电工学7

半导体二极管和三极管
一、PN结的形成 结的形成
一块晶片的两边分 别为P型半导体和
P
N
N型半导体。
多数载流子将扩散 扩散 形成耗尽层； 耗尽层； 耗尽层 耗尽了载流子的交 界处留下不可移动 的离子形成空间电 空间电 荷区； 荷区；（内电场） 内电场阻碍了多子 内电场 的继续扩散。
P区
空间电荷区
N区
半导体二极管和三极管
半导体二极管和三极管
PN结 结
不论是P型半导体还是N型半导体，都只能看做是 一般的导电材料，不具有半导体器件的任何特点。 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。 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。
本节介绍晶体管的结构、特性及参数的内容。
一. 基本结构
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。它们都具有NPN 或PNP的三层两结 三层两结的结构，因而又有NPN和PNP两 三层两结 类晶体管。 其三层分别称为发射区、基区和集电区，并引出发 发 射极(E)、基极 基极(B)和集电极 集电极(C)三个电极。三层之间 射极 基极 集电极 的两个PN结分别称为发射结 集电结 发射结和集电结 结 发射结 集电结。
半导体二极管和三极管
2. N型半导体 型半导体
当在硅或锗的晶体中掺入微量磷(或其它五价元素) 时，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。
Si Si Si P Si Si Si 多余 电子
+
P
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掺入磷杂质的硅半导体晶体中，自由电子的数目 磷 ，自由电子的数目 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 大量增加。自由电子是这种半导体的导电方式， 称之为电子半导体或N型半导体 型半导体。 称之为电子半导体或 型半导体。 在N型半导体 电子 多数载流子、空穴 少数 型半导体中电子 空穴是少 型半导体 电子是多 子 空穴 载流子。 子 室温情况下，本征硅中n0=p0~1.5×1010/cm3，当磷 掺杂量在10–6量级时，电子载流子数目将增加几 十万倍。
半导体二极管和三极管
例
如图由RC构成微分电路， ui 当输入电压ui为矩形波时，试 U 画出输出电压uo的波形。(设uc0 o =U0)
t
uR
C ui R
D uR RL uo
o uo o
t
t
C
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。 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。
共价键
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价电子受到激发，形成自 激发， 价电子 激发 自 由电子并留下空穴。 空穴。 由电子 空穴 自由电子和空穴同时产生 自由电子和空穴同时产生 同时 半导体中的自由电子 空 自由电子和空 自由电子 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。 载流子的产生 复合： 产生与复合 产生 复合：
I (mA)
在电路中稳压管是反向联接的。当 U i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U i等于U z 。
U(V)
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稳压管的主要参数：
I (mA)
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。 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。
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3. P型半导体 型半导体
•当在硅或锗的晶体中掺入微量硼(或其它三价元素) 时，硼原子与周围的四个硅原子形成共价键后，硼 原子的外层电子数将是 7 ，比稳定结构少一个价电 子。
Si Si Si B Si 空穴 Si Si
+
B
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掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数 硼 的数目远大于自由电子 ，空穴的数目远大于自由电子的数 空穴为多数载流子 自由电子是少数载流子， 多数载流子， 目。空穴 多数载流子，自由电子是少数载流子， 这种半导体称为空穴型半导体 空穴型半导体或 型半导体 型半导体。 这种半导体称为空穴型半导体或P型半导体。 一般情况下，掺杂半导体中多数载流子的数量可 达到少数载流子的1010倍或更多，电子载流子数 目将增加几十万倍。 不论是N型半导体还是P型半导体，都只有一种多 数载流子。然而整个半导体晶体仍是电中性的。
