第8章 半导体、二极管、晶体管及其应用

第三编模拟电子技术第8章半导体、二极管、晶体管及其应用第9章基本放大电路第10章集成运放与反馈第11章直流稳压电源第8章半导体、二极管、晶体管及其应用8.1半导体基本知识8.2PN结及单向导电性8.3半导体二极管8.4特殊的二极管8.5晶体管本章要求:1.了解半导体基本知识，本征半导体和杂质半导体2.掌握PN节及单向导电特性3.了解二极管的分类结构、特性曲线及参数4.熟悉二极管应用及常见特殊二极管5.了解晶体管分类、结构、特性曲线及主要参数6.了解晶体管放大作用原理重点:1.二极管单向导电性；2.稳压管及常见的光电子器件3.晶体管放大的条件及电流分配关系难点:PN节单向导电性原理及晶体管放大原理第8章半导体、二极管、晶体管及其应用半导体导电性能介于导体与绝缘体之间的材料。收音机、电视机以等众多的数码产品中有着极其广泛的应用。直到二十世纪三十年代，半导体的存在才真正被学术界认可。半导体具有共价键结构，分为两类：元素半导体和化合物半导体；锗和硅是最常用的元素半导体，化合物半导体如砷化镓、磷化镓、硫化镉、硫化锌等。半导体具有热敏性、光敏性和掺杂性三种性质，即半导体受热、受到光照或掺入杂质时其导电能力会显著增强。第8章半导体、二极管、晶体管及其应用1本征半导体

纯净的结构完整的半导体称本征半导体，其导电能力相对较差，受到热激发后，部分原子中的价电子获得能量克服共价键的束缚，成为可以在晶格中自由运动的自由电子，而在原共价键中出现一个空位，称为空穴。即形成了电子-空穴对，自由电子和空穴都称为载流子，上述这种现象称为本征激发。8.1半导体基本知识2P型半导体和N型半导体

为提高其导电能力，人们往往通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素——形成杂质半导体；杂质半导体共有两类：N型半导体和P型半导体。N型半导体

在本征半导体中掺入五价元素（如磷和砷），形成的杂质半导体称N型半导体。自由电子是多数载流子（多子）空穴是少数载流子（少子）。由于杂质原子可以提供电子，称施主原子，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。8.1半导体基本知识P型半导体

本征半导体中中掺入三价元素（如硼），形成的杂质半导体称P型半导体中，自由是少数载流子（少子），空穴成为多子。由于杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。同样掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。8.2PN结及单向导电性1.PN结的形成

在P型半导体和N型半导体结合后，两侧存在浓度差，载流子势浓度高的区域向浓度低的区域扩散，形成较大的扩散电流，扩散的结果就使P区失去空穴，N区失去电子，留下了带正电的杂质离子（因此这个区域又称耗尽层）。即形成很薄的空间电荷区，会形成内电场（请注意方向是由N区指向P区）产生两种作用：其一是阻碍了多子扩散运动（此时PN节又称阻挡层），促进少子的漂移运动，但漂移运动相对较弱。扩散运动的结果是使空间电荷区变宽，而漂移运动的结果是使空间电荷区变窄，最后多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。形成的空间电荷区称为PN结,8.2PN结及单向导电性2.PN结单向导电性PN结加正向电压若正极接P区，负极接N区，PN结处于正偏，内外电场方向相反，外电场的引入促进了多子的扩散，使得空间电荷区变窄，削弱了内电场，形成了较大的扩散电流。PN结导通。PN结的形成8.2PN结及单向导电性2.PN结单向导电性PN结加反向电压若正极接N区，负极接P区，PN结处于反偏，内外电场方向相同，外电场的引入阻碍了多子的扩散，促进了少子漂移，使得空间电荷区变宽，增强了内电场，形成了较小的漂移电流。PN结截止。8.3半导体二极管1.二极管的分类与结构

结构：将PN结加上管壳并在两端引出电极就形成了半导体二极管，二极管的结构包括PN结、管壳、引线等。二极管的常见结构主要有三种，点接触型、面接触型和平面二极管。点接触型二极管：是将一根很细的金属触丝和一块半导体熔接后引出相应的电极引线，再外加管壳密封而成。极间电容很小，因此通常只能用来作小电流整流、高频检波及开关管。面接触型二极管：PN结面积相对较大，可承受较大的电流，但极间电容也相对较大。这类器件一般仅作为整流管使用，但不宜用于高频电路中。平面二极管：是采用扩散法制成的。结面积更大，即可用于大功率整流，也可作为脉冲数字电路中的开关管。8.3半导体二极管1.二极管的分类与结构

