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1、(14-0),第十四章 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 14.6 光电器件,(14-1),导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,14.1 半导体的导电特性,导体、半导体和绝缘体,(14-2),半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能
2、 力明显变化-热敏特性、光敏特性。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变-掺杂特性。,(14-3),14.1.1 本征半导体,一、本征半导体的结构,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,原子结构图,(14-4),本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,(14-5),硅和锗的共价键结构,共价键、共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(1
3、4-6),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(14-7),二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载
4、流子、自由电子和空穴,(14-8),自由电子,空穴,束缚电子,自由电子、空穴成对出现,(14-9),2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。,自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动,(14-10),温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.自由电子做定向运动所形成的电子
5、电流。2.仍被原子核束缚的价电子填补空穴形成的空穴电流。,(14-11),14.1.2 N 型半导体和P 型半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,(14-12),一、N 型半导体,多余电子,磷原子,(14-13),N 型半导体中的载流子是什么？,1.由五价元素提供的电子，浓度与五价元素原子相同。,2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。,因掺杂浓度远大于本征半导体中载流
6、子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,(14-14),二、P 型半导体,空位,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,空穴,(14-15),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。一般近似认为多子与杂质浓度相等。,(14-16),4.在外加电压作用下，P 型半导体中电流主要 是，N 型半导体中电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a
7、.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,b,a,课堂练习,(14-17),PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,14.2 PN 结及其单向导电性,(14-18),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。,(14-19),P型半导体,N型半导体,当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(14-20),空
8、间电荷区,N 型区,P 型区,电位V,V0,(14-21),1.空间电荷区中几乎没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N区中的自由电子（都是多子）向对方运动（扩散运 动）。,3.P 区中的自由电子和N 区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,(14-22),PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P 区加正电压、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负电压、N 区加正电压。,(14-23),一、PN 结加正向电压,P,N,内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向电流。,(14-24),二、P
9、N 结加反向电压,N,P,+,_,R,E,内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,(14-25),总结：,1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻，反向电流很小。,PN 结具有单向导电性,(14-26),14.3 二极管,发光 稳压 整流,检波 开关,(14-27),常见二极管外形图,(14-28),一、基本结构：PN 结加上管壳和引线。,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。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,用于集成电路制作工艺中
10、。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(14-29),硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压，二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,二、伏安特性：,非线性,(14-30),三、主要参数,1.最大整流电流 IOM,二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。电流超过允许值时，PN结过热会损坏管子。,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，一般是反向击穿电压U(BR
11、)的一半或三分之二。点接触型D 管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,(14-31),3.反向峰值电流 IRM,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（几微安），锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，它可应用于整流、检波、限幅、保护等等。,(14-32),导通压降,实际二极管：正向导通-硅 0.60.8V 锗 0.20.3V 死区电压-硅 0.5V 锗 0.1
12、V,定性分析：判二极管的工作状态-导通、截止,二极管电路分析,死区电压,(14-33),理想二极管：正向导通-管压降为零 反向截止-相当于断开,(14-34),二极管电路分析,分析方法：,1.断开二极管,2.a)分析其两端电位高低，b)或其两端所加电压 UD 的正负。,3.a)V阳 V阴 导通 V阳 0 导通 UD 0 截止,(14-35),二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0,二极管的应用举例例1：二极管半波整流,(14-36),例2：二极管的检波应用,uO,P11：例14.3.1,uR：R和C构成微分电路,作用：除去正尖脉冲,(14
13、-37),例3：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?,方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。,解：,P12：例14.3.2,作用：钳位,(14-38),ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：理想二极管，画出 uo 波形。,8V,例4：,二极管的用途：整流、检波、钳位、限幅、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,(14-39),例5：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?,方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。,解：,P12：例14.3.2,(14-40),例6：,-0.3V,2.7V,2.7V,2.7V,设二极管的导通压降为0.3伏。,(14-41),例7：,设二极管的导通压降为0.3伏。,0.3V,0.3V,0.3V,3.3V,第十四章课后习题,P13:14.3.8-二极管的应用(双)：限幅 P32：14.3.8-二极管的应用：与门 P34:14.4.3-稳压管的应用14.5.8-晶体管：工作区14.6.1-发光二极管及综合P35:14.5.11-综合应用(选做),
