第14章二极管和晶体管

第十四章二极管和晶体管第十四章 二极管和晶体管一、本章提要介绍二极管和晶体管的基本结构、工作原理、特性和参数，PN结的构成是各种半导体器件的共同基础。

此外本章还介绍了稳压管和几种光电器件。

二、本章课时安排章节序号及名称主要内容学时分配本章总学时14.1半导体的导电特性介绍本征半导体、杂质半导体、N型半导体和P型半导体的基本概念。

1学时14.2 PN结及其单向导电性1 PN结的构成；2 PN结的单向导电性。

0.5学时14.3 二极管二极管的结构、伏安特性和参数。

0.5学时14.4 稳压二极管稳压管的工作原理、伏安特性和主要参数。

0.5学时14.5 晶体管晶体管的基本结构、电流分配和放大原理、伏安特性和主要参数。

1学时14.6 光电器件光电器件：发光二极管、光电二极管和光电晶体管。

0.5学时4学时 14.1 半导体的导电特性一、相关内容回顾自1948年第一个晶体管问世以来，半导体技术有了飞跃的发展由于半导体器件具有重量轻、体积小、耗电少、寿命长、，工作可靠等突出优点，在现代工业、现代农业、现代国防和现代科学技术中获得了广泛的应用。

导体二极管和三极管是最常用的半导体器件，虽然在物理课中有所了解，但为了理论的系统化、我们还要从讨论半导体的导电特性和PN结的基本原理(特别是它的单向导电性)开始。

因为PN结是构成各种半导体器件的共同基础，了解二极管和三极管的基本结构，工作原理、特性和参数，是学习电子技术和分析电子电路必不可少的基础。

二、重点及难点1.教学重点：(1)本征半导体与杂质半导体的概念；(2)N型半导体和P型半导体的概念。

2.教学难点：(1)本征半导体和杂质半导体的特点和导电机理；(2)杂质半导体分为N型半导体和P型半导体两种，它们的特点和导电机理。

1第十四章二极管和晶体管三、主要内容1．学时分配小节标号及标题详细内容学时分配学时总数14.1.1本征半导体本征半导体为完全纯净的、具有晶体结构的半导体，最常见的为硅和锗。

0.5学时14.1.2 N型半导体和P型半导体N型半导体和P型半导体的结构、特点、导电机理。

0.5学时1学时2．授课内容概述：半导体材料的导电机理与金属导体不同，在受到外部能量激发时，晶体共价键结构中的价电子挣脱束缚，产生自由电子和空穴。

纯净的啊、半导体中，电子和空穴的数目相等。

电子和空穴都可以参与导电，是半导体材料的载流子。

电子空穴对的数量受环境温度影响很大，是影响半导体器件温度稳定性的主要原因。

3．具体授课内容半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间如：硅、锗、硒的（绝）大多数金属氧化物和硫化物。

通常导体制做导线，绝缘体做绝缘鞋、导线等。

很多半导体的导电能力在不同条件下有很大差别，利用它对温度、光照和某些气味的反映做成热敏、光敏、气敏元件。

更重要的是，如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质后，它的导电能力就可增加几十万乃至几百万倍。

原因在于半导体的特殊结构－－晶体结构(晶体管名称的由来)。

14.1.1、本征半导体本征半导体——纯净的没有结构缺陷的半导体单晶(晶格取向完全一致)(无杂质)用得最多的半导体是硅(原子序数是14)和锗(32)，都是四价元素，即有4个价电子。

在本征半导体的晶体结构中每一个原子与相邻的四个原子结合，每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对，这对价电子是每两个相邻原子共有的(共有化运动)它们把相邻的原子结合在一起，构成所谓共价键的结构。

在共价键结构中，原子最外层虽然具有八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得那么紧。

在获得一定能量(温度、光照)后，即可挣脱原子核的束缚(受激发)成为自由电子。

温度越高自由电子越多。

这样共价键中就留下一个空位，称为空穴，原子的中性便被破坏。

而带正电，在外电场的作用下，可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴……如此下去，就好象空穴在运动(剧场)，也有复合现象。

因此，当半导体两端加上电压时，将出现2第十四章二极管和晶体管两部分电流：电子电流————自由电子作定向运动空穴电流———— 价电子递补空穴与金属导体在导电原理上的区别。

电子和空穴称为载流子自由电子和空穴是成对出现的，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。

于是半导体中的载流子便维持一定数目，温度越高载流子数目越多，导电性能也就好。

故温度对半导体器件性能影响很大。

本征半导体虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极小导电能力仍然很低，如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)这将使掺杂后的半导体——杂质半导体的导电性能大大增强。

根据掺入杂质的不同，杂质导体可分为两大类：14.1.2、N型半导体(电子半导体) 和P型半导体(空穴半导体)在本征半导体导体中掺入五价元素(磷、P、砷、锑)，如图硅中掺磷。

由于掺入硅晶体的磷原子数比硅原子数少得多，因此整个晶体结构基本不变，只是某些位置上的硅原子被磷原子取代，磷原子参加共价键结构只需四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。

于是半导体中的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。

掺杂后成为N型半导体其自由电子数目可增加几十万倍。

由于自由电子增多而增加了复合的机会，空穴数目便减少，故在N型半导体中，自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

在本征半导体中掺入三价元素(硼B、铝、)如硅中掺硼，硼原子只有三个价电子。

构成共价键时，因缺少一个电子而形成一个空穴。

这样，在半导体中就形成了大量空穴，以空穴导电作为主要导电方式，故在P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

