半导体二极管三极管

半导体二极管三极管第1页，共52页，2023年，2月20日，星期一第9章9.19.1半导体的导电特性9.1.1本征半导体一、导体、绝缘体、半导体导体：外层电子受原子核的束缚力很小，导电性很好。绝缘体：外层电子受原子核的束缚力很大，导电力差。半导体：外层电子不像导体那样容易挣脱，也不像绝缘体那样束缚得很紧，所以导电性介于两者之间。半导体材料特点：

1.获得能量，导电能力显著提高。

2.掺入某些杂质元素，导电能力也大幅提高。第2页，共52页，2023年，2月20日，星期一在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。纯净的没有结构缺陷的半导体单晶体——本征半导体它是共价键结构。图9.1.1本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4第9章9.1二、本征半导体的晶体结构和共价键第3页，共52页，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合图9.1.2本征半导体中的自由电子和空穴成对出现成对消失第9章9.1三、本征半导体中的两种载流子热激发：产生两种带电粒子电子——空穴复合：消失两种带电粒子电子——空穴第4页，共52页，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向电子和空穴为承载电流的粒子

——载流子空穴移动方向

电子移动方向

当外电场作用：电子和空穴均能参与导电。

价电子填补空穴第9章9.1第5页，共52页，2023年，2月20日，星期一第9章9.1四、温度是影响本征半导体中载流子的浓度的主要因素

在一定温度条件下，半导体内实现相对平衡，这时产生与复合的过程虽然仍在不断进行，但电子-空穴对却保持一定的数目。温度↑→获得的能量↑→产生的电子—空穴对浓度↑→半导体导电能力↑所以半导体的温度特性不好！半导体于室温时电导率约在10+7～10+5/Ω·m之间

第6页，共52页，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4+4+4+4+49.1.2杂质半导体一.N型半导体掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体多子—自由电子少子—空穴

磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第9章9.1图9.1.3N型半导体第7页，共52页，2023年，2月20日，星期一

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,

空穴是少数载流子。第9章9.1导电基本以自由电子为主，被称为电子半导体。在室温下，几乎所有的杂质原子都被电离为带正电的杂质离子和带负电的自由电子。第8页，共52页，2023年，2月20日，星期一+4+4+4+4+4+4+4空穴二.P型半导体掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。

+4+4硼原子填补空位+3负离子第9章9.1图9.9.4P型半导体第9页，共52页，2023年，2月20日，星期一

P型半导体结构示意图导电基本上以空穴导电为主，因此，又被称为空穴半导体。电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第9章9.1第10页，共52页，2023年，2月20日，星期一一、PN结的形成

多子扩散→空间电荷区↑→少子漂移↑→动态平衡→PN结9.1.3PN

结第9章9.1多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区图9.1.5PN结的形成(a)P区与N区中载流子的扩散运动第11页，共52页，2023年，2月20日，星期一外界环境不变条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来——PN结达到稳定

第9章9.1P区N区空间电荷区内电场方向图9.1.5PN结的形成(b)平衡状态下的PN结第12页，共52页，2023年，2月20日，星期一内电场方向E外电场方向RI二、PN结的单向导电性P区N区空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流1.外加正向电压第9章9.1图9.1.6PN结加正向电压时导通第13页，共52页，2023年，2月20日，星期一P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向IR2.外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行第9章9.1图9.1.7PN结加反向电压时截止第14页，共52页，2023年，2月20日，星期一第9章9.1总结：PN结的P区接电源的正极，N区接负极时，PN结处于正向导通（正向偏置）：正向电流由多数载流子扩散形成，电流数值很大；正向电压稍有改变，电流变化较大。表现出的正向动态等效电阻极小！PN结的N区接电源的正极，P区接负极时，PN结处于反向截止（反向偏置）：反向电流由本征激发的少数载流子漂移组成，电流数值较小环境温度不变，少数载流子浓度不变且与反向电压无关，反向电流具有饱和特性。其动态反向电阻极大。温度T↑→少子浓度↑→反向电流数值↑正向电阻极小，反向电阻极大——PN结的单向导电性

