半导体二极管和三极管

-10 反向
-20
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
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 。
半导体二极管和三极管
I (mA)
t
C
§ 7-4. 稳压管
半导体二极管和三极管
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。
稳压管的图形符号：
I (mA)
40
30 正向
20
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。
-12 -8
10
-4
U(V)
0 0.4 0.8
下面讨论加有外部电压时的PN结特性。
1. 加 正向电压
P 变窄 N
将外电源的正端接P区、 负端接N区。
外电场与内电场方向相
反，空间电荷区变窄。 漂移运动变弱，扩散运 动增强，多子形成正向
I
内电场方向 外电场方向
电流。
+
2. 加 反向电压
半导体二极管和三极管
将外电源的正端接N区、负端接P 区。
外电场与内电场方向相同，空间电荷区变宽。扩 散运动变弱，漂移运动增强，参与漂移运动的载 流子是少子，反向电流极小。 P 变宽 N
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2. N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
+
SPi
Si
Si
Si
多余
P
电子
半导体二极管和三极管
掺入磷杂质的硅半导体晶体中，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， 称之为电子半导体或N型半导体。 在N型半导体中电子是多数载流子、空穴是少数 载流子。
室温情况下，本征硅中n0=p0~1.51010/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
3. P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。
效果好，即工作电流越大稳压效
反向
果越好。
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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。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。
rZ
U Z IZ
UZ
4、最大允许耗散功耗 PZM
保证稳压管不发生热击穿的最 IZ
大功率损耗。
反向
其值为稳定电压和允许的最大电流
一、PN结的形成
一块晶片的两边分
别为P型半导体和 N型半导体。
多数载流子将扩散 形成耗尽层；
耗尽了载流子的交 界处留下不可移动 的离子形成空间电 荷区；（内电场）
内电场阻碍了多子 的继续扩散。
半导体二极管和三极管
P
N
P区 空间电荷区 N区
载流子的运动有两种形式：
半导体二极管和三极管
扩散 由于载流子浓度梯度引起的载流子从高浓度区 向低浓度区的运动。
乘积
UZ
PZM UZ • IZ max
I (mA)
正向
U(V)
0
IZ
IZmax
5、电压温度系数 U
说明稳压值受温度影响的参数。
半导体二极管和三极管
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
11 0.095 (50 20)11 11.3V 100
大电路的重要依据。
最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出
特性曲线，实验测绘是得到特性曲线的方法之一。
特性曲线的测量电路见右图。
用晶体管特性图示仪
IB
也可直接测量及显示
A
IC
mA
晶体管的各个特性曲 线。
RB
V UCE
V UBE
EC
EB
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1. 输入特性曲线
输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系
半导体二极管和三极管
电工学
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半导体二极管和三极管
Hale Waihona Puke Baidu从20世纪初开始，人们相继发现了真空和半导体 电子器件，以检波、放大及开关等功能为核心的 电子技术得到迅速发展。
从1948美国贝尔实验室发明半导体晶体管以来， 半导体电子器件逐步取代电子管而成为应用电子 技术的主角，经历了分立器件、集成电路、大规 模和超大规模的集成电路。其应用领域遍及广播、 通讯、测量、控制……；今天，计算机已经以高 技术的载体进入到各个领域，为人类文明的发展 树立了一座宏伟的里程碑。
40
30 正向
20
-12 -8
10
-4
U(V)
0 0.4 0.8
-10 反向
-20
稳压管的主要参数：
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）
半导体二极管和三极管
I (mA)
正向
2、稳定电流IZ
UZ
正常工作的参考电流值。低
U(V)
于此值稳压效果差。在不超过额
0
IZ
定功率的前提下，高于此值稳压
特别说明：稳压管的电压温度系数有正负之别。
UZ 6V U 0
UZ 6V
很小
U
UZ 6V U 0
因此选用6V左右的稳 压管，具有较好的温 度稳定性。
半导体二极管和三极管
电流放大作用原理 —— 内部载流子运动规律
1、发射区向基区扩散电子 发射结处于正向偏置，掺杂 浓度较高的发射区向基区进 行多子扩散。
半导体二极管和三极管
第七章 半导体二极管和三极管
7-1. 半导体的导电特性 7-2. PN结 7-3. 半导体二极管 7-4. 稳压管 7-5. 半导体三极管
半导体二极管和三极管
§ 7-1. 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。 常见的半导体材料有硅、锗、硒及许多金属的氧化 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：
根据晶体管放大的外部条件，发射结必须正向 偏置，集电结必须反向偏置。则
对于NPN型晶体管
UBE 0 UCE 0
对于PNP型晶体管
UBE 0 UCE 0
且 UCE UBE 且 UCE UBE
三. 特性曲线
半导体二极管和三极管
