工科大学电工课程下册1dzchap15上集

1、第 15 章 半导体二极管和三极管电工学（下）电工学（下）电子技术电子技术本章本章 的主要内容的主要内容 15.2 PN 结结 15.3 半导体半导体二极管二极管 15.4 半导体三极管半导体三极管 15.4 稳压稳压管管 15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性一、一、 导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体导体：导体：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，金属一般都是导体。金属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：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，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英

2、。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为绝缘体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、，如锗、硅、硒和大多数金属硫化物和氧化物等。硒和大多数金属硫化物和氧化物等。半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有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。如：不同于其它物质的特点。如：v光热敏特性，当受外界光照或环境光热敏特性，当受外界光照或环境温度增高的时候，它的导电能力明显增强。温度增高的时候，它的导电能力明显增强。v掺杂特性，往纯净的半导体中掺入某些掺杂特性，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。杂质，会使

3、它的导电能力明显改变。半导体的导电机理特点半导体的导电机理特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它现代电子学中，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。们的最外层电子（价电子）都是四个。二、本征半导体的结构特点二、本征半导体的结构特点定义定义：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体在硅和锗晶体中，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，而四个点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它

4、原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临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的原子之间形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：本征半导体本征半导体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 形成共价键后，每个原子的最外层电子形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。是八个，构成稳定结构。 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键，

5、常温下束缚电子很难脱离共价键成为成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很，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能力很弱。少，所以本征半导体的导电能力很弱。 共价键有很强的结共价键有很强的结合力，使原子规则排列，合力，使原子规则排列，形成晶体。形成晶体。+4+4+4+4那么，本征半导体如何导电呢？那么，本征半导体如何导电呢？三、本征半导体的导电机理三、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，本征半导体中没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（即有可以运动的带电粒子（即载流

6、子载流子），它的导），它的导电能力为电能力为0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，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，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。+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本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 在其它力的作用在其它力的作用下，空穴吸引临近的下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁结果相当于空穴的迁移，而空穴的

7、迁移相移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是因此可以认为空穴是载流子。载流子。+4+4+4+4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 温度越高，载流子的浓度越高，本征半导温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强，因此，温度是影响半导体体的导电能力越强，因此，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移

8、动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。四、四、 杂质半导体杂质半导体本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，导电能力仍然很低。如果在本征但由于数量极少，导电能力仍然很低。如果在本征半导体中掺入某些微量的杂质，将会使半导体的导半导体中掺入某些微量的杂质，将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。载流子浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。也称为（空穴半

9、导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。体，也称为（电子半导体）。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杂（或锑），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，这样磷原子就成了不被激发而成

10、为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为电子，称为施主原子施主原子。+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？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。自所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为由电子称为多数载流子多数载流子（多子多子），空穴称），空穴称为为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。1 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

11、同。2 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。N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？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，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如硼（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时，产生一个空穴。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缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。

12、由于硼原子接受电子，的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子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。总总 结结1、N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。子只占少数。 N型半导体中空穴是少子，少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，子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与起导电作用的主要是多子。近似认为

13、多子与杂质浓度相等。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。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15.2 PN结结一、一、 PN 结的形成结的形成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。PN结是构成各种半导体器件的基础。结是构成各种半导体器件的基础。P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场E漂移运动PN结处载流子的运动

14、结处载流子的运动空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。扩散的结果是使空间扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。电荷区逐渐加宽。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。漂移运动P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动，没有电荷运动，

15、空间电荷区的空间电荷区的厚度固定不变。厚度固定不变。+空间空间电荷区电荷区N N型区型区P P型区型区电位电位V VV V0 01、空间电荷区中没有载流子。、空间电荷区中没有载流子。2、空间电荷区中内电场阻碍、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、中的空穴、N中的中的电子（电子（都是多子都是多子）向对方运动（）向对方运动（扩散运动扩散运动）。）。3、P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子），数量），数量有限，因此由它们形成的电流很小。有限，因此由它们形成的电流很小。请注意请注意二、二、 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思

16、的意思都是：都是： P区加正、区加正、N区加负电压。区加负电压。 PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思的意思都是：都是： P区加负、区加负、N区加正电压。区加正电压。PN结正向偏置结正向偏置+内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+_内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强多子的扩散加强能够形成较大的能够形成较大的扩散电流。扩散电流。PN结反向偏置结反向偏置内电场内电场外电场外电场+变厚变厚NP+_内电场被被加强，内电场被被加强，多子的扩散受抑多子的扩散受抑制。少子漂移加制。少子漂移加强，但少子数量强，但少子数量有限，只能形成有限，只能形成较小的反向电流。较小的反向电流。一