第15页，共52页，2023年，2月20日，星期一二极管:PN结+引线二极管的符号阳极,A负极9.2半导体二极管正极阴极,KD作用：整流、检波、限幅稳压、保护特性：单向导电性第16页，共52页，2023年，2月20日，星期一

正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管9.2.1二极管的结构和符号二极管的符号阳极负极9.2半导体二极管

正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结正极阴极D，VD第17页，共52页，2023年，2月20日，星期一600400200–0.1–0.200.40.8–50–100I/mAU/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性1.2.2二极管的伏安特性反向特性死区电压I/mAU

/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0

开启电压Uon（死区电压）

:使二极管开始正向导通的电压室温下，开启电压：硅管0.5V；锗管0.1V导通电压：硅管0.6～0.8V

锗管0.2～0.3V第18页，共52页，2023年，2月20日，星期一用万用表判断二极管的管脚极性和材料：判别正、负极二极管的正向电阻很小，反向电阻极大。2.鉴别质量好坏如用万用表测其两端的正反电阻无太大差别，该二极管就是坏的。3.判别材料用数字表的“二极管”档（通断档）测其正向导通电压如显示：2××～5××为0.2××v～0.5××v，锗管；

6××～8××为0.6××v～0.8××v，硅管；第19页，共52页，2023年，2月20日，星期一9.2.3二极管的主要极限参数最大整流电流IOM：

长时间工作、允许流过的最大正向平均电流反向工作峰值电压URM：

约为实际击穿电压的一半到三分之一反向峰值电流IRM：

二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值第20页，共52页，2023年，2月20日，星期一

例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB为锗管，求：输出端Y的电位并说明二极管的作用。解：由于：A较B到-12V端的电位差最大所以：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。DA

–12VYABDBR第21页，共52页，2023年，2月20日，星期一DE3VRuiuouRuD

例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出

uo波形。t

t

ui

/Vuo/V6330022–6∵二极管只有导通和截止两种状态∴分析输入信号ui在什么范围内：ui=?→D一定截止→uo=？否则→D可能导通→uo=？分析方法提示第22页，共52页，2023年，2月20日，星期一例题：电路如图所示，二极管的导通电压为0.7V，试画出ui、uo波形。（15分昆工2010年硕士入学考题）分析过程：∵D1负极电位为+3V，D1正极电位如低于3.7V,则D1截止。∴ui＜3.7V,则D1支路不导通。∴ui＞3.7V,D1导通→uo=3.7V∵D2正极电位为-3V，D2负极电位如高于-3.7V,则D2截止。∴ui＞-3.7V,则D2支路不导通。∴ui＜-3.7V,则D2导通→uo=-3.7V当-3.7V＜ui＜3.7V时，D1、D2截止，i=0→iR=0→uo=ui第23页，共52页，2023年，2月20日，星期一9.3稳压管IFUF0正向特性反向击穿区UZIminIZmax伏安特性

稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。稳压管工作在反向击穿区DZ正极负极符号第24页，共52页，2023年，2月20日，星期一

稳压二极管：

1.必须工作在其反向击穿区，因此其负极接稳定电压的正极。

2.需要有限流电阻串联才能输出相对稳定的电压Uo！稳压原理：

第25页，共52页，2023年，2月20日，星期一0

稳压管的主要参数1.稳定电压UZ

2.最小稳定电流Imin

3.最大稳定电流IZmax4.动态电阻RZIZUZrZ=IZ

UZIFUFIminIZmax稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，但差异在于它的反向特性很陡。

第26页，共52页，2023年，2月20日，星期一9.4半导体三极管三个区（N、P、N或P、N、P）

—引出三个极两个PN结电流放大和开关作用ECB符号第27页，共52页，2023年，2月20日，星期一1.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极E

三极管的结构分类和符号PECB符号第28页，共52页，2023年，2月20日，星期一集电区集电结基区发射结发射区

CBEN集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管第29页，共52页，2023年，2月20日，星期一

三极管结构的特点：集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极EP1.基区体积最薄、掺杂浓度最低2.发射区掺杂浓度大3.集电区体积最大、掺杂浓度低第30页，共52页，2023年，2月20日，星期一ECRCIC