• 晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压 与电流之间关系的曲线。是应用晶体管和分析放
2、电子在基区的扩散和复合
基区厚度很小，电子在基区 继续向集电结扩散。（但有 少部分与空穴复合而形成IBE IB）
放大作用的内部条件：
基区很薄且掺杂浓度很低。
半导体二极管和三极管
3、集电区收集扩散电子 集电结为反向偏置使内电场增强，对从基区扩散进 入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电 区，形成集电极电流(ICE IC)。
半导体二极管和三极管
§ 7-2. PN结及其单向导电性
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。
• 杂质原子对导电性能的影响将在下面介绍。
半导体二极管和三极管
二. N型半导体和P型半导体
1. 本征半导体与掺杂半导体 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 杂半导体，而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，掺杂半导体可分为两大 类——N型半导体和 P型半导体。
Si
Si
+
SBi
Si
空穴
Si
Si
B
半导体二极管和三极管
掺硼半导体中，空穴的数目远大于自由电子的数 目。空穴为多数载流子，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。
3. 反向峰值电流 IRM 二极管加反向峰值电压时的 反向电流值。该值愈大说明二极管的性能愈差， 硅管的此参数值为微安级以下。
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
=U0)
o
t
uR
C
D
o
t
ui
R uR RL uo
uo
o
1. 纯净半导体的导电能力很差； 2. 温度升高——导电能力增强； 3. 光照增强——导电能力增强； 4. 掺入少量杂质——导电能力增强。
一、本征半导体
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完全纯净、具有晶体结构的半导体
最常用的半导体为硅(Si)和锗(Ge)。它们的共同 特征是四价元素，每个原子最外层电子数为 4 。
少子是由热激发产生的， 即温度愈高少子的数量 愈多，故温度对反向电 流的影响很大。
PN结具有单向导电性，
即正向导通、反向截止。
内电场方向
I~0 外电场方向
+
半导体二极管和三极管
御花园小区32号楼272，宁山路，嫩江街，231路车路东
P
N
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§ 7-3. 半导体二极管
一、 二极管的结构和分类
20
UBE(V)
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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二、二极管的伏安特性
既然二极管是由 PN 结构成的， 它自然具有着单向导电性。某
I (mA)
60
种硅二极管的电流~电压关系
40
(伏安特性)可见图示：
20
由电压零点分为正向区和反向区 -50 -25
U(V)
正向 由死区电压分为死区和导 通区；(Si~0.5V Ge~0.2V)
• 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现， 同时又不断进行复合。在一定温度下，载流子 的产生与复合会达到动态平衡，即载流子浓度 与温度有关。温度愈高，载流子数目就愈多， 导电性能就愈好——温度对半导体器件的性能 影响很大。
• 半导体中的价电子还会受到光照而激发形成自 由电子并留下空穴。光强愈大，光子就愈多， 产生的载流子亦愈多，半导体导电能力增强。 故半导体器件对光照很敏感。
曲线。(参见右图)
IB(A)
对硅管来说，当 UCE 1V时，集 80
电结已处于反向偏置，发射结正 60
向偏置所形成电流的绝大部分将
UCE1V
形成集电极电流，但IB与UBE的 关系依然与PN结的正向类似。 (当UCE更小， IB才会明显增加)
硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区 电压不超过0.2V。
40
0 0.4 0.8
20
反向 由击穿电压分为截止区和
40
(A)
击穿区；
三、二极管的主要参数
半导体二极管和三极管
二极管的特性不仅可用伏安曲线表示，也可用一 些数据进行说明这些数据就是二极管的参数。二 极管的主要参数有：
1. 最大整流电流 IOM 二极管长时间使用所允许通 过的最大正向平均电流。
2. 反向工作峰值电压 URWM 保证二极管不被击穿 而给出的反向峰值电压，为反向击穿电压的1/2至 2/3。
由电流分配关系示意图可 知发射区向基区注入的电 子电流IE将分成两部分ICE 和IBE，它们的比值为
ICE IC ICBO IC IBE IB ICBO IB
它表示晶体管的电流放大 能力，称为电流放大系数。
半导体二极管和三极管
• 在晶体管中，不仅IC比IB大很多；当IB有微小 变化时还会引起IC的较大变化。
漂移 载流子受电场作用沿电场力方向的运动。
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。
PN结内电场的方 向由N区指向P区。
P区 空间电荷区 N区
二、 PN结的单向导电性
半导体二极管和三极管
PN结未加电压时，载流子的扩散和漂移运动处于 动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定。
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。
二极管的分类
半导体二极管和三极管
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；
+ +
Si
Ge
半导体二极管和三极管
提纯的硅材料可形成单晶——单晶硅 相邻原子由外层电子形成共价键
共价键
价电子受到激发，形成自 由电子并留下空穴。
自由电子和空穴同时产生
半导体中的自由电子和空 穴都能参与导电——半导 体具有两种载流子。
载流子的产生与复合：
半导体二极管和三极管
价电子
硅原子
共价键
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