第9章、半导体二极管和三极管

1、(1-1)第九章半导体二极管和三极管(1-2)第第9 9章章 半导体二极管和三级管半导体二极管和三级管 9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 9.2 PN 结及半导体二极管结及半导体二极管 9.4 稳压管稳压管 9.5 半导体三极管半导体三极管 9.3 半导体二极管半导体二极管(1-3)9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 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，金属一般都是导体。属一般都是导体。 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。 另

2、有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。(1-4) 半导体的导电机理不同于其它物质，所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：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，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，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。会使它的导电能力明显改变。(1-5)9.1.1 本征半导体本征半导体现代电子学中

3、，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，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。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi(1-6)通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体提纯制成提纯制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的、具有晶体完全纯净的、结构完整的、具有晶体结构的半导体，称为结构的半导体，称为本征半导体本征半导体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成在硅和锗晶体中，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，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，每个原子而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原

4、子与其相临的原子之间形成与其相临的原子之间形成共价键共价键，共用一对价，共用一对价电子。电子。(1-7)硅和锗的晶体结构硅和锗的晶体结构(1-8)硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子(1-9)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为键中，称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难，常温下束缚电子很难脱离共价键成为脱离共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。能

5、力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(1-10)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）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（即中没有可以运动的带电粒子（即载流子载流子），），它的导电能力为它的导电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子在常

6、温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，同时共价键上留下一个空位，称为称为空穴空穴。(1-11)+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(1-12)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此正电荷的移动，因此可以认为空穴也

7、是载可以认为空穴也是载流子。流子。(1-13)本征半导体的导电机理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本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度越高，载流子的浓度越高。因此本温度越高，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，这是半导体体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。(1-14)9.1.2 N型半导体和型半导体和P型半导体型半导体在本征半导体中掺

8、入某些微量的杂质，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。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其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。大大增加。使使自由电子浓度自由电子浓度大大增加的杂质半导体大大增加的杂质半导体称为称为N型半导体型半导体（电子半导体），使（电子半导体），使空穴空穴浓浓度大大增加的杂质半导体称为度大大增加的杂质半导体称为P型半导体型半导体（空穴半导体）。（空穴半导体）。(1-15)N型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被（或锑）

9、，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，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，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，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为子给出一个电子，称为施主原子施主原子。(1-16)+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子(1-17)N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什

10、么？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、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。、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，、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。自由电所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载少数载流子流子（少子少子）。）。(1-18)P型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被

11、硼（或铟），晶体点阵中的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，使得穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为原子接受电子，所以称为受主原子受主原子。(1-19)+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子(1-20)总总 结结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的

12、电子，本征半导体中受激产生的电子只占少供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。数。 N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。2、P型半导体中空穴是多子，电子是少子型半导体中空穴是多子，电子是少子。(1-21)杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体代表得到一个电子的三价代表得到一个电子的三价杂质离子，带负电。杂质离子，带负电。代表失去一个电子的五价代表失

13、去一个电子的五价杂质离子，带正电。杂质离子，带正电。(1-22)在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型型半导体和半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN结。结。9.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性(1-23)PN结正向偏置结正向偏置PN结加上结加上正向电压正向电压，即，即P区加正电压、区加正电压、N区区加负电压加负电压正向偏置正向偏置。+PN+_PN结结IPN结呈现低电阻，处于结呈现低电阻，处于导通状态导通状态。(1-24)PN结反向偏置结反向偏置PN结加上结加上反向电压反向电压

14、，即，即P区加负电压、区加负电压、N区区加正电压加正电压反向偏置反向偏置。PN结呈现高电阻，处于结呈现高电阻，处于截止状态截止状态。+PN_+PN结结I0(1-25) 9. 2 半导体二极管半导体二极管9.2.1、基本结构、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型(1-26)PN结结面接触型面接触型PN(1-27)9.2.2、伏安特性、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.6V,锗管锗管0.2V。导通压降导通压降: : 硅硅管管0.60.7V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电

15、压压U(BR)(1-28)9.2.3、主要参数、主要参数（1）最大整流电流）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二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。（2）反向工作峰值电压）反向工作峰值电压URWM它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。（3）反向峰值电流）反向峰值电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。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，因此反反向电流大，说明管子的单向导电

16、性差，因此反向电流越小越好。向电流越小越好。(1-29)例：二极管的应用：例：二极管的应用：图中，输入端图中，输入端A的电位为的电位为+3V，B的电位为的电位为0V。求：输出端求：输出端Y的电位的电位VY。 电阻电阻R接负电源接负电源-12V。解：解：因为因为A端电位比端电位比B端电位高，所以，端电位高，所以，DA优先导通。优先导通。若忽略二极管的正向导通压降，则若忽略二极管的正向导通压降，则VY = +3V当当DA导通后，导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。上加的是反向电压，因而截止。ABDAYDBR+3V0V-12V(1-30)9.3 稳压管稳压管+稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二

