二次革命爆发了。

5、学领域里的第二次革命爆发了。 晶体管革命晶体管革命 在在20世纪世纪30年代，美国的贝尔实验室里有年代，美国的贝尔实验室里有3位值位值 得注意的人物：得注意的人物： 研究部主任默文研究部主任默文凯利、研究人员布拉顿和肖凯利、研究人员布拉顿和肖 克利。克利。 凯利是一位富有创见的科技管理者，凯利是一位富有创见的科技管理者， 早在早在 30年代中期，他已经意识到用于电话交换机的机年代中期，他已经意识到用于电话交换机的机 电继电器动作速度太慢，如不淘汰势必影响电话电继电器动作速度太慢，如不淘汰势必影响电话 技术的进步。技术的进步。1936年，凯利明确地向肖克利表示，年，凯利明确地向肖克利表示， 为了

6、适应通信业务的增长，电话的机械交换必将为了适应通信业务的增长，电话的机械交换必将 被电子交换取代。真空管又存在许多致命的弱点，被电子交换取代。真空管又存在许多致命的弱点， 寻求建立在新材料、新原理基础上的新型电子器寻求建立在新材料、新原理基础上的新型电子器 件便成了当务之急。件便成了当务之急。 1956年年12月月10日，肖克利、巴丁、布拉顿经过日，肖克利、巴丁、布拉顿经过20年年 的努力终于攻克了这一难题，研制出晶体管。为此的努力终于攻克了这一难题，研制出晶体管。为此 他们从瑞典国王手中接过了诺贝尔物理奖的证书。他们从瑞典国王手中接过了诺贝尔物理奖的证书。 他们为人类奉献的，不仅是一项伟大的

7、技术发明，他们为人类奉献的，不仅是一项伟大的技术发明， 而且是半导体物理学的划时代的新发现。而且是半导体物理学的划时代的新发现。 晶体管的发明是电子学领域的一场革命。晶体管的发明是电子学领域的一场革命。 与电子管相比，晶体管体积仅为与电子管相比，晶体管体积仅为1/100， 耗电量也仅为耗电量也仅为1/100，而寿命却要长，而寿命却要长100倍倍。 晶体管以咄咄逼晶体管以咄咄逼“人人”之势占领了原被电子管占领之势占领了原被电子管占领 的舞台，到的舞台，到50年代末，采用晶体管的收音机、电视年代末，采用晶体管的收音机、电视 机已比比皆是了。机已比比皆是了。 到到50年代末，人们越来越强烈地感到，一

8、个个互年代末，人们越来越强烈地感到，一个个互 相独立的元件、器件的小型化之路，将走到尽头。相独立的元件、器件的小型化之路，将走到尽头。 这是因为：这是因为： 一个复杂的电路，里面有大量的元器件，这些一个复杂的电路，里面有大量的元器件，这些“零零 件件”之间要用导线连接起来。大量的导线也限制了之间要用导线连接起来。大量的导线也限制了 电路体积的缩小。电路体积的缩小。 在科学技术发展的关键时刻，在科学技术发展的关键时刻， 往往需要富有想象力的科学家创造全新的观念。往往需要富有想象力的科学家创造全新的观念。 1958年，就出现了两位这样的人物：年，就出现了两位这样的人物： 基尔比和诺伊斯。基尔比和诺

9、伊斯。 1958年年9月月12日，基尔比的第一个集成电路实验日，基尔比的第一个集成电路实验 获得成功。在这一年里，获得成功。在这一年里， 美国仙童公司的美国仙童公司的RN诺伊斯也诺伊斯也 研制出第一块集成电路片。研制出第一块集成电路片。 到今天，集成电路已走过到今天，集成电路已走过40多年的历程。多年的历程。 在这在这40多年中，集成电路发生了巨大的变化。多年中，集成电路发生了巨大的变化。 先说说在一个芯片上能集成多少个器件。先说说在一个芯片上能集成多少个器件。 1958年，集成电路诞生时，那个芯片上只有年，集成电路诞生时，那个芯片上只有5个元个元 器件；器件；1971年发明的微处理器，年发明

10、的微处理器， 上面集成了上面集成了2，300个个器件；器件； 1989年英特尔公司年英特尔公司80486芯片，芯片， 集成了集成了120万个万个晶体管；晶体管； 今天，一个高性能的微处理器上可集成今天，一个高性能的微处理器上可集成2.5亿个亿个以上以上 的器件。的器件。 再看集成电路里半导体器件的尺寸：再看集成电路里半导体器件的尺寸： 1959年大约是年大约是100微米，微米， 到到1961年下降到年下降到25微米。微米。 1984年研制的年研制的1兆位半导体存储器，线宽大约兆位半导体存储器，线宽大约1微米；微米； 1990年的年的64兆位半导体存储器，线宽降至兆位半导体存储器，线宽降至0.3

11、微米。微米。 到到2004年，线宽就仅有年，线宽就仅有0.1微米了。微米了。 0.1微米约为一般原子尺度的微米约为一般原子尺度的100倍，倍， 集成电路与分子电路已经很接近。集成电路与分子电路已经很接近。 此外，芯片的进步还表现在运算速度上。此外，芯片的进步还表现在运算速度上。 时钟频率决定着芯片完成一次运算的速度。时钟频率决定着芯片完成一次运算的速度。 目前，高性能微处理器运算速度高达每秒近目前，高性能微处理器运算速度高达每秒近10亿次亿次 第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 9-1. 半导体的导电特性半导体的导电特性 9-2. 半导体二极管半导体二极管 9-3. 稳压

