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下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,3、4,章 半导体二极管和三极管,3.3 半导体二极管,3.4 半导体三极管,3.2 PN结,3.1 半导体的导电特性,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。,3.1,半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性,：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电,能力明显改变,(可做成各种不同用途的半导,体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,(可做,成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极,管、光敏三极管等)。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,3.1.1,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为,价电子,。,Si,Si,Si,Si,价电子,Si,Si,Si,Si,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为,自由电子,（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为,空穴,（带正电）,。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,注意：,(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；,(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。,所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和,空穴都称为载流子。,自由电子和,空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,3.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,3.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,Si,Si,Si,Si,在,P 型半导体中,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,B,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论,N,型或,P,型半导体都是中性的，对外不显电性。,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与,（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量,（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流,主要是,，N 型半导体中的电流主要是 。,（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,3.2 PN,结,3.2.1,PN结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,形成空间电荷区,3.2.2 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压,（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,外电场,I,F,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，,PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,2.PN 结加反向电压,（反向偏置）,外电场,P接负、N接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压,（反向偏置）,外电场,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,I,R,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,+,PN 结加反向电压时，,PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,3.3,半导体二极管,3.3.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,)面接触型,图1：半导体二极管的结构和符号,3.3,半导体二极管,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,3.3.2 伏安特性,硅管,0.5V,锗管,0,.1V。,反向击穿,电压,U,(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0,.60.8V,锗0,.2,0.3V,U,I,死区电压,P,N,+,P,N,+,反向电流,在一定电压,范围内保持,常数。,3.3.3 主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,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,U,RWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压,U,BR,的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3.,反向峰值电流,I,RM,指二极管加最高反向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，,I,RM,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,，,锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,二极管,的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：,判断二极管的工作状态,导通截止,否则，正向管压降,硅0,.60.7V,锗0,.2,0.3V,分析方法：,将二极管断开，分析二极管两端电位,的高低或所加电压,U,D,的正负。,若 V,阳,V,阴,或,U,D,为正(正向偏置)，二极管导通,若 V,阳,V,阴,二极管导通,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=6V,否则，,U,AB,低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,在这里，二极管起钳位作用。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,两个二极管的阴极接在一起,取,B,点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V,1阳,=6 V，,V,2阳,=0 V，,V,1阴,=,V,2阴,=12 V,U,D1,=6V，,U,D2,=12V,U,D2,U,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=0 V,例2:,D,1,承受反向电压为,6 V,流过 D,2,的电流为,求：,U,AB,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,二极管“与”门电路,1.电路,2.工作原理,输入,A,、,B、C,全为高电平“1”，,输出,Y,为“1”。,输入,A,、,B、C,不全为“1”，,输出,Y,为“0”。,0V,0V,0V,0V,0V,3V,+,U,12V,R,D,A,D,C,A,B,Y,D,B,C,3V,3V,3V,0V,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,1,1,A,B,Y,C,“与”门逻辑状态表,0V,3V,例3:,二极管“与”门电路,3.逻辑关系：,“与”,逻辑,即：有,“0”,出,“0”，,全,“1”,出,“1”,Y=A B C,逻辑表达式：,逻辑符号：,&,A,B,Y,C,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,1,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,0,1,0,0,1,1,1,1,A,B,Y,C,“与”门逻辑状态表,二极管“或”门电路,1.电路,0V,0V,0V,0V,0V,3V,3V,3V,3V,0V,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,0,1,1,1,1,1,A,B,Y,C,“或”门逻辑状态表,3V,3V,-,U,12V,R,D,A,D,C,A,B,Y,D,B,C,2.工作原理,输入,A,、,B、C,全为低电平“0”，,输出,Y,为“0”。,输入,A,、,B、C,有一个为“1”，,输出,Y,为“1”。,例4:,二极管“或”门电路,3.逻辑关系,：,“或”,逻辑,即：有,“1”,出,“1”，,全,“0”,出,“0”,Y=A+B+C,逻辑表达式：,逻辑符号：,A,B,Y,C,1,0,0,0,0,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,1,1,0,1,0,1,1,1,1,1,A,B,Y,C,“或”门逻辑状态表,3.4,半导体三极管,3.4.1 基本结构,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN型,B,E,C,B,E,C,PNP型,P,P,N,基极,发射极,集电极,符号：,B,E,C,I,B,I,E,I,C,B,E,C,I,B,I,E,I,C,NPN,型三极管,PNP,型三极管,基区：最薄，,掺杂浓度最低,发射区：掺,杂浓度最高,发射结,集电结,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,结构特点：,集电区：,面积最大,3.4.2 电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,R,C,发射结正偏、集电结反偏,PNP,发射结正偏,V,B,V,E,集电结反偏,V,C,V,E,集电结反偏,V,C,V,B,2.各电极电流关系及电流放大作用,I,B,(mA),I,C,(mA),I,E,(mA),0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.001,0.70,1.50,2.30,3.10,3.95,0.001,0.72,1.54,2.36,3.18,4.05,结论:,1）三电极电流关系,I,E,=,I,B,+,I,C,2）,I,C,I,B,，,I,C,I,E,3）,I,C,I,B,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是,CCCS,器件,。,3.4.3,特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内
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