第14章半导体二极管和三极管14351课件

1、 电工学是研究电能在技术领域中应用的技术基础课程。分电工技术和电子技术两部分。电子技术主要是研究各种半导体器件的结构、性能、电路及应用技术；阐述电子技术的基本概念基本原理和基本分析方法。前言 本书包括模拟电子技术和数字电子技术两部分。前者主要讨论的是线性电路；后者着重讨论脉冲数字电路。 电工学是研究电能在技术领域中应用的技术基础课程。分第14章 半导体二极管和三极管14.1 半导体的导电特性14.2 PN 结14.3 半导体二极管14.4 稳压管14.5 晶体管14.6 光电器件第14章 半导体二极管和三极管14.1 半导体的导电特性1414.1 半导体的导电特性 导体、半导体和绝缘体 自然界

2、中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性 导体、半导体和绝缘体 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。比如：当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。如光敏电阻,热敏电阻可增加几十万至几百万倍。例如在纯硅中参入百万分之一的硼后，硅的电阻率就从大约 2x103m 减小到 4x10-3m左右. 利用这种特性就做成了各种不同用途

3、的半导体器件，如二极管三极管 、场效应管及晶闸管 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于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（价电子）都是四个。GeSi1、本征半导体定义完全纯净的、具有晶体结构的半导体。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通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。2、结构：共价键在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，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。通过一定的提纯工艺过程，可以将半导体制成晶体。2、结构：共

4、价硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子硅和锗的共价键结构共价键共+4+4+4+4+4表示除去价电子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价自由电子：当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。空穴：自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正

5、电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为空穴。空穴运动相当于正电荷的运动 这一现象称为本征激发，也称热激发。3、自由电子和空穴自由电子：当导体处于热力学温度0K时，导体中没有自由电子。当+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子 可见因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。游离的部分自由电子也可能回到空穴中去，称为复合，如图所示。激发复合本征激发和复合的过程（动画1-1）+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子 可见因热第14章半导体二极管和三极管14351课件 当半导体两端加上外电压时,半导体中将出现两部分电流:一是自由电子作定向运动所形成的电子电流,一

6、是应被原子核束缚的价电子(注意,不是自由电子）递补空穴所形成的空穴电流。 在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。4、载流子：自由电子和空穴。 当半导体两端加上外电压时,半导体中将出现两部分电流: 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断地复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子（自由电子和空穴）边维持一定数目。温度越高，载流子数目越多，导电性能也就越好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不小结：两种载流子:自由电子和空穴

7、。温度对半导体器件性能的影响很大。本征半导体的导电能力很弱。小结：两种载流子:自由电子和空穴。14.1.2 N型半导体和P型半导体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。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为N型半导体（电子半导体），使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为P型半导体（空穴半导体）。14.1.2 N型半导体和P型半导体在本征半导体中掺入某些微1、N型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而

8、成为自由电子。磷原子就成了不能移动的带正电的离子。方法：在硅或锗晶体中掺入少量的 五价元素磷（或锑）1、N型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由杂质原子提供的电子，浓度与杂质原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴对。3、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。？自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。导电性能强。N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由杂质原子提供的电2、P型半导体晶体点阵中的

9、某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补。硼原子成为不能移动的带负电的离子。方法：在硅或锗晶体中掺入少量的三价 元素，如硼（或铟）。多子：空穴，少子：电子。导电性能强。2、P型半导体晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子杂质半导体的示意表示法P型半导体+N型半导体杂质半导体的示意表示法14.2 PN结及其单向导电性1. PN 结的形成14.2 PN结及其单向导电性1. PN 结的形成P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运

10、动空间电荷区PN结处载流子的运动P型半导体NP型半导体N型半导体+ PN结P型半导体N2 PN结的单向导电性 1)、加正向电压，简称正偏（ P区“+”， N区“-”）结论：PN结导通，呈低阻性，所以电流大。PN结具有的单向导电性。2 PN结的单向导电性 1)、加正向电压，简称正偏（ P区“ PN结加正向电压时的导电情况 外加的正向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，可忽略漂移电流的影响，形成较大的扩散电流，PN结呈现低阻性。 PN结加正向电压时的导电情况如图所示。 PN结加正向电压时的

11、导电情况 外加的正向电压有一部2)、加反向电压，简称反偏（ P区“-”， N区“+”）结论：PN结截止，呈高阻性，所以电流小。2)、加反向电压，简称反偏（ P区“-”， N区“+”）PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电压有一部分降落在PN结区，方向与PN结内电场方向相同，加强了内电场。内电场对多子扩散运动的阻碍增强，扩散电流大大减小。此时PN结区的少子在内电场的作用下形成的漂移电流大于扩散电流，可忽略扩散电流，形成较小的漂移电流，PN结呈现高阻性。 在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电

12、流。 PN结加反向电压时的导电情况如图所示。PN结加反向电压时的导电情况 外加的反向电 1、结构：PN结+引线+外壳14.3 半导体二极管15.3.1 基本结构 1、结构：PN结+引线+外壳14.3 半导体二极管基本结构二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它们的结构示意图如图01.11所示。(1) 点接触型二极管 PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(a)点接触型 图 01.11 二极管的结构示意图基本结构二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。它 图 01.11 二极管的结构示意图(c)平面型(3) 平面型二极管 往往用于集成电路制造工艺中。PN 结面积

