第14章 半导体二极管和三极管

• 14.6 光电器件
第14章 半导体二极管和三极管
本章要求：
• 理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和电 流放大作用； • 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工作 原理和特性曲线，理解主要参数的意义； • 会分析含有二极管的电路。
对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和 正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器 件的目的在于应用。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况， 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近 似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结 果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标， 就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误 差、工程上允许一 型半导体中自由电子 是多数载流子，空穴是少数 载流子。
14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
掺入三价元素 掺杂后空穴数目大量 空穴 增加，空穴导电成为这 种半导体的主要导电方 式，称为空穴半导体或 P型半导体。 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。
Si
Si
Si B–
电 子 技 术 的 应 用（信 号 检 测）
• 压力、温度、水位、水流量等的测量与调节; • 电子仪器（如信号发生器，电子脉搏器）;
• …..
电 子 技 术 的 应 用（汽 车 电 子）
电源 发动机控制 行驶装置 汽车电子报警与安全装置 旅居性 仪表 娱乐通讯
14.3 半导体二极管
一个PN结加上相应的电极引线并用管壳封装起来，就构 成了半导体二极管，简称二极管，接在P型半导体一侧的引 出线称为阳极；接在N型半导体一侧的引出线称为阴极。
(a) 点接触型 结面积小、 结电容小、正 向电流小。用 于检波和变频 等高频电路。
(b)面接触型 结面积大、 正向电流大、 结电容大，用 于工频大电流 整流电路。
14.1 半导体的导电特性
导电 物质 能力
如金、银、铜等 导 体 半 导 体 如Si，Ge等 绝 缘 体 如 塑 料 、 陶 瓷 等
导体：
电阻率小于10-3•cm 量级;
绝缘体：电阻率大于108•cm量级;
半导体：电阻率介于导体和绝缘体之间;
半导体的导电特性
热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 (可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。 光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。 掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。
•
14.2.2 PN结的单向导电性
1. PN 结加正向电压（正向偏置） P接正、N接负
PN 结变窄
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － + + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
P
IF
+
–
内电场 外电场
N
内电场被 削弱，多子 的扩散加强， 形成较大的 扩散电流。
(c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可 小，用于高频整流和开关电路中。
14.3 半导体二极管
二极管的结构示意图
金属触丝 阳极引线 N型锗片 阴极引线
N型硅 P 型硅 阳极引线 二氧化硅保护层
( a) 点接触型
铝合金小球
外壳
阴极引线
阳极引线 PN结 金锑合金 底座
(c ) 平面型
N 型硅
阳极
D 阴极 参看二极管 的实物图
阴极引线
( d) 符号
( b) 面接触型 图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号
14.3.2 伏安特性
I 特点：非线性 反向击穿 电压U(BR) 反向电流 – +N 在一定电压 P 范围内保持 常数。 反向特性 外加电压大于反向击穿 电压二极管被击穿，失去 单向导电性。
点火装置，燃油喷射控制、 发动机电子控制……
车速控制、间隙刮水、 除雾装置、车门紧锁…… 安全带、车灯未关报警、 速度报警、安全气囊…… 空调控制、动力窗控制……
里程表、数字式速度表、 出租车用仪表……
收音机、CD……
信号及其分类
信号的分类
v
模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上 模拟信号 任意一点的数值均有其物理意义。
Si
Si
空穴
价电子
空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子 中又出现一个空穴，如此继续下去，就好像空穴在运 动（相当于正电荷的移动）。
当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出 现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)被原子束缚的价电子递补空穴 空穴电流 自由电子和空穴都称为载流子。 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对产生的同 时，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，半导体中载流子便维持一定的数目。 注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 本征半导体中，自由电子数目恒等于空穴数目。 (3) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能 也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。
主要教学内容
参考书目
• 1. 秦曾煌主编 《电工学》第六版 高教出版社
• 2. 骆雅琴主编 《电子技术辅导与实习教程》第二 版 中科大出版社 • 3. 图书馆其它相关模拟电子、数字电子教材
第14章 半导体二极管和三极管
• 14.1 半导体的导电特性
• 14.2 PN结及其单向导电性 • 14.3 二极管 • 14.4 稳压二极管 • 14.5 晶体管
14.1.1 本征半导体
完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。
价电子
Si
Si
Si 共价健 晶体中原子的排列方式
Si
硅单晶中的共价健结构
共价键中的两个电子，称为价电子。