17、、基本结构一、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15.3 半导体二极管半导体二极管PN结结面接触型面接触型PN电路符号电路符号二、伏安特性二、伏安特性UI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: : 硅管硅管0.60.8V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压U(BR) 伏安特性伏安特性 当正向电压很低时，由于外电场还不能克服当正向电压很低时，由于外电场还不能克服PNPN结内电场对多数载流子扩散运动的阻力，正向电流结内电场对多数载流子扩散运动

18、的阻力，正向电流很小，几乎为很小，几乎为0 0。 当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削当正向电压超过一定数值后，内电场被大大削弱，电流增长很快。弱，电流增长很快。 当加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，当加反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。（形成很小的反向电流。（反向电流的特点反向电流的特点） 当反向电压超过一定数值时，反向电流会突然当反向电压超过一定数值时，反向电流会突然增大，二极管被击穿，二极管失去单向导电性。增大，二极管被击穿，二极管失去单向导电性。（击穿的原因击穿的原因） 三、主要参数三、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，

19、允许流过二极管的最二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。大正向平均电流。（2）反向工作峰值电压）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压。一般是反向击穿电压UBR的一半或三分之。的一半或三分之。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被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。破坏，甚至过热而烧坏。（3）反向电流）反向电流 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，因此反向电流大，说明管子的单向导电性差，

20、因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，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，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。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，二极管的以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。限幅、保护等。下面介绍两个交流参数。 主要参数主要参数例：二极管的应用（例：二极管的应用（12页例页例15.3.1）：）：RRLuiuRuotttuiuRuo另例：另例：12页例页例15.

21、3.215.4 稳压管稳压管IZmax稳压稳压误差误差曲线越陡，曲线越陡，电压越稳定。电压越稳定。+-UIIZ UZ IZUZ动态电阻：动态电阻：ZZIUZrrz越小，稳越小，稳压性能越好。压性能越好。符号符号稳压二极管的参数稳压二极管的参数（1）稳定电压）稳定电压 UZ（2）电压温度系数）电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的系数。稳压值受温度变化影响的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr 稳定电压就是稳压管在正常工作下管子稳定电压就是稳压管在正常工作下管子两端的电压两端的电压（4）稳定电流）稳定电流IZ、最大稳定电流最大稳定电流Izmax（5）最大允许功耗）最大允许功耗ma

22、xZZZMIUP 例题：例题：15页例页例15.4.115.5 半导体三极管半导体三极管一、一、 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PNP集电极集电极基极基极发射极发射极BCEPNP型型BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：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发射结发射结集电结集电结ICmA AmAIERBIBECEB 电流放大原理实验电流放大原理实验二、电流放大原理二、电流放大原理 电流放大原理电流放大原理BECNNPEBRBE

23、c发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE基区空基区空穴向发穴向发射区的射区的扩散可扩散可忽略。忽略。IBE1进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBO从基区扩从基区扩散来的电散来的电子作为集子作为集电结的少电结的少子，漂移子，漂移进入集电进入集电结而被收结而被收集，形成集，形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEI

24、BE2ICEIB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIBEIC=ICE+ICBO ICE4ICE与与IBE之比称为电流放大倍数之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。正偏，集电结反偏。BCCBOBCBOCBECEIIIIIIIIBECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管三、三、 特性曲线特性曲线ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路（1）输入特性）输入特性IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V 死区电压，

25、死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。工作压降：工作压降： 硅管硅管UBE 0.60.7V,锗锗管管UBE 0.20.3V。（2）输出特性）输出特性IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域满此区域满足足IC= IB称为线性称为线性区（放大区（放大区）。区）。当当UCE大于一定大于一定的数值时，的数值时，IC只只与与IB有关，有关，IC= IB。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE UBE,集集电结正偏，电结正偏， IBIC，UCE 0.3V称为饱和

26、区。称为饱和区。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，死区电压，称为截止区。称为截止区。（3）主要参数）主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。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 工作于动态的三极管，真正的信号是叠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。基极电流的变化量加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为为 IB，相应的集电极电流变化为，相应的集电极电流变化为 IC，则，则交交流电流放大倍数流电流放大倍数为：为：BIIC 已知已知UCE=6V时时：IB=40 A, IC=1.5mA 求求 和和 。 IB=60 A, IC=2.3mA5 .3704. 05 . 1IIBC_ 4004. 006. 05 . 13