13、可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2) 面接触型二极管 PN结面积大，用于工频大电流整流电路。(b)面接触型 图 01.11 二极管的结构示意图(c)平面型(3) 平2、符号 3、型号 见附录A，2AP、2CZ11D阳极 +阴极 -2、符号 3、型号 见附录A，2AP、2CZ11D14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压U(BR) 死区电压正向反向外电场不足以克服内电场,电流很小外电场不足以克服内电场,电流很小14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.15.3.2 伏安特性UI死区电压

14、硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压U(BR) 死区电压正向反向正向当外加电压大于死区电压内电场被大大减削弱,电流增加很快。15.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降: 硅管0.60.7V,锗管0.20.3V。反向击穿电压U(BR) 死区电压反向 由于少子的漂移运动形成很小的反向流,且U U(BR)时,其反向电流突然增大,反向击穿。14.3.2 伏安特性UI死区电压 硅管0.5V,锗管0.1注意：死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V，计算导通压降: 硅

15、管0.60.7V,锗管0.20.3V。 齐纳（、掺杂多）4V以下电击穿： 雪崩（宽、掺杂少）7V以上击 穿热击穿：二极管的单向导电性被破坏，过热而烧坏。可 逆不 可 逆注意：死区电压 硅管0.5V,锗管0.1V，计算导通压降:14.3.3 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URWM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UBR的一半。14.3.3 主要参数 1、最大整流电流 I 3、反向电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流

16、。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。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要利用它的单向导电性，包括整流、限幅、保护等。 3、反向电流 IRM指二极管加反向峰值工作电例：二极管的应用：RRLuiuRuotttuiuRuo+-应用(整流、检波)例：二极管的应用：RRLuiuRuotttuiuRuo+-1.4 稳压二极管一、作用 与电阻配合使用起稳压作用。二、符号 1.4 稳压二极管一、作用 稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其反向击穿是可逆的,且反向电压较稳定.稳压管三、

17、伏安特性曲线与工作区UIUZIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。-+ 稳压管是特殊的面接触型半导体硅二极管,其反向击1、正向（与普通二极管一样）2、反向 1）工作区 IZMinIIZMax 2）电击穿 3）曲线陡，IZ变化大而UZ变化小1、正向（与普通二极管一样）二稳压过程：RLIZ+uCCUOuRRLUOIZURUO二稳压过程：RLIZ+uCCUOuRRLU稳压二极管的参数（1）稳定电压 UZ(范围、温度、分散性)（2）电压温度系数U（%/）稳压值受温度变化影响的系数。（3）动态电阻（4）稳定电流IZ（5）最大允许功耗稳压二极管的参数（1）稳定电压 UZ(范围、温度、分散性)

18、（14.5 半导体三极管（晶体管）14.5.1 基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型1、类型 NPN 、PNP14.5 半导体三极管（晶体管）14.5.1 基本结构BEBECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高1）三个区特点：E区：掺杂浓度最高B区：掺杂浓度最低，较薄C区：掺杂浓度较大，C结面积较大BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面BECNNP基极发射极集电极发射结集电结2)三个极(E、B、C)3）两个结E结C结 面大BECNNP基极发射极集电极发射结集电结2)三个极(E、B、4）

19、符号4）符号ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 1、实验分析14.5.2 电流分配和放大原理ICmAAVVUCEUBERBIBECEB 1、实验分析1ICIBIE实验数据(1) IE = IB+IC四个结论：ICIBIE实验数据(1) IE = IB+IC四个结论：(2) IC (或IE )IB 这就是晶体管的电流放大作用ICIBIE(2) IC (或IE )IB 这就是晶体管的ICIBI(3)当IB=0时, IC =ICEO0.001mA=1uA(4)要是晶体管起放大作用,其外部必要条件:发射结正偏，集电结反偏.ICIBIE(3)当IB=0时, IC =ICEO0.001mA=1u(

20、1) IE = IB+IC(2) IC (或IE )IB 四个结论：(3)当IB=0时, IC =ICEOIB）特点：c)发射结正偏，集电结反偏。1）、放大区a)“恒流”特性IC(mA )1234UCE(IC(mA )1234UCE(V)36912判别： 0IBIC，UCE0.3V称为饱和区。 2)饱和区IB UCC / RCa) IBIC 特点：b) E结正偏， C结正偏。 判别：UCE0V。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为

21、截止区。 3)截止区a)IB=0，IC=0特点：d) E结反偏，C结反偏。 b) UBE 死区 电压c) UCE=UCCIC(mA )1234UCE(V)36912IB=020IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。判别：UBE 0、UCE UCC或IB=0IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020例14.5.1P22例14.5.114.5.4 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，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：_b1

22、.电流放大倍数 和 14.5.4 主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输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：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：=例：UCE=6V时：IB=40A, IC=1.5mA； 2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO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。2.集-基极反向截止电流ICBOAICBOICBO是集电结3.集-射极反向截止电流ICEOAICEO3.集-射极反向截止电流ICE