8.3半导体二极管2.二极管的特性曲线

正向特性：曲线最初会出现一小段死区，产生正向电流时施加的外电压称开启电压或门槛电压，二极管两端电压将随外加电压增加而逐渐增加，但随着外加正电压逐渐增大，二极管两端电压最终将维持到某一固定值而不再随外电压增加而增加，该值称导通压降。反向特性：当PN结加反偏电压时，由于此0时电流为少子的漂移电流，电流很小，属截止状态，PN结呈现高阻性；反向击穿特性：当反偏电压逐渐增加，到达一定程度，PN结就会被击穿，呈现较大的反向电流。8.3半导体二极管3.二极管的主要参数最大整流电流IOM：指在规定的测试温度下，二极管允许通过的最大平均电流。二极管在正常工作时，平均工作电流不应超过此值，否则会损坏二极管。最大反向峰值电压URWM：指二极管在工作时允许承受的最大反向电压。最大正向浪涌电流IRM：指二极管允许流过的过量的正向电流。表示二极管承受非正常工作电流（浪涌电流不是经常出现，只是偶然出现）的能力。一般测试时，规定一个50Hz的浪涌电流。反向电流IRM：指二极管在未击穿时的反向电流，一般规定在室温25度时进行测试。反向恢复时间Tr：当二极管两端电压从正向电压变为反向电压时，理想情况是电流能瞬时截止，但是实际是要延迟一段时间，这段延迟时间就称为反向恢复时间。8.3半导体二极管4.二极管的应用

限幅电路由于二极管的导通压降很小（理想二极管导通压降可以忽略），因此二极管被用于限幅（或钳位——钳制电位），从而使输出幅度（电位）被有效钳制，广泛应用与保护电路中。电平选择电路：从多路输入信号中选出最低电平或最高电平的电路，称为电平选择电路。除此之外，二极管应用还有很多领域，比如可用于小电压稳压等（应用对多是整流作用在第十章详述）8.3半导体二极管4.二极管的应用

例8-1：电路如图所示，设二极管为理想二极管，试求UAB＝？解：依题意，我们应首先判断二极管的通断，根据二极管正反偏的条件，应求出各二极管阴阳级电位差，不妨假设两个二极管均断开，取B点作参考点，V1阳=－6V，V2阳=0V，V1阴=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2>UD1∴D2

优先导通，

此时A点电位为0V，由于V1阳=－6V，所以D1截止。因此，UAB

=0V8.4特殊的二极管1.稳压二极管稳压二极管又称齐纳二极管，是一种利用二极管的反向击穿特性而制造的特殊的二极管，工作在反向击穿区！稳压管应用应注意以下三点：一是应反接使用，阴极是高电位，阳极是低电位，二是输入电压一定要高于稳压管稳定电压，这样才能使其工作在反向击穿区，三是为保证电流不至过大，通常要加限流电阻。主要参数：稳定电压、稳定电流、电压温度系数、动态电阻、最大允许功耗等。应用：稳压电路中最简单的是稳压二极管稳压电路，8.4特殊的二极管1.稳压二极管例8-2：若U1＝10V，R＝100Ω，Uz=5V，Iz(min)=5mA,Iz(max)=50mA，问：（1）负载RL变化范围是多少？（2）稳压电路的最大输出功率POM是多少？(3)稳压管的最大耗散PZM功率和限流电阻R上的最大耗散功率PRM是多少？解：（1）总电流稳压管中至少有5mA电流，所以：负载RL变化范围是

