2第14章 二极管和晶体管

磷原子
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。
14.1.2 N型半导体和P型半导体
掺入三价元素 掺杂后空穴数目大 空穴 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。
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。
Si
Si
– Si B
动画4
2. PN 结加反向电压（反向偏置） P接负、N接正
PN 结变宽
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IR
内电场 外电场
N
–
+
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。
0 P
U
硅管0.5V, 死区电压 锗管0.1V。
–
+ N
反向特性 I/μA
14.3.3
主要参数
1. 最大整流电流IOM 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URWM 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UBR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IRM 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，IRM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。
近似认为多子与杂质浓度相等。 3. P型半导体中空穴是多子，电子是少子。 4. 杂质半导体：多子数（多子浓度）主要由掺杂浓 度决定，受温度影响较小；而少子（少子浓度）
主要由本征激发决定，所以受温度影响较大。
1. 在杂质半导体中多子的数量主要与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量主要与 b
动画2
此时整个 晶体带电 吗？为什 么？
本征半导体的导电机理： 自由电子
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 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。 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。
二极管电路分析举例
第14章 二极管和晶体管
14.1 半导体的导电特性
14.2 PN结及其单向导电性
14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件
第14章 二极管和晶体管
本章要求：
一、了解半导体的导电特性，本征半导体和杂质半导体中自 由电子和空穴的产生过程和数量差异及温度对半导体器 件稳定性的影响。 二、了解PN结及其单向导电性。 三、了解二极管的结构和类型，理解二极管的伏安特性和主 要参数的意义，并对重要参数有数量级的概念。 四、了解稳压二极管的结构和伏安特性，会用稳压二极管组 成稳压电路。 五、熟悉晶体管的内部结构和电流放大原理，理解其伏安特 性曲线和主要参数的意义，熟悉晶体管在放大区、截止 区和饱和区工作时所需的外部条件。 六、了解常用光电器件的工作原理。
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。 扩散的结果 使空间电荷 区变宽。
形成空间 浓度差 电荷区
多子的扩散运动
空间电荷区也称PN结。
扩散运动：由于浓度差引起的非平衡载流子的运动。 动画3
14.2.2 PN结的单向导电性
1.PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
14.1
半导体
导体 绝缘体
半导体的导电特性
自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一 有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡胶、
般都是导体。
陶瓷、塑料和石英。 半导体 导电能力处于导体和绝缘体之间的物质，称为 半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。
半导体器件优点：体积小、重量轻、输入功率小、功率 转换效率高等。
则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电
极为二极管的正极。（指针式万用表。若为数字 式万用表，其内部电源极性正好相反）
2.二极管好坏的判定
（1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），
正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管
性能良好。
（2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明
二极管短路，已损坏。 （3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明 二极管断路，已损坏。
PN 结变窄
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － + + + + + + + + + + + + + + + + + +
P
IF
+
–
内电场 外电场
N
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。
何谓死区电压？硅管 和锗管死区电压的典 型值各为多少？为何 会出现死区电压？
把一个1.5V的干电池 直接正向联接到二极 管的两端，会出现什 么问题？
为什么二极管的反 向电流很小且具有 饱和性？当环境温 度升高时又会明显 增大 ？
你会做吗？
二极管的测试 1.二极管极性的判定
将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若 测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所 接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管 的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），
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。
温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
动画5
PN结的单向导电性
PN结的上述“正向导通，反向阻断”作用，说明它具有单 向 导电性，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。
PN结中反向电流的讨论
由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而 且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加 电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流。反 向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结 对反向电流呈高阻状态，也就是所谓的反向阻断作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致 电子—空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增 长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设 计电路时，必须考虑温度补偿问题。
14.1.2 N型半导体和P型半导体
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。 在常温下即可 掺入五价元素 变为自由电子 Si p+ Si Si 多余 电子 Si 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。
失去一个 电子变为 正离子
学习与归纳
1. 半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度 非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很 大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓 度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。
2. 半导体受温度和光照影响，产生本征激发现象而出现电子、空 穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进”本征激发出现 的空穴中，产生价电子与空穴的复合。在一定温度下，电子、空 穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体 中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。 3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩 散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空 间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。 4. PN结的单向导电性是指：PN结正向偏置时，呈现的电阻很小 几乎为零，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；PN结反向 偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。
14.1
半导体的导电特性
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）。
图14.3.1 二极管的结构和符号
14.3.2
–
伏安特性
I/mA
正向特性
硅0.6～0.8V 导通压降 锗0.2～0.3V
特点：非线性 P + N 反向击穿 电压U(BR)
外加电压大于 外加电压大于反向击穿电压二 死区电压二极管 极管被击穿，失去单向导电性。 才能导通。
反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。
14.2.1 PN结的形成
漂移 少子的漂移运动 运动： 内电场 N 载流子 P型半导体 在电场 － － － － － － + + + 作用下 的定向 － － － － － － + + + 运动。 － － － － － － + + +
－ － － － － －
型半导体
+ + + + + + + + +
+ + + + + +