第6章--半导体二极管和晶体管分解.ppt

1、第6章 半导体二极管和晶体管,6.1 半导体的基础知识,根据物体导电能力(电阻率)的不同，来划分导体、 绝缘体和半导体。,导体：容易导电的物体。如：铁、铜等,绝缘体：几乎不导电的物体。如：橡胶等,半导体：是导电性能介于导体和绝缘体之 间的物体。在一定条件下可导电。,典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。,半导体的特点： 热敏性 光敏性 掺杂性,6.1.1 本征半导体,纯净且晶格完整的半导体称为本征半导体。,硅和锗都是4价元素，它们的外层电子都是4个。其 简化原子结构模型如下图：,本征半导体的共价键结构平面示意图,温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由

2、电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。这种现象叫做本征激发。 本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。 空穴的出现是半导体导电区别导体导电的一个主要特征。,本征激发和两种载流子自由电子和空穴,本征半导体中的自由载流子,在外电场的作用下，自由电子和空穴均能定向移动形成电流 电子电流：自由电子的定向移动 空穴电流： 思考：空穴真的在移动吗？ 空穴电流是价电子定向移动,(1) N型半导体 (2) P型半导体,6.1.2 杂质半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,1N型半导体,在半导体硅中掺入五价杂质元

3、素，例如磷，可形成 N型半导体,N型半导体的共价键结构,N型半导体中，自由电子为多数载流子（多子），空穴为少数载流子（少子）。N型半导体主要靠自由电子导电。,2P型半导体,在本征半导体硅中掺入三价杂质元素， 如硼、镓、铟等形成了P型半导体,P型半导体晶体的共价键结构,P型半导体中，空穴为多数载流子（多子），自由电子为少数载流子（少子）。P型半导体主要靠空穴导电。,特别提示：,杂质半导体的杂质原子必须是微量的，且有用，否则将改变半导体的晶体结构,杂质半导体中，多子的浓度取决于杂质浓度，而少子浓度很低，且随温度的升高而升高,在杂质半导体中，有多子和少子之分，但整块半导体对外呈电中性,6.1.3 P

4、N结的形成及特性,漂移运动,当有电场作用时，半导体中的少数载流子将 产生定向运动，称为漂移运动。载流子的漂移运 动形成的电流称为漂移电流,扩散运动,多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为 扩散运动。载流子扩散运动所形成的电流称为 扩散电流。,一、PN结的形成,P型和N型半导体交界处载流子的扩散,图6.1.7 PN结的形成,若将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，则它们 的交界面就形成了PN结。,空间电荷区出现后，因为正负电荷的作用，将产生一个从N区指向P区的内电场。 内电场的方向，会对多数载流子的扩散运动起阻碍作用。同时，内电场则可推动少数载流子的漂移运动。漂移运动和扩散运动的方向相反

5、。 无外加电场时，通过PN结的扩散电流等于漂移电流，PN结中无电流流过，PN结的宽度保持一定而处于稳定状态。,二、PN结的单向导电性,如果在PN结两端加上不同极性的电压，PN结会呈现出不同的导电性能。 PN结外加正向电压：PN结P端接高电位，N端接低电位，称PN结外加正向电压，又称PN结正向偏置，简称为正偏。（与内电场方向相反） PN结P端接低电位，N端接高电位，称PN结外加反向电压，又称PN结反向偏置，简称为反偏。（与内电场方向一致）,PN结外加正向电压,PN结外加反向电压,PN结的单向导电性是指PN结外加正向电压时处于导通状态，外加反向电压时处于截止状态。,6.2 半导体二极管,常见的二极

