第十四章半导体二极管和三极管.docx

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第十四章半导体二极管和三极管

第十四章半导体二极管和三极管

物体按导电性分为：

导体：

银铜铝铁等金属材料很容易导电，外加电压，内有电流。

绝缘体：

塑料、陶瓷、橡皮、玻璃等都很不容易导电，尽管加很高的电压，仍然基本没有电流。

半导体：

硅锗硒等，导电性介于导体和半导体之间。

导体：

金属材料的外层电子受原子核的束缚力很小，有大量电子能够挣脱原子核的束缚而成为自由电子，这些自由电子在外电场的作用下作定向运动，从而形成电流。

绝缘体：

原子的外层电子受原子核的束缚力很大，很不容易挣脱出来，因此成为自由电子的机会非常少，所以导电性很差。

半导体：

半导体材料的原子结构比较特殊。

其外层电子不象导体那样容易挣脱。

也不象绝缘体束缚很紧，这就决定了它的导电性介于导体和半导体之间。

14-1半导体的导电特性

常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。

半导体材料多以晶体的形式存在。

半导体材料的特性：

1.纯净半导体的导电能力很差；

2.温度升高——导电能力增强；

3.光照增强——导电能力增强；

4.掺入少量杂质——导电能力增强。

）

一、本征半导体（纯净半导体）

最常用的半导体为硅（Si）和锗（Ge）。

它们的共同特征是四价元素，每个原子最外层电子数为4。

提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅

相邻原子由外层电子形成共价键

在共价键结构中，原子最外层虽然具有8个电子而处于较为稳定的状态，但是共价键中的电子还不象绝缘体中的价电子被束缚的那样紧，在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子。

这里的能量可以是热能或光能，因此半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。

利用这种特性可做成各种热敏元件或光敏元件。

价电子受到激发，形成自由电子并留下空穴。

自由电子和空穴同时产生，

半导体中的自由电子和空穴都能参与导电——半导体具有两种载流子。

载流子：

自由电子：

电子挣脱共价键的束缚成为自由电子。

空穴：

共价键中留下的空位。

在外电场作用下，半导体内电流形成过程：

有空穴的原子（带正电），可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。

好象空穴在运动，而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动，因此在外电场（外加电压）作用下，半导体中出现两部分电流：

电子电流：

自由电子定向运动形成的。

空穴电流：

价电子递补空穴形成的。

电子--空穴对产生与复合的动态过程：

由于物质总是在不停地运动着，一方面不断有价电子挣脱束缚成为自由电子。

同时出现相同数量的空穴，另一方面自由电子在运动中又会和空穴复合，成为价电子，在一定条件下，这种运动会达到相对平衡，即电子--空穴对的产生与复合的过程仍在不断进行，但电子--空穴对的数目基本不变。

二、杂质半导体（N型半导体和P型半导体）

由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类—N型半导体和P型半导体。

1.N型半导体

杂质:

磷P五价元素，原子最外层有五个价电子。

磷原子与周围的四个硅原子形成共价键后，磷原子的外层电子数将是9，比稳定结构多一个价电子。

多出的一个电子受原子核的束缚很小，因此很容易成为自由电子。

在N型半导体中：

多数载流子：

自由电子少数载流子：

空穴

N型半导体主要靠电子导电，所以又称为电子半导体，简称N型半导体。

2．P型半导体

杂质:

硼B三价元素，原子最外层有三个价电子。

硼原子与周围的四个硅原子形成共价键时，因缺少一个电子而形成一个空穴。

在P型半导体中：

多数载流子：

空穴。

少数载流子：

自由电子

P型半导体主要靠空穴导电，所以又称为空穴半导体，简称P型半导体。

14-2PN结

半导体器件的核心是PN结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成P型半导体和N型半导体，在两种半导体的交界面上形成PN结，PN结具有单向导电性，各种各样的半导体器件都是以PN结为核心而制成的，正确认识PN结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。

