半導體與三極管課件

第15章

半導體二極管和三極管返回15.1

半導體的導電特性15.2PN結15.3半導體二極管15.4穩(wěn)壓管15.5半導體三極管目錄15.1半導體的導電特性半導體：導電能力介乎于導體和絕緣體之間的物質(zhì)。（如硅、鍺、硒及大多數(shù)金屬氧化物和硫化物）物質(zhì)根據(jù)其導電性能分為:

絕緣體：導電能力很差的物質(zhì)。導體：導電能力良好的物質(zhì)。原子的組成：帶正電的原子核；若干個圍繞原子核運動的帶負電的電子；且整個原子呈電中性。15.1.1本征半導體

本征半導體就是完全純凈的、具有晶體結構的半導體，半導體。半導體器件的材料：硅（Silicon-Si）：四價元素，硅的原子序數(shù)是14，外層有4個電子。鍺（Germanium-Ge）：也是四價元素，鍺的原子序數(shù)是32，外層也是4個電子

應用最多的本征半導體為鍺和硅，它們各有四個價電子，都是四價元素.硅的原子結構

純凈的半導體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結構，所以半導體也稱為晶體——晶體管名稱的由來

本征半導體晶體結構中的共價健結構SiSiSiSi共價鍵價電子共價?。河上噜弮蓚€原子各拿出一個價電子組成價電子對所構成的聯(lián)系。SiSiSiSi自由電子空穴熱激發(fā)與復合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-----熱激發(fā)（或稱為本征激發(fā)）自由電子在運動中遇到空穴后，兩者同時消失，稱為復合現(xiàn)象

溫度一定時，本征半導體中的自由電子—空穴對的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對數(shù)目越多。當半導體兩端加上外電壓時，自由電子作定向運動形成電子電流；而空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。半導體導電方式在半導體中，同時存在著電子導電和空穴導電，這是半導體導電方式的最大特點，也是半導體和金屬在導電原理上的本質(zhì)差別。載流子自由電子和空穴因為，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導電性能也就愈好，所以，溫度對半導體器件性能的影響很大。SiSiSiSi價電子空穴半導體由于熱激發(fā)而不斷產(chǎn)生電子空穴對，那么，電子空穴對是否會越來越多，電子和空穴濃度是否會越來越大呢？實驗表明，在一定的溫度下，電子濃度和空穴濃度都保持一個定值。半導體中存在載流子的產(chǎn)生過程載流子的復合過程本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。注意：本征半導體的物理性質(zhì)：純凈的半導體中摻入微量元素，導電能力顯著提高。本征半導體的電導率很小，而且受溫度和光照等條件影響甚大，不能直接用來制造半導體器件。摻入的微量元素——“雜質(zhì)”。摻入了“雜質(zhì)”的半導體稱為“雜質(zhì)”半導體。15.1.2N型半導體和P型半導體N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它五價元素）。

自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。電子型半導體或N型半導體SiSiP+Si多余電子

不論N型半導體還是P型半導體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體仍然是不帶電的。返回綜上所述：(1)本征半導體中加入五價雜質(zhì)元素，便形成N型半導體。N型半導體中，電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，此外還有不參加導電的正離子。(2)本征半導體中加入三價雜質(zhì)元素，便形成P型半導體。其中空穴是多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，此外還有不參加導電的負離子。(3)雜質(zhì)半導體中，多子濃度決定于雜質(zhì)濃度，少子由本征激發(fā)產(chǎn)生，其濃度與溫度有關

15.2PN結PN結：是指在P型半導體和N型半導體的交界處形成的空間電荷區(qū)。PN結是構成多種半導體器件的基礎。

二極管的核心是一個PN結；三極管中包含了兩個PN結。自由電子PN空穴PN結是由擴散運動形成的自由電子PN

空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散強漂移運動增強內(nèi)電場增強兩者平衡PN結寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴散強漂移強PN結導通PN結截止1.外加正向電壓使PN結導通（正向偏置）PN結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài)，通過PN結的電流基本是多子的擴散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI15.2.2PN結的單向?qū)щ娦?/p>

P接正、N接負內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。2.外加反向電壓使PN結截止（反向偏置）

PN結呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結的電流是少子的漂移電流----反向電流特點:受溫度影響大,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+-

變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=0P接負、N接正內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。結論

PN結具有單向?qū)щ娦?/p>

（1）PN結加正向電壓時，處在導通狀態(tài)，結電阻很低，正向電流較大。（2）PN結加反向電壓時，處在截止狀態(tài)，結電阻很高，反向電流很小。返回半導體二極管圖片半導體二極管圖片15.3.2伏安特性正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

半導體二極管的伏安特性是非線性的。正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。

正向壓降：硅管：0.6~0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。1.正向特性反向電流：很小。硅管0.1微安鍺管幾十個微安反向擊穿電壓U（BR）:幾十伏以上。2.反向特性正向O