四、小结这一节我们主要讲了以下几方面的内容，需要同学们掌握：1本征半导体和杂质半导体；2 N型半导体和P型半导体。

五、课上思考题书后练习与思考 14.1.1、14.1.2、14.1.3六、教师课后体会这节课同学们听得很认真，很多同学表现了极大的兴趣，回答问题时有独特见解。

总体上讲，本课的掌握情况较好。

但由于半导体内部原子结构和载流子运动比较抽象，学生理解起来还是有一点难度，所以结合多媒体动画的手段进行启发引导，有助于学生理解半导体原子结构和其内部的载流子运动。

14.2 PN结及其单向导电性14.3 二极管3第十四章二极管和晶体管一、重点内容回顾上节课主要内容：1本征半导体和杂质半导体；2 N型半导体和P型半导体。

二、引入新课上节课我们介绍了半导体、本征半导体、杂志半导体、N型半导体、P型半导体的概念和结构特点等。

N型半导体和P型半导体是构成二极管和晶体管的基本元素，所以本节我们将介绍由N型半导体和P型半导体构成的PN结，而PN结正是制作二极管的基础。

三、重点及难点1.教学重点：1 PN结的构成；2 PN结的单向导电性。

3二极管的结构、伏安特性和参数。

2.教学难点：1 PN结形成过程中其内部的载流子运动。

2 PN结的单向导电性形成的原因。

3正向偏置和反向偏置的概念。

4 二极管的伏安特性曲线：死区电压、反向击穿电压。

四、主要内容1．学时分配小节标号及标题详细内容学时分配学时总数14.2 PN结及其单向导电性1 PN结的构成；2 PN结的单向导电性。

0.5学时14.3 二极管二极管的结构、伏安特性和参数。

0.5学时1学时2．具体授课内容：15．2 PN结P型或N型半导体虽然它们都有一种载流子占多数(但整个晶体是不带电的)，并不能直接用来制造半导体器件。

一、PN结的形成4第十四章二极管和晶体管由于P区有大量空穴(浓度大)而N区的空穴极少(浓度小)。

因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散。

首先是交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子。

形成负空间电荷区。

同样，N区的自由电子要向P区扩散，在交界面附近的N区留下带正电的五价杂质离子。

形成正空间电荷区。

这样，在P型半导体和N型半导体交界面的两侧就形成了一个空间电荷区——PN结(势垒区)正负空间电荷在交界面两侧形成一个内电场，内电场对多子的扩散运动起阻挡作用(阻挡层)对少子则可推动它们越过空间电荷区，进入对方，少子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。

扩散和漂移是互相联系，又是互相矛盾的，在开始形成空间电荷区时，扩散占优势，但在扩散运动进行过程中空间电荷区逐渐加宽，内电场逐步加强，于是在一定条件下(温度)扩散运动逐渐减弱，而少子的漂移运动逐渐增加，最后扩散和漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。

PN结就处于相对稳定状态。

形成空间电荷区的正负离子虽然带电，但是它们不能移动(原子核)不参与导电，而在这区域内，载流子极少，所以空间电荷区的电阻率很高，在此区内多子都扩散到对方复合掉了(消耗尽)－－耗尽层。

一、PN结的单向导电性。

PN结没有外加电压时，扩散和漂移处于动态平衡，如在PN结上加正向电压，外电场与内电场的方向相反，内电场被削弱，整个空间电荷区变窄，扩散与漂移的平衡被破坏。

多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流(正向电流)正向电流包括空穴电流和电子电流两部分。

PN结呈低阻导通状态。

若给PN结加反向电压，则外电场与内电场方向一致，内电场增强，空间电荷区变宽，使多数载流子的扩散运动难于进行，但却加强了少数载流子的漂移运动(少子越过PN结进入对方)在电路中形成了反向电流，很少，PN结呈高阻状态，称载止，但反向电流受温度的影响很大。

结论：PN结具有单向导电性(正向导通，反向截止)15．3 半导体二极管一、基本结构5第十四章二极管和晶体管点接触型：锗，结面积小，电流小，高频小功率，开关，检波面接触型：硅，结面积大，电流大，低频大功率，整流二、伏安特性正向特性：死区电压：硅：0.5，锗：0.1。

导通电压：硅：0.6—0.8，锗：0.2—0.3反向特性：击穿电压：雪崩击穿，齐钠击穿。

另有热击穿。

三、主要参数1、整流电流I OM2、反向工作峰值电压U RM3、反向峰值电流I五、课上思考题1、二极管伏安特性上有一个死区电压。

什么是死区电压？硅管和锗管的死区电压的典型值约为多少？答案：死区电压是指二极管刚开始出现正向电流时所对应的外加正向电压，硅管死区电压的典型值约为0.5V，锗管的约为0.1V。

2、为什么二极管的反向饱和电流与外加反向电压基本无关，而当环境温度升高时又明显增大？答案：二极管反向饱和电流的大小决定于少数载流子的数量，而少数载流子的数量主要决定于环境温度。

环境温度越高，受热激发的电子、空穴也越多，这部分成对出现的电子或者空穴，是半导体材料中少数载流子的来源。

当环境温度不变时，少数载流子数量也不变，反向电压变化所引起的反向电流变化不大。

而当环境温度增加时，少数载流子的数量增加，同样的，反向电压所形成的反向电流自然也增加了。