UCECEBUBE共发射极接法放大电路9.4.2

电流分配和放大原理三极管具有电流放大作用的外部条件:

（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应满足:UEB>0UCB<0即

VC

<VB

<VE输出回路公共端EBRBIB输入回路第31页，共52页，2023年，2月20日，星期一发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子

电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成

发射极电流IE

三极管的电流放大原理EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB＋－＋第32页，共52页，2023年，2月20日，星期一

由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子通过基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：

IC>>IB同样有:IC>>

IBIC=

IB所以说三极管具有电流分配作用,也称之为电流放大作用。IE=IC+IBIC=

IB第33页，共52页，2023年，2月20日，星期一IBUBE0UCE

≥

1V死区电压三极管的输入特性发射结的伏安特性IB

=f(UBE)UCE=常数9.4.3三极管的特性曲线第34页，共52页，2023年，2月20日，星期一IB

=40µAIB

=60µAUCE

0IC

IB增加IB

减小IB

=20µAIB=

常数IC

=f

(UCE)2.三极管的输出特性

iC的大小受iB控制，同时，在IB保持不变的情况下，iC的数值随uCE的增大略有增大。第35页，共52页，2023年，2月20日，星期一iC

/mAuCE

/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=

0µA20µA40µA截止区60µA80µA饱和区（2）截止区：IB≤0的区域，两结反偏。严格说，IE=0,即IC≤ICBO

的区域，管子基本不导电。（1）放大区：发射结正偏，集电极反偏。特性曲线的平坦部分。满足有电流控制作用。（3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴的区域。IB增加，IC不再增加，不受IB的控制，IC只随UCE增加而增加。第36页，共52页，2023年，2月20日，星期一三极管的三种状态1、放大状态：2、截止状态：3、饱和状态：发射结正向导通；集电结反向截止；IB与Ic成正比线性关系：发射结截止；集电结反向截止；IB=0、发射结正向导通；集电结正向导通；IB与Ic成不成正比线性关系：第37页，共52页，2023年，2月20日，星期一例题1：如测得某三极管正常放大时的三个极的电位值依次为：2.5V、1.8V、6.4V，则其对应的管脚极性依次为

，该三极管为

型三极管，半导体材料为

。解题思路：判断管脚：放大区：B极电位居中，E极电位接近B极，C极电位远离B、E极。判断类型：如C极电位最高，则是NPN型；如C极电位最低，则是PNP型。判断材料：

为0.6～0.8V，是硅管；如为0.2～0.3V,是锗管。NPN硅第38页，共52页，2023年，2月20日，星期一9.4.4三极管的主要参数1.电流放大系数

(1)直流电流放大系数

(2)交流电流放大系数

=

IC

IB

2.穿透电流ICEO

3.集电极最大允许电流ICM

4.集--射反向击穿电压U(BR)CEO

5.集电极最大允许耗散功率PCM极限参数使用时不允许超过!

=

IC

IB例题2：已知某三极管的Ib=50±20μA，Ic=20±18mA。则该三极管的β=

，

。第39页，共52页，2023年，2月20日，星期一60µA0

20µA1.52.3在输出特性上求

,

=IC

IB

=1.5mA40µA=37.5

=IC

IB

=2.3–1.5(mA)60–40(µA)=40设UCE=6V,IB由40µA加为60µA。IC

/mAUCE

/VIB

=40µA6第40页，共52页，2023年，2月20日，星期一0IB=

0µA20µA40µA60µA80µA由三极管的极限参数确定安全工作区安全工作区过损耗区PCM曲线第9章9.4IC

/mAUCE

/VICEOICMU(BR)CEO第41页，共52页，2023年，2月20日，星期一半导体光电器件半导体光电器件是把光和电这两种物理量联系起来，使光和电互相转化的新型半导体器件。