PN结是构成半导体器件的基础。

一、PN结的形成

当P型半导体和N型半导体联结为一体时，在交界的地方，由于空穴和电子浓度的不同，会引起空穴和电子的扩散运动---P区的空穴向N区扩散，N区的电子向P区扩散。

从而使P区的空穴减少出现带负电的电荷区，N区的电子减少出现带正电的电荷区，交界面两侧的这个空间电荷区就是PN结。

正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场。

内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，空间电荷区又称为阻挡层。

PN结内电场的方向：

由N区指向P区。

载流子的运动有两种形式：

扩散运动：

由于载流子浓度差引起的。

P区空穴和N区电子的运动。

漂移运动：

载流子在内电场作用下的运动。

P区电子和N区空穴的运动。

扩散和漂移运动的动态平衡：

所以在无外加电场或其他激发因素作用下，PN结中没有电流通过。

二、PN结的单向导电性

1.PN结加正向电压（外电源的正端接P区、负端接N区）

正向接法时，外加电场与内部电场方向相反，因而削弱了内部电场，使空间电荷区变窄，扩散与漂移运动的平衡被破坏，P区空穴和N区电子能够更容易地越过PN结，形成较大的扩散电流。

（漂移电流是少数载流子的运动形成的，故对总电流的影响可以忽略。

）

PN结导通状态电阻很小。

2.PN结加反向电压（外电源的正端接N区、负端接P区）

反向接法时，外加电场与内部电场方向相同，因而增强了内部电场，使空间电荷区变宽，使多数载流子的扩散运动与漂移运动变弱，少数载流子的漂移运动增强，参与漂移运动的载流子是少数载流子反向电流极小。

温度对反向电流的影响很大。

PN结截止状态电阻很大。

PN结具有单向导电性，即正向导通、反向截止。

14-3半导体二极管

一、二极管的结构和分类

1.基本结构

将PN结加上电极引线及外壳（管壳），就构成了半导体二极管。

PN结是二极管的核心，也是所有半导体器件的核心。

2．分类

根据制造二极管的半导体材料分为硅、锗等；

根据二极管的结构分为点接触、面接触等；

根据二极管的工作频率分为低频、高频等；

根据二极管的功能分为检波、整流、开关、变容、发光、光敏、触发及隧道二极管等；

根据二极管的功率特性分为小功率、大功率二极管等；

3.符号

二、二极管的伏安特性

由电压零点分为正向区和反向区

正向由死区电压分为死区和导通区；（Si~0.5VGe~0.2V）

反向由击穿电压分为截止区和击穿区；

开启电压（死区电压）Uon：

使二极管开始导通的临界电压。

其大小与材料及环境温度有关。

通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。

导通时的正向压降，硅管约为0.6-0.8V，锗管约为0.2-0.3V。

当U

当U>Uon时,内部电场被大大削弱，电阻变得很小，正向电流显著增加。

反向击穿电压（U（BR））：

使二极管反向电流突然增大，失去单向导电性的临界电压。

当U（BR）

当U

反向击穿：

反向电流突然增大，二极管失去单向导电性的现象。

电击穿：

可逆

热击穿：

不可逆（过热，永久性损坏）

三、二极管的主要参数

二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一些数据进行说明这些数据就是二极管的参数。

二极管的主要参数有：

1.最大整流电流IOM---二极管长时间使用所允许通过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，为反向击穿电压的1/2至2/3。