12、管稳压管 9-4. 半导体三极管半导体三极管 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 导体：导体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金属，金属 一般都是导体。一般都是导体。 绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。 9-1. 半导体的导电特性半导体的导电特性

13、 半导体半导体-导电能力介于导体和半导体之间的材料。导电能力介于导体和半导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物 和硫化物等。和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。半导体材料多以晶体的形式存在。 半导体材料的特性：半导体材料的特性： 1. 纯净半导体的导电能力很差；纯净半导体的导电能力很差； 2. 温度升高温度升高导电能力增强；导电能力增强； 3. 光照增强光照增强导电能力增强；导电能力增强； 4. 掺入少量杂质掺入少量杂质导电能力增强。导电能力增强。 完全纯净、具有晶体结构的半导体完全纯净、具有晶体结构的半导体 一、本

14、征半导体 最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 特征是四价元素四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。 + + Si Ge 共价健共价健 Si Si Si Si 价电子价电子 相邻原子由外层电子形成共价键共价键 Si Si Si Si 价电子价电子 这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。 空穴空穴 自由电子自由电子 Si Si Si Si p+ 多多 余余 电电 子子 磷原子磷原子 在常温下即可在常温下即可 变为自由电子变为自由电子 失去一个失去一个 电子变为电子变为 正离子正离子 二. N型半导体和P型半导体 Si Si Si Si B 硼原子硼原子 空穴空穴 三、PN结

15、的形成 PN P区区N区区 多数载流子将扩散扩散 形成耗尽层；耗尽层； 耗尽了载流子的交 界处留下不可移动 的离子形成空间电空间电 荷区；荷区；（内电场） 一块晶片的两边分 别为P型半导体和 N型半导体。 内电场内电场阻碍了多子 的继续扩散。 P区区N区区 载流子的运动有两种形式： 扩散扩散 由于载流子浓度梯度浓度梯度引起的载流子从高浓度区 向低浓度区的运动。 漂移漂移 载流子受电场作用电场作用沿电场力方向的运动。 耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动态 平衡，这样的耗尽层就是PN结结。 PN结内电场内电场的的方向方向 由N区指向P区。 多子的扩散运动多子的扩散运动 内电场内电场 少子

16、的漂移运动少子的漂移运动 浓度差浓度差 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 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 一、PN结的形成 PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场 IF 内电场内电场 PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内电场被加内电场被加 强，少子的漂强，少子的漂 移加强，由于移加强，由于 少子数量很少，少子数量很少， 形成很小的反形成很小的反 向电流。向电流。I

17、R + 9-2. 半导体二极管半导体二极管 一一、 二极管的结构和分类 二极管的电路符号：二极管的电路符号： PN 阴极引线阴极引线 阳极引线阳极引线 二氧化硅保护层二氧化硅保护层 P型硅型硅 N型硅型硅 平面型平面型 金属触丝金属触丝 阳极引线阳极引线 N型锗片型锗片 阴极引线阴极引线 外壳外壳 点接触型点接触型 铝合金小球铝合金小球 N型硅型硅 阳极引线阳极引线 PN结结 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线 面接触型面接触型 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极 符号符号 D 二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性 反向击穿反向击穿 电压电压U(B

18、R) 反向特性反向特性 U I P N + P N + 三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态 导通导通 截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的， 例例1： D 6V 12V 3k B A UAB + 例例2: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + V sin18 i tu t 9-3. 稳压管稳压管 稳压管是一种特殊的面接触型二极稳压管是一种特殊的面接触型二极 管。它在电路中常用作稳定电压的管。它在电路中常用作稳定电压的 作用，故称为稳压管。作用，故称为稳压管。 一、稳压管的图形符

19、号：一、稳压管的图形符号： 二、稳压管的伏安特性：二、稳压管的伏安特性： U(V) 0.4 0 0.8 -8-4 I (mA) 20 40 10 -20 -10 30 -12 反向 正向 稳压管的伏安特性曲线与 普通二极管类似，只是反 向曲线更陡一些。 UZ IZ IZM UZ IZ _ + U I O Z Z ZI U r 9-4 半导体三极管半导体三极管 半导体三极管半导体三极管(晶体管晶体管)是最重要的一种半导体器件。是最重要的一种半导体器件。 广泛应用于各种电子电路中。广泛应用于各种电子电路中。 一一. 基本结构基本结构 晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。 平面型都是硅管、合金型

20、主要是锗管。它们都 具有NPN或PNP的三层两结三层两结的结构，因而又有 NPN和PNP两类晶体管。 本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。 N型硅型硅 P型型N型型 二氧化硅保护膜 C BE N型锗 铟球 铟球 P型 P型 C E B 平面型结构合金型结构 N N P 发射结发射结 集电结集电结 发射区发射区 集电区集电区 基区基区 E B C N P P 发射区发射区 集电区集电区 基区基区 发射结发射结 集电结集电结 E B C B E C B E C NNP B E C B E C IB IE IC B E C IB IE IC 三层两结三层两结的结构 E EB RB RC B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO IC IB B E C N N P