1第9章

半導體二極管和三極管2§9.1半導體的導電特性半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間的材料。

常見的半導體材料有硅、鍺、硒及許多金屬的氧化物和硫化物等。半導體材料的特性：純凈半導體的導電能力很差；溫度升高——導電能力增強；光照增強——導電能力增強；摻入少量雜質——導電能力增強。3現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。GeSi一、本征半導體4硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4表示除去價電子后的原子+4+4+4+4+4+45形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構成穩(wěn)定結構。共價鍵有很強的結合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體。+4+4+4+4完全純凈的、結構完整的半導體晶體，稱為本征半導體。6硅和鍺的晶體結構在絕對溫度0度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時,價電子完全被共價鍵束縛著，本征半導體中沒有可以運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為0，相當于絕緣體。7

當溫度升高或受到光的照射時，價電子能量增高，有的價電子可以掙脫原子核的束縛，而參與導電，成為自由電子。

自由電子產生的同時，在其原來的共價鍵中就出現(xiàn)了一個空位，原子的電中性被破壞，呈現(xiàn)出正電性，其正電量與電子的負電量相等，人們常稱呈現(xiàn)正電性的這個空位為空穴。

這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)，也稱熱激發(fā)。本征半導體的導電機理8+4+4+4+4本征半導體的導電機理自由電子空穴束縛電子91011本征半導體的導電機理本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電能力越強，溫度是影響半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。12在本征半導體中摻入某些微量的雜質，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。N型半導體在硅或鍺晶體中摻入少量的五價元素磷（或銻）二、雜質半導體Negative13+4+4+5+4N型半導體多余電子磷原子14N型半導體N型半導體中的載流子是什么？1、由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2、本征半導體中成對產生的電子和空穴。3、摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。？15+4+4+3+4空穴P型半導體硼原子在硅或鍺晶體中摻入少量的三價元素，如硼（或銦）Positive16雜質半導體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導體++++++++++++++++++++++++N型半導體空穴正離子負離子電子179.1.1PN結及其單向導電性

半導體器件的核心是PN結，是采取一定的工藝措施在一塊半導體晶片的兩側分別制成P型半導體和N型半導體，在兩種半導體的交界面上形成PN結。

各種各樣的半導體器件都是以PN結為核心而制成的，正確認識PN結是了解和運用各種半導體器件的關鍵所在。擴散運動:物質從濃度高的地方向濃度低的地方運動,即由于濃度差產生的運動.漂移運動:在電場力作用下,載流子的運動.18P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E漂移運動空間電荷區(qū)一、PN結形成19擴散的結果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬。漂移運動P型半導體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導體++++++++++++++++++++++++擴散運動內電場E內電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。20

最后,多數(shù)載流子的擴散和少數(shù)載流子的漂移達到動態(tài)平衡。對于P型半導體和N型半導體結合面，離子薄層形成的空間電荷區(qū)稱為PN結。在空間電荷區(qū)，由于缺少多數(shù)載流子，所以也稱耗盡層。又稱阻擋層。

211.空間電荷區(qū)中沒有載流子。2.空間電荷區(qū)中內電場阻礙P中的空穴、N區(qū)

中的電子（多數(shù)載流子）向對方運動（擴散運動）。3.P

區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（少數(shù)載流子），數(shù)量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:22二、PN結的單向導電性

如果外加電壓使PN結中：

P區(qū)的電位高于N區(qū)的電位，稱為加正向電壓，簡稱正偏；

P區(qū)的電位低于N區(qū)的電位，稱為加反向電壓，簡稱反偏。PN結具有單向導電性:若外加電壓使電流從P區(qū)流到N區(qū)，PN結呈低阻性，所以電流大；反之是高阻性，電流小。23－－－－++++內電場

外電場變薄PN+_內電場被削弱，在外電場作用下多數(shù)載流子的擴散加強，空間電荷區(qū)變薄，形成較大的擴散電流。

(1)PN結加正向電壓空穴自由電子24圖PN結加正向電壓時的導電情況25－－－－++++內電場外電場變厚NP+_

內電場被加強，多數(shù)載流子的擴散受抑制。少數(shù)載流子漂移加強，空間電荷區(qū)變寬。但少數(shù)載流子數(shù)量有限，只能形成較小的反向電流。

(2)PN結加反向電壓26圖PN結加反向電壓時的導電情況279.2

半導體二極管

在PN結上加上引線和管殼，就成為一個二極管。二極管按結構分有點接觸型、面接觸型和平面型三大類。(a)點接觸型

PN結面積小，結電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。工作電流較小。28(b)面接觸型(c)平面型符號：D陽極陰極PN