电流最0大时必须保证（2）（3）负载开路时，耗散功率最大8.4特殊的二极管2.肖特基（势垒）二极管（SBD）它是利用金属与半导体接触形成的金属－半导体结原理制作的。因此，SBD也称为金属－半导体（接触）二极管或表面势垒二极管，它是一种热载流子二极管。SBD是以贵金属（金、银、铝、铂等）为A正极，以N型半导体B为负极，利用二者接触面上形成的势垒具有整流特性制成的金属-半导体器件。特点：1）正向导通门限电压和正向压降都比PN结二极管低（约低0.2V）；2）不存在少数载流子寿命和反向恢复问题；3）开关速度非常快，开关损耗也特别小，尤其适合于高频应用。SBD的结构及特点使其适合于在低压、大电流输出场合用作高频整流，在非常高的频率下（如X波段、C波段、S波段和Ku波段）用于检波和混频，在高速逻辑电路中用作钳位。在IC中也常使用SBD，在高速计算机中被广泛采用。8.4特殊的二极管3.广泛应用的光电子器件（SBD）（1）光电二极管：是把光信号转换成电信号的光电传感器件。太阳能电池和光电二极管的构造相同，它的PN结面积要比光电二极管大得多。太阳能电池工作时不加偏压、工作原理和光电二极管相同。（2）发光二极管（LED）：是将电信号转换为光信号的器件。它是由化合物半导体材料制成的，如砷化镓或磷砷化镓等材料。LED分为：普通单色发光二极管、高亮单色、变色、红外、电压控制型LED等。8.4特殊的二极管（2）发光二极管（LED）：照明专用的冷暖光LED，单个管子额定功率达到瓦级，已逐渐取代传统的白炽灯、日光灯及节能灯，高亮LED及LED光源8.4特殊的二极管（2）发光二极管（LED）：数字显示器（数码管）七段LED显示器件分为共阴（高电平点亮）共阳（低电平点亮）两类（3）光耦合器：亦称光电隔离器或光电耦合器，简称光耦。其输入端和输出端都是电信号，但是这两个电信号被隔离，即没有任何电路连接线的连接。（4）激光二极管：它是在发光二极管的结间安置一层具有光活性的半导体，其端面经过抛光后具有部分反射功能，因而形成一光谐振腔。按照PN结材料是否相同，可以把激光二极管分为同质结、单异质结、双异质结和量子阱激光二极管。具有功率小、效率高、体积小、寿命长的优点。8.4特殊的二极管（4）激光二极管使用注意事项：可对人眼造成伤害；需要合适的驱动电源，反向电流和反向电压不得超过额定值，否则容易损坏器件；应存放或工作于干净的环境中；在较高温度下或输出过高功率会加速器件的老化；必要时应加装散热器。1947年，美国的贝尔实验室成功研制出了世界上的第一只半导体晶体管，这是半导体器件发展的重大飞跃，具有划时代的意义。8.5晶体管1晶体管的分类、结构及参数分类：按照材料分，有硅管和锗管；按照频率分，有高频管和低频管；按照功率分，有小功率（a）（b）、中功率（c）、大功率（d）晶体管晶体管按照结构分，可分为两种类型：NPN型和PNP型。8.5晶体管图8-23晶体管的结构和符号a)NPN管的结构b）NPN型管的符号c）PNP管的结构d）PNP型管的符号8.5晶体管2晶体管电流放大作用及原理外部条件：保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。内部载流子的传输过程（1）发射区向基区扩散电子，形成发射极电流。8.5晶体管2晶体管电流放大作用及原理(2)电子在基区的扩散和复合。(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子。8.5晶体管2晶体管电流放大作用及原理(2)电子在基区的扩散和复合。(3)集电区收集从发射区扩散过来的电子。8.5晶体管电流分配关系集电极电流由两部分组成和：发射极电流由两部分组成和：根据KCL，即：

上式反映了晶体管的基极电流对集电极电流的控制作用，即实现了晶体管的放大作用。3晶体管的共射极特性曲线

晶体管特性曲线描述各电极之间电压、电流的关系，用于对晶体管的性能、参数和晶体管电路的分析估算，曲线分为输入特性曲线和输出特性曲线。8.5晶体管3晶体管的共射极特性曲线输入特性曲线：描述集-射极电压为常数时，基极电流与基-射极电压之间的函数关系，输出特性曲线：基极电流为常数时，集电极电流与之间的函数关系，硅管和锗管分别存在一定的死区电压：曲线与PN结的伏安特性相似当增大时，曲线右移，当时曲线重合分别约为：0.5和0.2V8.5晶体管3晶体管的共射极特性曲线输出特性曲线：晶体管有三个工作区域：（1）截止区：发射结和集电结均处于反向偏置。此时很小。,

（2）放大区：发射结正偏且集电结反偏。是一族平行于横轴的等距离平行线。（3）饱和区：其特征是发射结与集电结均处于正向偏置。饱和压降(硅管约为0.3V，锗管约为0.1V)，晶体管集电极

和发射极之间相当于一个开关的接通状态。8.5晶体管4晶体管的主要参数可分为性能参数和极限参数两大类。由于制造工艺的离散性，即使同一型号规格的晶体管，参数也不完全相同。共发射极电流放大倍数：直流和交流两