6、管有金属、塑料和玻璃三种封装形式。按照应用的不同，二极管分为整流、检波、开关、稳压、发光、光电、快恢复和变容二极管等。,6.2.1 二极管的结构与伏安特性,将PN结用外壳封装起来，并装上电极引线就构成了 半导体二极管。,常用二极管的符号、结构示意图,二极管的伏安特性,正向特性：二极管外加正向电压时，电流和电压的关系称为二极管的正向特性。,电压当量,反向饱和电流,根据理论分析，PN结两端的电压u与流过PN结的电流i之间的关系为,反向特性,二极管外加反向电压时，电流和电压的关系称为二极管的反向特性。 二极管外加反向电压时，反向电流很小，而且在相当宽的反向电压范围内，反向电流几乎不变，因此，称此电流

7、值为二极管的反向饱和电流。,思考：如何理解反向特性？,当反向电压的值增大到UBR时，反向电压值稍有增大，反向电流会急剧增大，称此现象为反向击穿，UBR为反向击穿电压。 利用二极管的反向特性，可以做成稳压二极管，但一般的二极管不允许工作在反向击穿区。,反向击穿特性,思考：一般的二极管发生反向击穿后是否还能正常工作？,二极管的伏安特性曲线,当二极管所加正向电压比较小时（0UUth），二极管上流经的电流为0，管子仍截止，此区域称为死区，Uth称为死区电压（门坎电压）。硅二极管的死区电压约为0.5V，锗二极管的死区电压约为0.1V。,二极管是对温度非常敏感的器件。实验表明，随温度升高，二极管的正向压降

8、会减小，正向伏安特性左移，即二极管的正向压降具有负的温度系数（约为-2mV/）；温度升高，反向饱和电流会增大，反向伏安特性下移，温度每升高10，反向电流大约增加一倍。,二极管的温度特性,温度对二极管伏安特性的影响,6.2.2 二极管的主要参数,(1) 最大整流电流IF：二极管长期连续工作时，允许通过二 极管的最大正向电流的平均值。,(2)最高反向工作电压 UR ：二极管击穿时的电压值,(3)反向电流 IR：管子没有击穿时的反向电流值。其值愈小， 说明二极管的单向导电性愈好。,(4)最高工作频率 fM,理想二极管模型,二极管的等效电路,恒压降模型,解,采用二极管的恒压降模型分析,晶体二极管电路的

9、应用,整流电路 二极管限幅电路,二极管电路的分析方法： 1 假设二极管截止，计算 ； 2 如果 ，则假设不成立，二极管导通； 如果 ，假设成立，二极管截止； 3 如果电路中有多个二极管，还需要计算电流，以证明二极管的真实工作状态。,整流电路,利用二极管的单向导电性将交流电转换为直流电的电路，称为整流电路。在整流电路中，由于电源电压远大于二极管的正向压降，因此用理想二极管模型来分析电路。,二极管限幅电路,在电子电路中，常用限幅电路对各种信号进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围内，有选择地传输信号波形的一部分,例题 P163 例6.2.1,6.3 特殊二极管,稳压二极管又名齐纳二极管，简称稳压

10、管，是一种用特殊工艺制作的面接触型硅半导体二极管，这种管子的杂质浓度比较大，容易发生击穿，其击穿时的电压基本上不随电流的变化而变化，从而达到稳压的目的。稳压管工作于反向击穿区。,稳压管稳压电路,稳压二极管, 稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保证管子工作在反向击穿区。当外加的反向电压值大于或等于UZ时，才能起到稳压作用；若外加的电压值小于UZ，稳压二极管相当于普通的二极管使用。 在稳压管稳压电路中，一定要配合限流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流在规定的范围之内。,发光二极管是一种光发射器件，英文缩写是LED。此类管子通常由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等元素的化合物制成，管子正向导通，当导