PN結面積大，用于工頻大電流整流電路。PN結面積可大可小，用于高頻整流和開關電路中。29UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓正向反向外電場不足以克服內電場,電流很小外電場不足以克服內電場,電流很小一、伏安特性當外加電壓大于死區(qū)電壓內電場被大大減削弱,電流增加很快。30UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓反向

由于少子的漂移運動形成很小的反向電流,在且U<U(BR)內,其大小基本恒定,稱反向飽和電流IS,其隨溫度變化很大。一、伏安特性31UI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V導通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)

死區(qū)電壓反向當U>U(BR)時,其反向電流突然增大,反向擊穿。一、伏安特性擊穿是不可逆轉的！32二、主要參數(shù)1）最大整流電流IOM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2）反向擊穿電壓VBR（不可逆轉）二極管反向擊穿時的電壓值。擊穿時反向電流劇增，二極管的單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓VDRM一般是VBR的一半。333）反向電流IR指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，因此反向電流越小越好。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，一般在幾uA以下；鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。三、二極管的模型1、理想模型2、恒壓降模型等效電路等效電路硅管:0.7V鍺管:0.3V34PN結的單向導電性結論

PN結具有單向導電性

（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。35應用舉例

主要利用二極管的單向導電性。可用于整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。

例: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。VY=+2.7V解：DA優(yōu)先導通，DA導通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY36檢波作用整流作用二極管的應用是主要利用它的單向導電性,包括整流、限幅、保護、檢波、開關等。例tuituoRuiuoD單向脈動電壓+-37例已知E=5V，ui=10sintV,試畫出輸出電壓波形。限幅作用E38限幅作用E399.3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。1穩(wěn)壓管表示符號：

+-U40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

414主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù).一般高于6V的管子系數(shù)為正，而低于6V的管子系數(shù)為負，故6V的管子溫度穩(wěn)定性最好！42（3）動態(tài)電阻（4）穩(wěn)定電流（5）最大允許耗散功率rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應的電流變化量的比值。IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PZM=UZIZMrZ越小，其反向伏安特性曲線越陡，穩(wěn)壓性能越好。43例題+_UU0UZR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<IZM449.4半導體三極管9.4.1基本結構9.4.2電流分配和放大原理9.4.3特性曲線9.4.4主要參數(shù)結構平面型

合金型

NPN

PNP45§9.4三極管及其放大電路1.4.1

三極管BECNNP基極發(fā)射極集電極NPN型PNP集電極基極發(fā)射極BCEPNP型一、三極管結構和符號46BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高內部條件：47BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結集電結48BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管三極管的符號49ICmAAVVUCEUBERBIBECEB1、實驗線路二、電流分配和放大作用5000.020.040.060.080.10<0.0010.71.52.33.103.95<0.0010.721.542.363.184.05ICIBIE2.實驗數(shù)據(jù)(1)IE=IB+IC(2)IC(或IE)?IB

這就是晶體管的電流放大作用51(4)要使晶體管起放大作用,外部條件:(3)當IB=0時,IC=ICEO<0.001mA=1uA內部條件是什么。。。？發(fā)射結正偏,集電結反偏.52BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管VC>VB>VEVE>VB>VC53三極管電流放大原理（以NPN型為例）1、發(fā)射區(qū)的電子擴散到基區(qū)，少部分被復合掉，大部分由于濃度差繼續(xù)向集電區(qū)擴散，同時基區(qū)的空穴也擴散到發(fā)射區(qū)；2、由于集電結反偏，電子被拉入集電區(qū)形成集電極電流；3、在基區(qū)繼續(xù)擴散到集電區(qū)的電子數(shù)量是復合的電子數(shù)量的若干倍；4、發(fā)射區(qū)從電源負極補充電子（發(fā)射極電流），電源的正極將基區(qū)的價電子直接拉出（基極電流），補充基區(qū)的空穴；54ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

測量電路三、特性曲線三極管各極電流與電壓的關系55（1）輸入特性：IB=f（UBE）UCE=CUCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。UCE=0VUCE=0.5V

死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。56IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。（2）輸出特性：IC=f(UCE)IB=C集電結正偏，IB>IC，UCE0.3V稱為飽和區(qū)。此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。57輸出特性三個區(qū)域的特點:放大區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)飽和區(qū)：發(fā)射結正偏，集電結正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止區(qū)：

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO

0

58（a）放大CEBTIBIC+-UBC<

0+-UBE>

0+-UCECEBT（b）截止IB=0IC≈0+-UBC<

0+-UBE≤

0+-UCE≈UCC（c）飽和CEBIBIC≈+-UBC>

0+-UBE>

0+-UCE≈0晶體管的三種工作狀態(tài)59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)）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60（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/V61（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/V629.4.4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較小的情況下，兩者數(shù)值較為接近。在估算時，常用近似關系（1）（2）對于同一型號的晶體管，

值有差別，常用晶體管的值在20-100之間。63例：U