第十四章半导体二极管和三极管

第十四章半导体二极管和三极管
物体按导电性分为：
导体，绝缘体，半导体
半导体：导电性介于导体和半导体之间。

半导体材料的原子结构比较特殊。

其外层电子不象导体那样容易挣脱。

也不象绝缘体束缚很紧，这就决定了它的导电性介于导体和半导体之间。

14-1半导体的导电特性
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：
1.纯净半导体的导电能力很差；
2.温度升高一一导电能力增强；
3.光照增强一一导电能力增强；
4.掺入少量杂质一一导电能力增强。

）
一、本征半导体（纯净半导体）
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。

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
在共价键结构中，原子最外层虽然具有8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的那样紧，在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子。

这里的能量可以是热能或光能，因此半导体的导电能力在不同的条件下有很大的差别。

利用这种特性可做成各种热敏元件或光敏元件。

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：
自由电子：电子挣脱共价键的束缚成为自由电子。

空穴：共价键中留下的空位。

'lifr
在外电场作用下，半导体内电流形成过程：
有空穴的原子（带正电），可以吸引相邻原子中的价电子，填补这个空穴。

好象空穴在运动，而空穴运动的方向与价电子运动的方向相反，因此空穴运动相当于正电荷的运动，
因此在外电场（外加电压）作用下，半导体中出现两部分电流：
电子电流：自由电子定向运动形成的。

空穴电流：价电子递补空穴形成的。

电子--空穴对产生与复合的动态过程：
由于物质总是在不停地运动着，一方面不断有价电子挣脱束缚成为自由电子。

同时出现相同数量的空穴，另一方面自由电子在运动中又会和空穴复合，成为价电子，在一定条件下，这种运动会达到相对平衡，即电子--空穴对的产生与复合的过程仍在不断进行，但
电子--空穴对的数目基本不变。

二、杂质半导体（N型半导体和P型半导体）
由于掺入杂质元素的不同，掺杂半导体可分为两大类一N型半导体和P型半导体。

1.N型半导体杂质：磷P五价元素，原子最外层有五个价电子。

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。

多出的一个电子受原子核
的束缚很小，因此很容易成为自由电子。

在N型半导体中：多数载流子：自由电子少数载流子：空穴
N型半导体主要靠电子导电，所以又称为电子半导体，简称N型半导体。

2.p型半导体
杂质：硼B三价元素，原子最外层有三个价电子。

硼原子与周围的四个硅原子形成共价键时，因缺少一个电子而形成一个空穴。

在P型半导体中：多数载流子：空穴。

少数载流子：自由电子
P型半导体主要靠空穴导电，所以又称为空穴半导体，简称P型半导体。

载流子的运动有两种形式： 扩散运动，漂移运动 二、PN 结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（外电源的正端接 P 区、负端接N 区） 正向接法时，外加电场与内部电场方向相反，削弱了内部电 场，使空间电荷区变窄， P 区空穴和N 区电子能够更容易地 越过PN 结，形成较大的扩散电流。

PN 结导通状态电阻很小 。

半导体器件的核心是 PN 结，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，PN 结具有单向导电性。

PN 结是构成半导体器件的基础 。

一、PN 结的形成
当P 型半导体和N 型半导体联结为一体时，在交界的地方，由于空穴和电子浓度的不 同，会引起空穴和电子的 扩散运动---P 区的空穴向N 区扩散，N 区的电子向P 区扩散。

从 而使P 区的空穴减少出现 带负电的电荷区，N 区的电子减少出现 带正电的电荷区，交界面 两侧的这个空间电荷区就是 PN 结。

空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为 内电场。

内电场对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，空间电荷区又称为
阻挡层。

PN 结内电场的方向： 由N 区指向P 区。

P N
G. 3 帝 ® •㊉
X
㊉
e .B ㊀•㊀
e 4d
14-2 PN 结
内电场方向
2. 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 根据二极管的功率特性分为小功率、大功率二极管等； 3. 符号
二、二极管的伏安特性 由电压零点分为正向区和反向区
正向 由死区电压 分为死区和导通区；（Si~0.5V Ge~0.2V ）
反向 由击穿电压 分为截止区和击穿区；
开启电压（死区电压） U On ：使二极管开始导通的临界电压。

其大小与材料及环境温度有关。

通常，硅管的死区电压约
为0.5V ，锗管约为0.1V 。

导通时的正向压降，硅管约为 0.6-0.8V ，锗管约为 0.2-0.3V 。

当U<U n 时,外部电场还不足以克服内部电场对载流子 扩散运动所造成的阻力，正向电流仍然很小。

2. PN 结加反向电压 （外电源的正端接 N 区、负端接P 区）
反向接法时，外加电场与内部电场方向相同，增强了内 部电场，使空间电荷区变宽，使多数载流子的扩散运动与漂 移运动变弱，少数载流子的漂移运动增强，参与漂移运动的 载流子是少数载流子反向电流极小。

温度对反向电流的影响很大。

PN 结截止状态电阻很大。

PN 结具有单向导电性，即正向导通、反向截止。

14-3半导体二极管 一、 二极管的结构和分类
1. 基本结构
10 L
+
J So
• •
内电场方问
■
将PN 结加上电极引线及外壳 也是所有半导体器件的核心。

（管壳），就构成了半导体二极管。

PN 结是二极管的核心,
及隧道二极管等;
:
（a>
（b ）
15-13半导弹二械營
⑹点接触室；耐按越壁2 （c ）我示符号
当U>U n时，内部电场被大大削弱，电阻变得很小，正向电流显著增加。

