第9章 半导体二极管和三极管

1第9章

半导体二极管和三极管2§9.1半导体的导电特性半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。

常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。半导体材料的特性：纯净半导体的导电能力很差；温度升高——导电能力增强；光照增强——导电能力增强；掺入少量杂质——导电能力增强。3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。GeSi一、本征半导体4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+4+4+4+4+4+45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完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。6硅和锗的晶体结构在绝对温度0度（T=0K）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（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。7

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。

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。

这一现象称为本征激发，也称热激发。本征半导体的导电机理8+4+4+4+4本征半导体的导电机理自由电子空穴束缚电子91011本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。12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。N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）二、杂质半导体Negative13+4+4+5+4N型半导体多余电子磷原子14N型半导体N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。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）。？15+4+4+3+4空穴P型半导体硼原子在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟）Positive16杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体空穴正离子负离子电子179.1.1PN结及其单向导电性

半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结。

各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。扩散运动:物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动,即由于浓度差产生的运动.漂移运动:在电场力作用下,载流子的运动.18P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区一、PN结形成19扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。20

最后,多数载流子的扩散和少数载流子的漂移达到动态平衡。对于P型半导体和N型半导体结合面，离子薄层形成的空间电荷区称为PN结。在空间电荷区，由于缺少多数载流子，所以也称耗尽层。又称阻挡层。

211.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、N区

中的电子（多数载流子）向对方运动（扩散运动）。3.P

区中的电子和N区中的空穴（少数载流子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:22二、PN结的单向导电性

如果外加电压使PN结中：

P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；

P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。PN结具有单向导电性:若外加电压使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。23－－－－++++内电场

外电场变薄PN+_内电场被削弱，在外电场作用下多数载流子的扩散加强，空间电荷区变薄，形成较大的扩散电流。

(1)PN结加正向电压空穴自由电子24图PN结加正向电压时的导电情况25－－－－++++内电场外电场变厚NP+_

内电场被加强，多数载流子的扩散受抑制。少数载流子漂移加强，空间电荷区变宽。但少数载流子数量有限，只能形成较小的反向电流。

(2)PN结加反向电压26图PN结加反向电压时的导电情况279.2

半导体二极管

在PN结上加上引线和管壳，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(a)点接触型

PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。工作电流较小。28(b)面接触型(c)平面型符号：D阳极阴极PN

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。29UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。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,电流很小一、伏安特性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。30UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。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电流,在且U<U(BR)内,其大小基本恒定,称反向饱和电流IS,其随温度变化很大。一、伏安特性31UI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压U(BR)

死区电压反向当U>U(BR)时,其反向电流突然增大,反向击穿。一、伏安特性击穿是不可逆转的！32二、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VBR（不可逆转）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VDRM一般是VBR的一半。333）反向电流IR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，一般在几uA以下；锗管的反向电流要大几十到几百倍。三、二极管的模型1、理想模型2、恒压降模型等效电路等效电路硅管:0.7V锗管:0.3V34PN结的单向导电性结论

PN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，结电阻很高，反向电流很小。35应用举例

主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。

例:图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。VY=+2.7V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，DB起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY36检波作用整流作用二极管的应用是主要利用它的单向导电性,包括整流、限幅、保护、检波、开关等。例tuituoRuiuoD单向脉动电压+-37例已知E=5V，ui=10sintV,试画出输出电压波形。限幅作用E38限幅作用E399.3稳压管

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稳定电压的作用。1稳压管表示符号：

+-U40正向+-反向+-IZUZ2稳压管的伏安特性：3稳压管稳压原理：

稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

414主要参数（2）电压温度系数（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数.一般高于6V的管子系数为正，而低于6V的管子系数为负，故6V的管子温度稳定性最好！42（3）动态电阻（4）稳定电流（5）最大允许耗散功率rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。

PZM=UZIZMrZ越小，其反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。43例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用当U<UZ时,电路不通；当U>UZ大于时,稳压管击穿此时选R，使IZ<IZM449.4半导体三极管9.4.1基本结构9.4.2电流分配和放大原理9.4.3特性曲线9.4.4主要参数结构平面型

合金型

NPN

PNP45§9.4三极管及其放大电路1.4.1

三极管BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型一、三极管结构和符号46BECNNP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：掺杂浓度较高内部条件：47BECNNP基极发射极集电极发射结集电结48BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管三极管的符号49ICmAAVVUCEUBERBIBECEB1、实验线路二、电流分配和放大作用5000.020.040.060.080.10<0.0010.71.52.33.103.95<0.0010.721.542.363.184.05ICIBIE2.实验数据(1)IE=IB+IC(2)IC(或IE)»IB

这就是晶体管的电流放大作用51(4)要使晶体管起放大作用,外部条件:(3)当IB=0时,IC=ICEO<0.001mA=1uA内部条件是什么。。。？发射结正偏,集电结反偏.52BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管VC>VB>VEVE>VB>VC53三极管电流放大原理（以NPN型为例）1、发射区的电子扩散到基区，少部分被复合掉，大部分由于浓度差继续向集电区扩散，同时基区的空穴也扩散到发射区；2、由于集电结反偏，电子被拉入集电区形成集电极电流；3、在基区继续扩散到集电区的电子数量是复合的电子数量的若干倍；4、发射区从电源负极补充电子（发射极电流），电源的正极将基区的价电子直接拉出（基极电流），补充基区的空穴；54ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

测量电路三、特性曲线三极管各极电流与电压的关系55（1）输入特性：IB=f（UBE）UCE=CUCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。56IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。（2）输出特性：IC=f(UCE)IB=C集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。57输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

58（a）放大CEBTIBIC+-UBC<

0+-UBE>

0+-UCECEBT（b）截止IB=0IC≈0+-UBC<

0+-UBE≤

0+-UCE≈UCC（c）饱和CEBIBIC≈+-UBC>

0+-UBE>

0+-UCE≈0晶体管的三种工作状态59晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区（2）截止区（3）饱和区（1）放大区（线性区）132436912IC/mA10080604020µAIB=00放大区UCE/V

输出特性曲线的近似水平部分。

发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置60（2）截止区IB=0曲线以下的区域为截止区IB=0时，IC=ICEO〈0.001mA

对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020µAIB=00截止区UCE/V61（3）饱和区

当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态

在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020µAIB=002饱和区UCE/V629.4.4主要参数1电流放大系数：静态电流（直流）放大系数：动态电流（交流）放大系数注意：两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用近似关系（1）（2）对于同一型号的晶体管，

值有差别，常用晶体管的值在20-100之间。63例：U