11、通电流足够大时，能把电能直接转换为光能，发出光来。,发光二极管工作时导通电压比普通二极管大，其工作电压随材料的不同而不同，一般为1.7V2.4V。发光二极管的工作电流一般在2mA25mA的范围。,发光二极管应用非常广泛，常用作各种电子设备如仪器仪表、计算机、电视机等的电源指示灯和信号指示等，还可以做成七段数码显示器等。发光二极管的另一个重要用途是将电信号转为光信号。,光电二极管又称为光敏二极管，它是一种光接受器件，其PN结工作在反偏状态，可以将光能转换为电能，实现光电转换。,光敏二极管的符号,6.4 晶体管,6.4.1晶体管的结构与电流放大原理 半导体三极管又称晶体三极管（下称三极管），一般简

12、称晶体管，或双极型晶体管。 它是通过一定的制作工艺，将两个PN结结合在一起的器件，两个PN结相互作用，使三极管成为一个具有控制电流作用的半导体器件。,几种常见晶体管的外形,晶体管的种类,按结构工艺分类，有NPN和PNP型； 按制造材料分类，有锗管和硅管； 按照工作频率分类，有低频管和高频管； 按照耗散功率大小分类，有小功率管和大功率管。,晶体管的结构,图中所示为NPN与PNP的代表符号，其中箭头表示发射结正向导通时的电流方向。NPN型与PNP型的差别在于电流方向相反。,为保证三极管具有电流放大作用，制造三极管时必须满足以下工艺要求：,(1)基区必须做得很薄(几至十几微米)，而且掺杂浓度最低(与

13、发射区和集电区相比)。,(2)发射区的掺杂浓度远大于基区的掺杂浓度。,(3)集电区比发射区体积大，且掺杂浓度低。,思考：既然集电区和发射区是同一种类型的半导体，那是否可以对换？,晶体管的电流放大原理,NPN型晶体管内载流子的运动和电流,要使三极管具有放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。,（1）发射区向基区发射自由电子，形成发射极电流IE。 （2）自由电子在基区与空穴复合，形成基极电流IB。 （3）集电区收集从发射区扩散过来的自由电子，形成集电极电流IC。,电流之间的关系：,思考：IE和IB的关系呢？,电流放大倍数,【例】 一个晶体管的发射极电流为12.1mA，集电极电流为12.

14、0mA，晶体管的 是多少？,解,求基极电流,6.4.2 晶体管的共射特性曲线,共发射极放大电路,一、输入特性曲线,它是指一定集电极和发射极电压UCE下，三极管的基极电流IB与发射结电压UBE之间的关系曲线。,二、输出特性曲线,指一定基极电流IB下，三极管的集电极电流IC与集电结电压UCE之间的关系曲线。实验测得三极管的输出特性曲线如图所示。,一般把三极管的输出特性分为3个工作区域，下面分别介绍。 截止区 三极管工作在截止状态时，具有以下几个特点： （a）发射结和集电结均反向偏置；（条件） （b）若不计穿透电流ICEO，有IB、IC近似为0；（特点） （c）三极管的集电极和发射极之间电阻很大，三

15、极管相当于一个开关断开。, 放大区,输出特性曲线近似平坦的区域称为放大区。三极管工作在放大状态时，具有以下特点： （a）三极管的发射结正向偏置，集电结反向偏置（条件）； （b）基极电流IB微小的变化会引起集电极电流IC较大的变化，有电流关系式：IC=IB；（特点） （c）对NPN型的三极管，有电位关系：UCUBUE； （d）对NPN型硅三极管，有发射结电压UBE0.7V；对NPN型锗三极管，有UBE0.2V。,三极管工作在饱和状态时具有如下特点： （a）三极管的发射结和集电结均正向偏置（条件）； （b）三极管的电流放大能力下降，通常有ICIB；（特点） （c）UCE的值很小，称此时的电压UCE为三极管的饱和压降，用UCES表示。一般硅三极管的UCES约为0.3V，锗三极管的UCES约为0.1V； （d）三极管的集电极和发射极近似短接，三极管类似于一个开关导通。, 饱和区,典型题型 P173 例6.4.1,当输入信号的幅度很小时，将晶体管视为线性元件。,6.4.3 晶体管的微