半导体与三极管课件

第15章

半导体二极管和三极管返回15.1

半导体的导电特性15.2PN结15.3半导体二极管15.4稳压管15.5半导体三极管目录15.1半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。（如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物）物质根据其导电性能分为:

绝缘体：导电能力很差的物质。导体：导电能力良好的物质。原子的组成：带正电的原子核；若干个围绕原子核运动的带负电的电子；且整个原子呈电中性。15.1.1本征半导体

本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体，半导体。半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子

应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.硅的原子结构

纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体——晶体管名称的由来

本征半导体晶体结构中的共价健结构SiSiSiSi共价键价电子共价健：由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。SiSiSiSi自由电子空穴热激发与复合现象

由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-----热激发（或称为本征激发）自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象

温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。半导体导电方式在半导体中，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。载流子自由电子和空穴因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。SiSiSiSi价电子空穴半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，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？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。注意：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。本征半导体的电导率很小，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器件。掺入的微量元素——“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。15.1.2N型半导体和P型半导体N型半导体在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。

自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。电子型半导体或N型半导体SiSiP+Si多余电子

不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。返回综上所述：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。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。(3)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

15.2PN结PN结：是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。

二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的自由电子PN

空间电荷区内电场方向空穴扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止1.外加正向电压使PN结导通（正向偏置）PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流–+变窄PN内电场方向外电场方向RI15.2.2PN结的单向导电性

P接正、N接负内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。2.外加反向电压使PN结截止（反向偏置）

PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流----反向电流特点:受温度影响大,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的+-

变宽PN内电场方向外电场方向RI=0P接负、N接正内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。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。返回半导体二极管图片半导体二极管图片15.3.2伏安特性正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压

半导体二极管的伏安特性是非线性的。正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压

死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。

正向压降：硅管：0.6~0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。1.正向特性反向电流：很小。硅管0.1微安锗管几十个微安反向击穿电压U（BR）:几十伏以上。2.反向特性正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压15.3.3主要参数1.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均电流。2.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。3.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。

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。15.3.4应用举例返回例15.3.1R和C构成一微分电路。画出输出电压的波形。设++++----u1uRu0CRRLDu1UtuRu0tt例15.3.2: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。-12VAB+3V0VDBDAY解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。VY=+2.7VDA起钳位作用，DB起隔离作用。15.4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。

稳压二极管亦称齐纳二极管(ZenerDiodes)，与一般二极管不同之处是它正常工作在PN结的反向击穿区。因其具有稳定电压作用，故称为稳压管（VoltageRegulators）。

1.稳压管表示符号：

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

4主要参数（2）电压温度系数

（1）稳定电压UZ稳压管在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（3）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管子不致发生热击穿的最大功率损耗。

PZM=UZIZM（5）最大允许耗散功率

PZM是稳压管工作时的参考电流数值。工作电流若小于稳定电流IZ，稳压性能较差；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。

（4）稳定电流IZ最大稳定电流IZM:稳压管正常工作时允许通过的最大反向电流。+_UU0UZR例题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<IZM返回15.5.1基本结构15.5.2电流分配和放大原理15.5.3特性曲线15.5.4主要参数15.5半导体三极管15.5.1基本结构

结构平面型

合金型

NPN（3D系列）

PNP（3A系列）半导体三极管图片15.5.1基本结构发射结集电结BNNP发射区基区集电区ECNNPBECCEB发射结集电结BPPN发射区基区集电区ECPPNBECCEB15.5.2电流分配和放大原理µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共发射极接法基极电路(输入回路)集电极电路(输出回路)

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IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05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。（2）IE和IC比IB大的多。（3）当IB=0（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO<0.001mA用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。

外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。

UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP发射结正偏扩散强E区多子（自由电子）到B区B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的1.发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。2.电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IBE区电子到基区B后，有两种运动扩散IEC复合IEB同时基区中的电子被EB拉走形成IBIEB=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的RBEC++__EBEBC3.集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEC++__EBEBCRBEC++__EBEBCIBIEICBOIBEIECIC15.5.3特性曲线

用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。

以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。µAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE1.输入特性曲线：

死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。正常工作时，发射结的压降：NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V。00.40.8UBE/VIB/µA80604020UCE>1

UCE增加，特性曲线右移。

UCE≥1V以后，特性曲线几乎重合。

与二极管的伏安特性相似输入特性有以下几个特点：

2.输出特性曲线晶体管的输出特性曲线是一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002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）具有恒流特性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（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/V在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。（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/V在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

15.5.4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