反向击穿电压（U（BR））：使二极管反向电流突然增大，失去单向导电性的临界电压。

当U（BR）<U<0时，反向电流很小，不随电压而变，通常又称为反向饱和电流。

当U< U（BR <0时，二极管反向击穿。

反向击穿：反向电流突然增大，二极管失去单向导电性的现象。

电击穿：可逆
热击穿：不可逆（过热，永久性损坏）
三、二极管的主要参数
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I O M ---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U.W--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。

3.反向峰值电流I RM---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。

四、二极管的主要用途
整流、检波、元件保护、数字电路中作开关元件。

（单
向导电性）
14-4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。

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。

稳压管的使用：稳压管工作于反向击穿区。

在电路中稳压管是反向联接的。

当U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等
于Uz。

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
2.稳定电流l Z：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。

3.动态电阻r Z：稳压管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。

4、最大允许耗散功耗P ZM保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗。

和允许的最大电流乘积其值为稳定电压
•I
Z max
14-5晶体管（半导体三极管、晶体三极管、双极型晶体管） 一、基本结构
半导体三极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。

本节介绍晶
体管的结构、特性及参数的内容。

晶体管比二极管多一层半导体
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。

晶体管比二极管多一层半导体 ，它们都具有 NPN 或PNP 的三层两结的结构，因而又有 NPN 和PNP 两类晶体管。

三区：发射区、基区和集电区。

三极（三极）：基极（Base ）、发射极（Emitter ） 和集电极（Collector ）。

二结：发射结和集电结。

两种型式三极管符号的区别是：发射极的箭头指向不同。

箭头表示发射结在正向接法 下的电流真实方向。

基本特点：三极管具有放大（模电）和开关 （数电） 作用，应用广泛。

二、电流分配和放大原理
NPN 型和PNP 型晶体管的工作原理相似，仅在使用 时电源极性联接不同，由于目前硅三极管在工业上应用 较多，所以以NPN 型硅三极管 为例分析。

如图，对 NPN 型晶体管加E B 和E C 两个电源，且E C>E B ，保证发射结 正向偏置，集电结反向偏置。

1.
载流子在晶体管内部的运动规律：
（载流子的运动）
① 发射区向基区发射（扩散）电子形成发射极电流
I E
② 电子在基区的扩散和复合形成基极电流 I B
③ 集电区收集扩散电子形成集电极电流 I C
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I E 将分
成两部分I CE 和I BE,它们的比值为
+
I ：：；
I CE _ I C
〜I CBO
1
BE 1
B 1
CBO 1
B
它表示晶体管的电流放大能力， 称为静态电流
（直流电流）放大系数。

放大作用的内部条件： 基区很
薄且掺杂浓度很低。

具有放大作用的外部条件： 发射结正向偏置、 集
电结反向偏置。

2. 实验结论：
I B(mA) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC(mA)
<0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 I E(mA)
<0.001
0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
结论： ① I E =L
1
B ② 1 C
1
B I E " I B
-=上 1 ---共发射极静态电流（直
I B
③
I B 的微小变化可以引起I C 的较大变化。

—二上 1
■共发射极动态电流（交 I B
（［与〒在意义上虽然不同，但数值较接近，有时通过测量
④ 当I B =0（基极开路）时，I C =I E =I CEO 也很小。

⑤ 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置、集电结必须反向偏置。

对于 管 U BE 0 U CE 0
且 U CE U BE
对 于 PNP 型 晶 体 管
U BE *0 U CE £0 且U CE > U BE
三、特性曲线
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
流）放大系数
流）放大系数
丁来估计1的大小）
NPN 型晶体
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下图。

1.输入特性曲线
输入特性曲线：当UCE为常数时的IB与UBE之间的关线。

(参见上图)
对硅管来说，当U CE>IV时，集电结已处于反向偏发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极流，但I B与U BE 的关系依然与PN结的正向类似。

(当更小，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。

*
TstgA)
80 +
60
一
20 T
|__ BE(V)
0.4 0.S
系曲
置，
电
U CE
放大状态时，硅 NPN f UBE=0.6~0.7V ;锗 PNP 管 UBE = - 0.2~ - 0.3V 。

2.输出特性曲线
输出特性曲线：当I B 为常数时，l c 与U C E 之间的关系曲线。

在不同的I B 下，可得到不同的曲
线，即晶体管的输出特性曲线是一组 曲线。

当I B 一定时，U C E 超过约1V 以后 就将形成I c ,当U C E 继续增加时，I c 的增加将不再明显。

这是晶体管的 恒 流特性。

当I B 增加时，相应的I c 也增加， 曲线上移，而且I c 比I B 增加得更明 显。

这是晶体管的 电流放大作用。

通常将晶体管的输出特性曲线分为 三个工作区： (1)放大区(也称线性区) 特性曲线进于水平的区域。

在放大区
I c = ： I B
此时发射结正向偏置，集电结反向偏 置。

(2)截止区
I B =0曲线以下的区域。

I B =0时I C = I CEO 对于硅管当
截止常使U BE <0O
即截止时两个PN 结都反向偏置。

⑶饱和区
当U CE < U BE 时，晶体管工作于饱和状态。

在饱和区， 作用。

l c=H |B
此时发射结正向偏置，集电结正向偏置。

四、主要参数 1. 电流放大系数：： 2. 集-基极反向截止电流I CBO 3. 集-射极反向截止电流I CEO 4. 集电极最大允许电流I CM 5. 集-射极反向击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率
F C
/c <mA) too
U BE <0.5V 时即开始截止。

为了可靠。