第4章常用半导体器件

含稳压管电路的分析:
（1）施加正向电压，稳压管（PN结）处于导通状态； （2）施加反向电压且小于反向击穿电压，稳压管处于截至状态； （3）施加反向击穿电压，稳压管处于稳压状态。
4.3.2 稳压管的主要参数 1. 稳定电压 UZ 2. 电压温度系数 U 3. 动态电阻 rZ 4. 稳定电流 IZ 5. 最大允许耗散功率 PZM
§4.1 半导体的基本知识
半导体顾名思义，就是指导电能力介于导体和 绝缘体之间（其电阻率在10-5～108 Ω· m）的材料， 如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物等。
4.1.1 本征半导体
完全纯净的、按照一定的规律整齐排列的、有 晶体结构的半导体，称为本征半导体。 用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元 素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共 价键结构。
•
•
•
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。
二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。
导通 截止 若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零， 反向截止时二极管相当于断开。
否则，正向管压降 硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V
二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态
ui
3
E 3V
uo
0
uo /V
2
t
【解】 在ui正半周,且ui > E时，
3 0 –6
D导通，uo =E = 3 V；
在ui正半周，但ui < E 及 ui 负半周时，D 均截止， uo = ui 。

2
t
§4.3 稳压管
稳压管是一种特殊的面接 触型半导体硅二极管。其表示 符号如下图所示。
60 40 20
+ P
–
15
N
– 50
– 25
10 5
–0.01 0 0.2 –0.02 0.4
正向特性
0.4 0.8 U/V
反 0 向 – 0.02 特 击穿电压 性 U(BR) – 0.04
P
–50
–25
U/V
–
死区电压
+
N
硅管的伏安特性
锗管的伏安特性
在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电 压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为 击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向 击穿电压 U(BR)。
载流子
2 . 半导体的导电特性：
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 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)。 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）。
二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。 它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为 开关元件。
二极管的单向导电性
• 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。 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。
空间电荷区 空间电荷区变窄
P区
扩散运动增强，形 成较大的正向电流 N区
IF
外电场驱使P区的空 穴进入空间电荷区抵消 一部分负空间电荷
内电场方向 外电场方向
E
N区电子进入空间 电荷区抵消一部分正 空间电荷
R
外 加 反 向 电 压
少数载流子越过 PN 结形成很小的反向电流
空间电荷区 空间电荷区变宽
P区
4.1.2 N 型半导体和 P 型半导体
本征半导体中由于载 流子数量极少，导电能力 很低。如果在其中参入微 量的杂质(某种元素)将使 其导电能力大大增强。 1. N 型半导体
Si
多余价电子
Si P
Si
Si Si
Si
Si
在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原 子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用 于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚 而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多 数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为 N 型 半导体。
12 流过 D2 的电流为 I D 2 4mA 3
D2
×
×
D1 3k 12V + UAB A
6V
– B
D1承受反向电压为－6 V
在这里， D2 起钳位 作用， D1起隔离作用。
【例 4.2】 下图是二极管限幅电路，二极管D的正向压降可忽 略不计，ui = 6 sin t V， E= 3 V，试画出 uo 波形 。 R ui / V + + 6 D
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UD的正负。
若 V阳 >V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通
若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止
【例 4.1】在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 –15 V。求输出端电位 VY。 【解】因为 VA 高于VB ，所 以DA 优先导通。如果二极管 的正向压降是 0.7 V，则 VY = + 2.3 V。当 DA 导通后, DB 因反偏而截止。
Si
Si Si
Si
Si
1. P 4.1.3 PN 结及其单向导电性 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半 N 结 导体区域和 N 型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成 的 了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 形 空间电荷区 P区 N区 成
由浓度差，N区的电子向P区扩散, P区的空穴向 N区扩散,相遇并复合掉。称为扩散运动。
N区
IR
返回
外电场驱使空间电荷 区两侧的空穴和自由电子 移走，多数载流子的扩散 运动难于进行
内电场方向 外电场方向
E
R
单向导电性
4.2.1 基本结构
§4.2 半导体二极管
将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极 管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。 引线 正极引线 外壳 触丝 N 型锗
电工电子教研室2009.8
第 4 章 常用半导体器件
§4.1 半导体的基础知识 §4.2 半导体二极管 §4.3 稳压管 §4.4 半导体三极管
结束
基本要求：
1.了解半导体基本知识和PN结的形成及其单向导电性； 2.理解二极管的伏安特性，了解二极管的主要参数； 3.了解硅稳压管的结构和主要参数； 4.了解三极管的基本结构和电流放大作用，理解三极管 的特性曲线及工作特点，了解三极管的主要参数。 重点：二极管的伏安特性；三极管的输入、输出特性 及工作特点；含二极管和稳压管电路分析。 难点：三极管的电流放大原理以及输入、输出特性； 含二极管和稳压管电路分析。
I/mA
+
正向
4.3.1 伏安特性
稳压管工作于反向击穿区。 从反向特性曲线上可以看出， 反向电压在一定范围内变化时， 反向电流很小。当反向电压增 高到击穿电压时，反向电流突 然剧增，稳压管反向击穿。此 后，电流虽然在很大范围内变 化，但稳压管两端的电压变化 很小。利用这一特性，稳压管 在电路中能起作用。 UZ
VA VB DB R –12V
DA
Y
在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在 + 2.3 V。
【*例 4.1】电路如图，求：UAB
【解】 分析；取 B 点作参考点，断 开二极管，分析二极管阳极和阴极的 6V 电位。 U阳 =－6 V U阴 =－12 V U阳>U阴 二极管导通
×
3k
12V
D
+
A
UAB –
B
若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =－ 6V 考虑管压降， UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V
在这里，二极管起钳位作用。
【*例 4.2】电路如图，求：UAB
【解】 分析；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。 U1阳 =－6 V，U2阳=0 V U1阴 = U2阴= －12 V UD1 = 6V，UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通， D1截止。 忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V
1. P N 结 的 形 成
P区
空间电荷区 PN结
N区
－
＋
漂移运动
内电场方向
扩散运动继续
内电场的建立，形成漂移运动；随着扩散运动的 进行，空间电荷区变宽，同时漂移运动增强 ，扩散运 动减弱。当漂移运动与扩散运动达到动态平衡，形成 一个空间电荷区，称为PN结。
PN结
外 加 正 向 电 压
2. PN 结的单向导电性
N型锗 铝合金小球
阳极引线 二氧化硅保护层
PN 结
N型硅
P 型硅
金锑合金 阴极引线 底座 (c )
平面型负极引线 符号:(a)点触型 (b)面接触型 负极 正极
4.2.2 伏安特性
二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线 可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电 压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压 称为死区电压。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 ~ 0.7V，锗管约为0.2 ~ I / mA I / mA 0.3V。
价电子
Si
Si
Si 共价健
Si
硅单晶中的共价健结构 晶体中原子的排列方式