0.4

0.8

U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓15.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：

二極管長時間使用時，允許流過的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓URWM:

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3.反向峰值電流IRM:

二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。

主要利用二極管的單向?qū)щ娦??？捎糜谡?、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。15.3.4應用舉例返回例15.3.1R和C構成一微分電路。畫出輸出電壓的波形。設++++----u1uRu0CRRLDu1UtuRu0tt例15.3.2:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負電源-12V。-12VAB+3V0VDBDAY解：DA優(yōu)先導通，DA導通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。VY=+2.7VDA起鉗位作用，DB起隔離作用。15.4穩(wěn)壓管

一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。它在電路中與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。

穩(wěn)壓二極管亦稱齊納二極管(ZenerDiodes)，與一般二極管不同之處是它正常工作在PN結的反向擊穿區(qū)。因其具有穩(wěn)定電壓作用，故稱為穩(wěn)壓管（VoltageRegulators）。

1.穩(wěn)壓管表示符號：

正向+-反向+-IZUZ2.穩(wěn)壓管的伏安特性：3.穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

4主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在反向擊穿后穩(wěn)定工作電壓值。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)（3）動態(tài)電阻rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應的電流變化量的比值管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PZM=UZIZM（5）最大允許耗散功率

PZM是穩(wěn)壓管工作時的參考電流數(shù)值。工作電流若小于穩(wěn)定電流IZ，穩(wěn)壓性能較差；工作電流若大于穩(wěn)定電流，穩(wěn)壓性能較好，但是要注意管子的功率損耗不要超出允許值。

（4）穩(wěn)定電流IZ最大穩(wěn)定電流IZM:穩(wěn)壓管正常工作時允許通過的最大反向電流。+_UU0UZR例題穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當U<UZ時,電路不通；當U>UZ大于時,穩(wěn)壓管擊穿此時選R，使IZ<IZM返回15.5.1基本結構15.5.2電流分配和放大原理15.5.3特性曲線15.5.4主要參數(shù)15.5半導體三極管15.5.1基本結構

結構平面型

合金型

NPN（3D系列）

PNP（3A系列）半導體三極管圖片15.5.1基本結構發(fā)射結集電結BNNP發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECNNPBECCEB發(fā)射結集電結BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB15.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法基極電路(輸入回路)集電極電路(輸出回路)

發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端

晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實驗及測量結果可得出如下結論：（1）IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）當IB=0（將基極開路）時，IE=ICEO，ICEO<0.001mA用載流子在晶體管內(nèi)部的運動規(guī)律來解釋上述結論。

外部條件：發(fā)射結加正向電壓；集電結加反向電壓。

UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP發(fā)射結正偏擴散強E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴散運動形成的1.發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子，形成發(fā)射極電流IE。2.電子在基區(qū)中的擴散與復合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運動擴散IEC復合IEB同時基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時達到動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復合運動形成的RBEC++__EBEBC3.集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴散，同時收集E區(qū)擴散過來的電子有助于少子的漂移運動，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBCRBEC++__EBEBCIBIEICBOIBEIECIC15.5.3特性曲線

用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。

以共發(fā)射極接法時的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE1.輸入特性曲線：

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管0.1伏左右。正常工作時，發(fā)射結的壓降：NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型鍺管UBE=-0.2~-0.3V。00.40.8UBE/VIB/μA80604020UCE>1

UCE增加，特性曲線右移。

UCE≥1V以后，特性曲線幾乎重合。

與二極管的伏安特性相似輸入特性有以下幾個特點：

2.輸出特性曲線晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。UCE/V13436912IC/mA10080604020μAIB=002晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)（1）放大區(qū)（線性區(qū)）具有恒流特性132436912IC/mA10080604020μAIB=00放大區(qū)UCE/V

輸出特性曲線的近似水平部分。

發(fā)射結處于正向偏置；集電結處于反向偏置（2）截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域為截止區(qū)IB=0時，IC=ICEO〈0.001mA

對NPN型硅管而言，當UBE〈0.5V時，即已開始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020μAIB=00截止區(qū)UCE/V在截止區(qū)發(fā)射結處于反向偏置，集電結處于反向偏置，晶體管工作于截止狀態(tài)。（3）飽和區(qū)

當UCE〈UBE時，集電結處于正向偏置，晶體管工作處于飽和狀態(tài)。

在飽和區(qū)，IB的變化對IC的影響較小，兩者不成比例13436912IC/mA10080604020μAIB=002飽和區(qū)UCE/V在飽和區(qū)，發(fā)射結處于正向偏置，集電結也處于正偏。

15.5.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)：靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)：動態(tài)電流（交流）放大系數(shù)注意：兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO較小的