一、光电导器件

当半导体材料受到一定波长光线的照射时，电阻率明显减小，或说电导率增大的特性——半导体的光电导特性。光电导器件主要有光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。1、光敏电阻：电阻率对某一波长的光的照度敏感，并照度与电阻率呈线性关系。常见的是Cds半导体感光器件主要指标：暗电阻、亮电阻、允许功耗、响应速度和光谱范围CDS符号第42页，共52页，2023年，2月20日，星期一2、光电二极管和光电三极管光电二极管是在反向电压下工作的。它的暗电流很小，只有0.1微安左右，反向饱和电流在一定的反向电压范围内会随着光强的变化而变化，从而可以把光信号的变化转为电流及电压的变化。

光电二极管主要用于近红外探测器及光电转换的自动控制仪器中，还可以作为光导纤维通信的接收器件。

光电三极管通常无外接基极管脚，输出特性与普通三极管相似，不过IB主要由入射光的强度确定。如在光电三极管的c、e极间加上电压，有光照时，基极电流产生并被放大输出；如无光照，则输出一个ICEO其数值极小。光电二极管光电三极管第43页，共52页，2023年，2月20日，星期一二、半导体发光器件半导体发光器件是一种将电能转换成光能的器件。它包括发光二极管、红外光源、半导体发光数码管等。

1、发光二极管（LED）

PN结加上正向电压时，电子由N区扩散到空间电荷区与空穴复合而释放出能量。这些能量大部分以发光的形式出现，因此，可以直接将电能转换成光能。三色发光二极管单色发光二极管光电三极管的输出特性数码管第44页，共52页，2023年，2月20日，星期一

发光二极管的发光颜色（波长），困半导体材料及掺杂成分不同而不同。常用的有黄、绿、红等颜色的发光二极管和七段发光数码管。

发光二极管工作电压很低（1.5-3伏），工作电流很小（10-30毫安），耗电极低。

使用LED时应串联限流电阻，以防LED中的电流过大而损坏。2、光电耦合器把半导体发光器件和光敏器件组合封闭装在一起，就组成了具有电---光---电转换功能的光电耦合器。因为输入主输出之间用光进行耦合。所以输出端对输入端没有反馈，具有优良的隔离性能和抗干扰性能。光电耦合器又是光电开关，这种光电开关不存在继电器中机械点易疲劳的问题，可靠性很高。第45页，共52页，2023年，2月20日，星期一光电耦合器分为三类：光隔离器：由发光器件和光敏器件对置在一起，完成电信号的偶合和传递。红外光传感器：分为反光式和遮光式，由红外发光器件和接受器件分置构成。光敏元件集成功能块此外，还有半导体光伏组件，最为常见的是太阳能电池。感光器件还有CCD,将光信号转化为电信号中的0、1，像素指感光元件的数量，同样尺寸，像素越高、画质越清晰。第46页，共52页，2023年，2月20日，星期一第9章复习一、基本概念（用最精炼的语言概括）第9章自我检查复习本征半导体；共价键；载流子；杂质半导体；PN结；导通和截止；死区；电流静、动态放大系数；三极管的截止、放大和饱和；二、基本要求（用最精炼的语言概括）1、掌握半导体的特性；2、掌握PN结单向导电性的原理；3、熟练应用二极管和三极管的特性曲线分析工作转态和趋势；4、掌握稳压管的工作原理；5、掌握二极管和三极管的重要参数的含义；第47页，共52页，2023年，2月20日，星期一1、半导体导电电流与金属导电的本质区别在于：金属导电电流由自由电子构成，而半导体的导电电流中除了有自由电子电流外，还有

电流。2、通常锗管的正向导通压降为

；硅管的正向导通电压为

；3、已知某三极管的Ib=50±20μA，Ic=20±18mA。则该三极管的β=

。4、测得某电路中的某三极管的三只管脚a、b、c的电位值分别为－1V、－1.3V和－8V。则该三极管的材料为

，管脚的极性分别依次为

，且该三极管的类型为

。5、N型半导体中的多数载流子为

，P型半导体中的多数载流子为

。6、向本征半导体中渗入杂质的主要目的在于提高半导体的导电能力。（）7、半导体元件的温度特性差，其主要原因是当温度上升时，半导体容易被烧坏。（）8、三极管的极限参数表明了三极管的使用限制。（）9、三极管的ICEO越小越好。