二极管的分类 ♣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；
♣ …… ……
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其值为稳定电压和允许的最大电流 乘积
I (mA)
正向
UZ U(V)
0
∆IZ
反向
IZ
∆UZ
IZmax
P =UZ • IZ max ZM
半导体二极管和三极管
5、电压温度系数 αU 说明稳压值受温度影响的参数。 如：稳压管2CW18的电压温度系数为0.095% / °C 假如在20 °C时的稳压值为11V，当温度升高到 50 °C时的稳压值将为 0.095 11+ (50−20)×11≈11.3V 100
载流子的运动有两种形式： 浓度梯度引起的载流子从高浓度区 扩散 由于载流子浓度梯度 浓度梯度 向低浓度区的运动。 电场作用沿电场力方向的运动。 漂移 载流子受电场作用 电场作用 耗尽层中载流子的扩散和漂移运动最后达到一种动 态平衡，这样的耗尽层就是PN结。 结 PN结内电场的方 内电场的 内电场 向由N区指向P区。
UZ
正向
U(V)
0
IZ
反向
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3、动态电阻rZ 稳压管子端电压和通过其电 流的变化量之比。 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。 ∆UZ rZ = ∆IZ 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。 大功率损耗。
半导体二极管和三极管
型半导体和 型半导体 二. N型半导体和P型半导体 型半导体
1. 本征半导体 掺杂半导体 征半导体与掺杂半导体 征半导体 在常温下，本征半导体的两种载流子数量还是极少 的，其导电能力相当低。 如果在半导体晶体中掺入微量杂质元素，将得到掺 掺 杂半导体，而掺杂半导体的导电能力将大大提高 掺杂半导体的导电能力将大大提高。 杂半导体 掺杂半导体的导电能力将大大提高 由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体 掺杂半导体可分为两大 两大 掺杂半导体 类——N型半导体 P型半导体 型半导体和 型半导体。
半导体二极管和三极管
半导体的导电特性
半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。 半导体：导电能力介于导体和半导体之间的材料。 常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化 常见的半导体材料有硅 物和硫化物等。半导体材料多以晶体的形式存在。 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： 半导体材料的特性： 1. 纯净半导体的导电能力很差； 纯净半导体的导电能力很差； 2. 温度升高 温度升高——导电能力增强； 导电能力增强； 导电能力增强 3. 光照增强 光照增强——导电能力增强； 导电能力增强； 导电能力增强 4. 掺入少量杂质 掺入少量杂质——导电能力增强。 导电能力增强。 导电能力增强
PN结具有单向导电性， 结具有单向导电性 单向导电性，
即正向导通、反向截止。 正向导通、反向截止。
内电场方向
I~0 外电场方向 +
半导体二极管
半导体二极管和三极管
一、 二极管的结构和分类 将PN结加上电极引线及外壳，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。
半导体二极管和三极管
-12 -8
半导体二极管和三极管
I (mA)
40 30 正向 20 10 -4 0 0.4 0.8 -10 反向 -20
U(V)
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稳压管的使用： 稳压管工作于反向击穿区， 常见电路如下。
R Ui Uo RL
-12 -8 40 30 正向 20 10 -4 0 0.4 0.8 -10 反向 -20
特别说明： 电压温度系数有正负之别。 特别说明：稳压管的电压温度系数 电压温度系数
UZ < 6V →αU < 0 小 UZ ≈ 6V →αU很 U > 6V →α > 0 U Z
因此选用6V左右的稳 压管，具有较好的温 度稳定性。
半导体三极管
半导体二极管和三极管
半导体三极管(晶体管 是最重要的一种半导体器件 半导体三极管 晶体管)是最重要的一种半导体器件。 晶体管 是最重要的一种半导体器件。 广泛应用于各种电子电路中。 广泛应用于各种电子电路中。
二、二极管的伏安特性
既然二极管 二极管是由 PN 结构成的， 二极管 它自然具有着单向导电性。某 种硅二极管的电流~电压关系 (伏安特性)可见图示： 由电压零点分为正向区 反向区 正向区和反向区 正向区 正向 由死区电压 死区电压分为死区和导 死区电压 通区；(Si~0.5V Ge~0.2V) 击穿电压分为截止区和 反向 由击穿电压 击穿电压 击穿区；
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