17、极稳压管是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，故称为起稳定电压的作用，故称为稳压管稳压管。(1-31)稳压管的伏安特性曲线：稳压管的伏安特性曲线：UI+正向正向+反向反向UZ稳压管工作于反向击穿区。稳压管工作于反向击穿区。稳压管的反向击穿是可逆的。稳压管的反向击穿是可逆的。(1-32)稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：UIUZ（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。(1-33)稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：UIUZ（2）稳定电流）稳定电流 I

18、Z稳压管在正常工作下通过的电流。稳压管在正常工作下通过的电流。对每种稳压管都规定一个最大稳定电流对每种稳压管都规定一个最大稳定电流IZM。IZIZM(1-34)稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：UIUZ（3）动态电阻）动态电阻 rZ动态电阻是指稳压管端电压的变化量与相应的动态电阻是指稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。电流变化量的比值。rZ = UZ / IZIZIZM UZ IZ稳压管的反向伏稳压管的反向伏安特性曲线越陡，安特性曲线越陡，则动态电阻越小，则动态电阻越小，稳压性能越好。稳压性能越好。(1-35)稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：UIUZ（4）最大允许耗散功率）最大

19、允许耗散功率 PZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗：管子不致发生热击穿的最大功率损耗： PZM = UZIZMIZIZM UZ IZ(1-36)稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：UIUZ（5）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。IZIZM UZ IZ(1-37)9.4 半导体三极管半导体三极管9.4.1 基本结构基本结构BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极NPN型型BCE图形符号图形符号T(1-38)9.4 半导体三极管半导体三极管9.4.1 基本结构基本结构PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型BCE图

20、形符号图形符号T(1-39)基区：较薄，基区：较薄，掺杂浓度低掺杂浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极(1-40)BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结(1-41)9.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理1实验结论：实验结论：1、发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。、发射极电流等于基极电流和集电极电流之和。即：即：IE=IB+IC 基尔霍夫定律基尔霍夫定律 实验线路实验线路RBECEBBCETVVUCEUBEmA AIBICmAIE基极电路基极电路集电极电路集电极电路

21、(1-42)9.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理实验结论：实验结论： 实验线路实验线路mA AVVUCEUBERBIBECEBICBmACETIE2、大系数静态电流（直流）放大系数动态电流（交流）放BCIIBCII晶体管的电流晶体管的电流放大作用放大作用代替常用(1-43)9.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理实验结论：实验结论： 实验线路实验线路mA AVVUCEUBERBIBECEBICBmACETIE3、晶体管起放大作用的条件：、晶体管起放大作用的条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置发射结正向偏置，集电结反向偏置。(1-44)（1）输入特性：输入特性：当集当集射极电

22、压射极电压UCE为常数时，输入电路中为常数时，输入电路中基极电流基极电流IB与基与基射极电压射极电压UBE之间的关系曲线。之间的关系曲线。IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗管锗管UBE 0.20.3V。 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。9.4.3 特性曲线特性曲线ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_(1-45)9.4.3 特性曲线特性曲线ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_（2）输出特性：输出特性：当基极电流当基极电流IB为为常数时，集电极电流常数时，集

23、电极电流IC与与集集射极电压射极电压UCE之间的关系之间的关系曲线。曲线。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A放大区（线性放大区（线性区）：区）：IC= IB特点特点：发射结正偏，集电结反偏。发射结正偏，集电结反偏。(1-46)9.4.3 特性曲线特性曲线ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_（2）输出特性：输出特性：当基极电流当基极电流IB为为常数时，集电极电流常数时，集电极电流IC与与集集射极电压射极电压UCE之间的关系之间的关系曲线。曲线。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A8

24、0 A100 A饱和区：饱和区：IC IB特点特点：发射结正偏，集电结正偏。发射结正偏，集电结正偏。CCCCCERUIU ，0(1-47)9.4.3 特性曲线特性曲线ICUCEUBERBIBEC=UCCEBRC+_+_（2）输出特性：输出特性：当基极电流当基极电流IB为为常数时，集电极电流常数时，集电极电流IC与与集集射极电压射极电压UCE之间的关系之间的关系曲线。曲线。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A特点特点：发射结反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。0CCCCEIUU，截止区截止区 : IB=0, UBE0UBC 0放大状

25、态放大状态BECIB=0IEIC 0+_+_UCE UCC+_UBE0UBC 0截止状态截止状态BECIBIE+_+_UCE0+_UBE0UBC 0CCCCRUI 饱和状态饱和状态(1-50)9.4.4主要参数主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BC_II 1.电流放大倍数电流放大倍数 和和 (1-51)工作于动态的三极管，真正的信号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。基极电流是叠加在直流上的交流信号