半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管
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。
+ +
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
半导体二极管和三极管
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。
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
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
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
• 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。
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 。
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：
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
• 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。
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。
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。
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。
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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)。
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
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。
-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 。
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I (mA)
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
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。
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；
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。
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§ 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。
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
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
20
UBE(V)
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
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)
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。
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。
效果好，即工作电流越大稳压效
反向
果越好。
半导体二极管和三极管
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