自由电子 本征半导体的导电机理
Si
Si
价电子在获得一定能量（温度升 高或受光照）后，即可挣脱原子核 的束缚，成为自由电子（带负电）， 同时共价键中留下一个空位，称为 空穴（带正电）。 本征半导体中产生电子—空穴对 的现象称为本征激发。
扩散与漂移达到动态平衡 形成一定宽度的PN结
多子 扩散 形成空间电荷区
促使
少子 漂移
产生内电场
阻止
PN结的两大基本特征： 1. 当P型半导体和N型半导体共处时，产生空间电荷区， 形成内电场，内电场的方向为N指向P。 2. 整个半导体仍然是电中性的。
14.2.2 PN结的单向导电性
• PN结加上正向电压（正向偏置）的意思 是：P区加正、N区加负电压； PN结加上反向电压（反向偏置）的意思 是：P区加负、N区加正电压；
PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较 大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。
2. PN 结加反向电压（反向偏置）
PN 结变宽
－ － － － － －
－ － － － － － － － － － － －
P接负、N接正
+ + +
+ + + + + +
+ + +
+ + +
+ + +
P
IR
内电场 外电场
N
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － －
+ + + + + +
+ + + + + + + + + + + +
+ + + + + +
扩散和漂移 这一对相反的 运动最终达到 动态平衡，空 间电荷区的厚 度固定不变。
浓度差 形成空间电荷区
多子的扩散运动 扩散的结果使空间 电荷区变宽。
14.1.2 N型半导体和 P 型半导体
在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）, 形成杂质半导体。 在常温下即可 变为自由电子 掺入五价元素
Si Si
p+ Si
Si
多 余 电 子
掺杂后自由电子数目 大量增加，自由电子导电 成为这种半导体的主要导 电方式，称为电子半导体 或N型半导体。
失去一个 电子变为 正离子
14.2 PN结及其单相导电性
1. 扩散运动和扩散电流
• 扩散运动： 载流子受扩散力的作用所产生 的运动称为扩散运动。 • 扩散电流：载流子扩散运动所形成的电流 称为扩散电流。 浓度差
扩散力
扩散运动
扩散电流
扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比
14.2 PN结及其单相导电性
2. 漂移运动和漂移电流
Si
硼原子 接受一个 电子变为 负离子
应注意： 无论N型或P型半导体都是中性的，
对外不显电性。
1. 在杂质半导体中多子的数量与 a （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 b （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 c （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。 4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 b ，N 型半导体中的电流主要是 a 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）
• 漂移运动： 载流子受电场力的作用所产生 的运动成为漂移运动。 • 漂移电流：载流子漂移运动所形成的电流 称为漂移电流。 电位差
电场力
漂移运动
漂移电流
漂移电流的大小与电场强度成正比
14.2 PN结及其单相导电性 内电场越强，漂移
14.2.1 PN结的形成
运动越强，阻碍多子 扩散运动能力越强， 空间电荷区也称 PN 结 而漂移使空间电荷区 少子的漂移运动 变薄。 P 型半导体 内电场 N 型半导体
数字信号 数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,
其函数值通常是某个最小单位的整数倍。
信号 A 0
1
0
1
0
1
信号 B
0
0
1
1
0
0
信号 C
0
0
0
0
1
1
信号 D 0
0
0
0
0
0
数字信号波形举例
电工学（下） 电子技术
第14章 第15章 第16章 第17章 第18章 第19章 第20章 第21章 半导体二极管和三极管 (2次课) 基本放大电路 (4.5次课) 集成运算放大器 (2次课) 电子电路中的反馈 (2.5次课) 直流稳压电源 (2次课) 电力电子技术 门电路和组合逻辑电路 (3次课) 触发器和时序逻辑电路 (4次课)
第22章 存储器和可编程逻辑器件
第23章 模拟量和数字量的转换 第24章 现代通信技术
主要教学内容
二极管 电子原器件 三极管 集成电路...... 模拟电子电路 放大 电子电路及其应用滤波 电源...... 数学基础 组合逻辑电路 数字电子电路 时序逻辑电路 其它
电工学（下册） 电 子 技 术
安徽工业大学
2010~2011学年第一学期
个人简介
• PhD, 副教授
• 研究方向：固态量子计算和量子信息
• 主持国家自然科学基金一项；省优秀青年教师资 助项目一项； • Email：mutcheng@
电工学平时作业管理办法及评分标准
• 每周两次课的作业在平时成绩册上登记一次，每学期共登 记8次。 • 按校学生守则规定，每次所收作业只批改1/3，学生在作 业的第一页按学号尾号填写批次。 • 学号尾号0、1、2、3是第一批次；4、5、6是第二批次； 7、8、9是第三批次。改一个批次作业时，其余批次的作 业阅过后登记。 • 按校学生守则规定，一学期作业所登次数少于4次，该生 无资格参加本课程考试。 • 评分标准： • 1.一学期所登次数4次，得60分； • 2.一学期登满4次后，再每登一次得8分，并根据所交作业 的质量好坏，在8分的基础上，适当加减。 • 3.无故补交一次作业减2分。 • 4.缺交一次作业减10分。
–
+
内电场被加 强，少子的漂 移加强，由于 少子数量很少， 形成很小的反 向电流。
PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大，PN结处于截止状态。 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。
PN结的单向导电性 结 论
PN结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，正向扩散电流远大于漂移电流， PN结处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。 （2）PN结加反向电压时，仅有很小的反向饱和电流Is，处 在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。
数字信号 数字信号只在某些不连续的瞬时给出函数值,
其函数值通常是某个最小单位的整数倍。
v
O
t
O
t
v
(a)
v
O
(b)
O
t
t
(c)
(d)
几种模拟信号波形 (a) 正弦波 (b) 三角波 (c) 调幅波 (d) 阻尼振荡波
信号的分类
模拟信号的幅值随时间呈连续变化，波形上 模拟信号 任意一点的数值均有其物理意义。