3.反向峰值电流IRM---二极管加反向峰值电压时的反向电流值。

该值愈大说明二极管的性能愈差，硅管的此参数值为微安级以下。

四、二极管的主要用途

整流、检波、元件保护、数字电路中作开关元件。

（单向导电性）

14-4稳压管

稳压管是一种特殊的面接触型二极管。

它在电路中常用作稳定电压的作用，故称为稳压管。

稳压管的图形符号：

稳压管的伏安特性：

稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似，只是反向曲线更陡一些。

。

稳压管的使用：

稳压管工作于反向击穿区。

在电路中稳压管是反向联接的。

当Ui大于稳压管的击穿电压时，稳压管被击穿，电流将增大，电阻R两端的电压增大，在一定的电流范围内稳压观两端的电压基本不变，输出电压Ui等于Uz。

稳压管的主要参数：

1.稳定电压Uz：

指稳压管正常工作时的端电压。

（其数值具有分散性）

2.稳定电流IZ：

正常工作的参考电流值。

低于此值稳压效果差。

在不超过额定功率的前提下，高于此值稳压效果好，即工作电流越大稳压效果越好。

3.动态电阻rZ：

稳压管端电压和通过其电流的变化量之比。

稳压管的反向伏安特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压效果越好。

4、最大允许耗散功耗PZM：

保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。

其值为稳定电压和允许的最大电流乘积

14-5晶体管（半导体三极管、晶体三极管、双极型晶体管）

一、基本结构

半导体三极管是最重要的一种半导体器件。

广泛应用于各种电子电路中。

本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。

晶体管比二极管多一层半导体

晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种。

平面型都是硅管、合金型主要是锗管。

晶体管比二极管多一层半导体，它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两类晶体管。

三区：

发射区、基区和集电区。

三极（三极）：

基极（Base）、发射极（Emitter）和集电极（Collector）。

二结：

发射结和集电结。

两种型式三极管符号的区别是：

发射极的箭头指向不同。

箭头表示发射结在正向接法下的电流真实方向。

基本特点：

三极管具有放大（模电）和开关（数电）作用，应用广泛。

二、电流分配和放大原理

NPN型和PNP型晶体管的工作原理相似，仅在使用时电源极性联接不同，由于目前硅三极管在工业上应用较多，所以以NPN型硅三极管为例分析。

如图，对NPN型晶体管加EB和EC两个电源，且EC>EB，保证发射结正向偏置，集电结反向偏置。

1．载流子在晶体管内部的运动规律：

（载流子的运动）

2．

①发射区向基区发射（扩散）电子形成发射极电流IE

②电子在基区的扩散和复合形成基极电流IB

③集电区收集扩散电子形成集电极电流IC

由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE，它们的比值为

它表示晶体管的电流放大能力，称为静态电流（直流电流）放大系数。

放大作用的内部条件：

基区很薄且掺杂浓度很低。

具有放大作用的外部条件：

发射结正向偏置、集电结反向偏置。

2.实验结论:

通过上面实验电路得测量结果如下表：

IB（mA）

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

IC（mA）

<0.001

0.70

1.50

2.30

3.10

3.95

IE（mA）

<0.001

0.72

1.54

2.36

3.18

4.05

结论:

①

②

③IB的微小变化可以引起IC的较大变化。

（

与

在意义上虽然不同，但数值较接近，有时通过测量

来估计

的大小）

④当IB=0（基极开路）时，IC=IE=ICEO也很小。

⑤要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置。

对于NPN型晶体管

对于PNP型晶体管

三、特性曲线

晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压与电流之间关系的曲线。

是应用晶体管和分析放大电路的重要依据。

最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。

特性曲线的测量电路见下图。

1.输入特性曲线

输入特性曲线：

当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系曲线。

（参见上图）

对硅管来说，当UCE≥1V时，集电结已处于反向偏置，发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流，但IB与UBE的关系依然与PN结的正向类似。

（当UCE更小，IB才会明显增加）

硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.2V。

放大状态时，硅NPN管UBE=0.6~0.7V；锗PNP管UBE=–0.2~–0.3V。

2．输出特性曲线

输出特性曲线:

当IB为常数时，IC与UCE之间的关系曲线。

在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线（见上图）。

当IB一定时，UCE超过约1V以后就将形成IC，当UCE继续增加时，IC的增加将不再明显。

这是晶体管的恒流特性。

当IB增加时，相应的IC也增加，曲线上移，而且IC比IB增加得更明显。

这是晶体管的电流放大作用。

通常将晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：

（1）放大区（也称线性区）

特性曲线进于水平的区域。

在放大区

此时发射结正向偏置，集电结反向偏置。

（2）截止区

IB=0曲线以下的区域。

IB=0时IC=ICEO。

对于硅管当UBE<0.5V时即开始截止。

为了可靠截止常使UBE<0。

即截止时两个PN结都反向偏置。

（3）饱和区

当UCE

在饱和区，IB的变化对IC影响较小，失去放大作用。

此时发射结正向偏置，集电结正向偏置。

四、主要参数

1.电流放大系数

2.集-基极反向截止电流ICBO

3.集-射极反向截止电流ICEO

4.集电极最大允许电流ICM

5.集-射极反向击穿电压U（BR）CEO

6.集电极最大允许耗散功率PCM

晶体管的安全工作区：

在输出特性曲线上作出

的曲线。

由ICM，U（BR）CEO，PCM共同确定晶体管的安全工作区如下图所示。