工科大学电工课程下册dz-chap15下集综述.ppt

第15章 半导体二极管 和三极管 电工学（下）——电子技术 15.1 半导体的导电特性 15.2 PN 结 15.3 半导体二极管 15.4 半导体三极管 15.4 稳压管 15.1 半导体的导电特性 一、 导体、半导体和绝缘体 导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属 一般都是导体 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等 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例如： • 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化光〈热〉敏特性) • 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掺杂特性） Ge Si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体 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 二、本征半导体的结构特点 本征半导体：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 与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价 电子。

硅和锗的晶 体结构： 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4+4 +4+4 +4表示除 去价电子 后的原子 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为 束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自 由电子，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 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 共价键有很强的结合力，使原子规 则排列，形成晶体 +4+4 +4+4 三、本征半导体的导电机理 在绝对0度（T=0K）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 中没有可以运动的带电粒子（即载流子） ，它的导电能力为0，相当于绝缘体 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 为自由电子，同时共价键上留下一个空位 ，称为空穴 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理 自由电子 空穴 束缚电子 本征半导体的导电机理 在其它力的作用下， 空穴吸引临近的电子 来填补，这样的结果 相当于空穴的迁移， 而空穴的迁移相当于 正电荷的移动，因此 可以认为空穴是载流 子 +4+4 +4+4 本征半导体的导电机理 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，温度是影响半导体性 能的一个重要的外部因素，这是半导体的一 大特点 本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流 2. 空穴移动产生的电流 四、 杂质半导体 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其原因是掺 杂半导体的某种载流子浓度大大增加 P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体） N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体 ，也称为（电子半导体） N型半导体 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 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 就成了不能移动的带正电的离子每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子 +4+4 +5+4 多余 电子 磷原子 N 型半导体中 的载流子是什 么？ 1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同 2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。

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子称为多数载流 子（多子），空穴称为少数载流子（少子） P型半导体 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 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 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 原子接受电子，所以称为受主原子 +4+4 +3+4 空穴 P型半导体 硼原子 P 型半导体中空穴是多子，电子是少子 总 结 1、N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子只占少 数 N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 是多子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 杂质半导体的示意表示法 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体 15.2 PN结 一、 PN 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造P型 半导体和N型半导体，经过载流子的扩散 ，在它们的交界面处就形成了PN结。

P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N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 空间电荷区， 也称耗尽层 扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽，空间电 荷区越宽 漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 内电场越强，就使漂 移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄 漂移运动 P型半导体 － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － N型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场E PN结处载流子的运动 所以扩散和漂 移这一对相反 的运动最终达 到平衡，相当 于两个区之间 没有电荷运动 ，空间电荷区 的厚度固定不 变。

－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷 区 N型区P型区 电位V V0 1、空间电荷区中没有载流子 2、空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴、 N中的电子（都是多子）向对方运动 （扩散运动） 3、P中的电子和N中的空穴（都是少子） ，数量有限，因此由它们形成的电流 很小 请注意 二、 PN结的单向导电性 PN结加上正向电压、正向偏置的意 思都是： P区加正、N区加负电压 PN结加上反向电压、反向偏置的意 思都是： P区加负、N区加正电压 PN结正向偏置 － － － － + + + + 内电场 外电场 变薄 PN + _ 内电场被削弱， 多子的扩散加强 能够形成较大的 扩散电流 PN结反向偏置 － － － － + + + + 内电场 外电场 变厚 NP + _ 内电场被被加强 ，多子的扩散受 抑制少子漂移 加强，但少子数 量有限，只能形 成较小的反向电 流 一、基本结构 PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。

引线 外壳线 触丝线 基片 点接触型 15.3 半导体二极管 PN结 面接触型 P N 电路符号 二、伏安特性 U I 死区电压 硅管 0.6V,锗管0.2V 导通压降: 硅 管0.6~0.7V,锗 管0.2~0.3V 反向击穿电 压U(BR) 三、主要参数 （1）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 向平均电流 （2）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压 一般是反向击穿电压UBR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破坏，甚 至过热而烧坏 （3）反向电流 IRM 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，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 （4）微变电阻 rD iD vD ID VD Q iD vD rD是二极管特性曲线工 作点Q附近电压的变化 与电流的变化之比： 显然，rD是对Q附近的 微小变化量的电阻。

（5）二极管的极间电容 二极管的两极之间有电容，此电容由两 部分组成：势垒电容CB和扩散电容CD 例：二极管的应用（12页例15.3.1）： RRL uiuR uo t t t ui uR uo 另例：12页例15.3.2 15.4 稳压管 U I IZ IZmaxUZ IZ 稳压 误差 曲线越陡 ，电压越 稳定 + - UZ 动态电阻： rz越小，稳 压性能越好 符号 稳压二极管的参数 （1）稳定电压 UZ （2）电压温度系数U（%/℃） 稳压值受温度变化影响的的系数 （3）动态电阻 （4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、 Izmin （5）最大允许功耗 例题：15页例15.4.1 15.5 半导体三极管 一、 基本结构 B E C N N P 基极 发射极 集电极 NPN型 P N P 集电极 基极 发射极 B C E PNP型 B E C N N P 基极 发射极 集电极 基区：较薄 ，掺杂浓度 低 集电区： 面积较大 发射区：掺 杂浓度较高 B E C N N P 基极 发射极 集电极 发射结 集电结 二、 电流放大原理 B E C N N P EB RB Ec 发射结正 偏，发射 区电子不 断向基区 扩散，形 成发射极 电流IE。

IE 基区空 穴向发 射区的 扩散可 忽略 IBE 1 进入P区的电子 少部分与基区的 空穴复合，形成 电流IBE ，多数 扩散到集电结 B E C N N P EB RB Ec IE 集电结反偏， 有少子形成的 反向电流ICBO ICBO 从基区扩散 来的电子作 为集电结的 少子，漂移 进入集电结 而被收集， 形成ICE IC=ICE+ICBOICE IBE 2 ICE IB=IBE-ICBOIBE IB 3 B E C N N P EB RB Ec IE ICBOICE IC=ICE+ICBO ICE IBE 4 ICE与IBE之比称为电流放大倍数 要使三极管能放大电流，必须使发 射结正偏，集电结反偏 B E C IB IE IC NPN型三极管 B E C IB IE IC PNP型三极管 三、 特性曲线 IC mA A VVUCE UBE RB IB EC EB 实验线路 （1）输入特性 IB(A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 UCE1V 死区电 压，硅管 0.5V，锗 管0.2V 工作压降： 硅管 UBE0.6~0.7V,锗 管UBE0.2~0.3V。

（2）输出特性 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V)36912 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 此区域满 足IC=IB 称为线性 区（放大 区） 当UCE大。