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1、第4章 半导体二极管和三极管,内容主要有：半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性半导体器件的结构、工作原理、工作特性、参数 半导体器件主要包括：半导体二极管（包括稳压管）三极管,4.1 PN结,1.半导体 半导体的物理特性物质根据其导电性能分为 导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之 间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。,半导体的物理特性,半导体的导电能力具有独特的性质。温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长；纯净的半导体受到光照时，导电能力明
2、显提高。半导体为什么具有以上的导电性质？,半导体的晶体结构,半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。,单晶半导体结构特点共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。图4-1(b)是晶体共价键结构的平面示意图。,半导体的晶体结构,半导体的晶体结构,2.半导体的导电原理,本征半导体（Intrinsic Semiconductor）纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子载流子的多少。,本征半导体
3、,本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=273）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。,半导体中的载流子自由电子空穴（Hole）空穴和自由电子同时参加导电，是半导体的重要特点价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴带正电荷。,本征半导体,在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发（Intrinsic Excitation）。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。空穴是载流子吗？,本征半导体,动画,空
4、穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。,图4-1(b)晶体共价键结构平面示意图,本征半导体,由于空穴带正电荷，且可以在原子间移动，因此，空穴是一种载流子。半导体中有两种载流子：自由电子载流子（简称电子）和空穴载流子（简称空穴），它们均可在电场作用下形成电流。,本征半导体,半导体由于热激发而不断产生电子空穴对，那么，电子空穴对是否会越来越多，电子和空穴浓度是否会越来越大呢？实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程,本征半导体,综上所述：,(1)半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，电子带负电，空穴带正电。(2)本征半导体中，电子和
5、空穴总是成对地产生，ni=pi。(3)半导体中，同时存在载流子的产生和复合过程。(自由电子在运动过程中能量减少,又可能填补空穴恢复共价键),杂质半导体,本征半导体的电导率很小，而且受温度和光照等条件影响甚大，不能直接用来制造半导体器件。本征半导体的物理性质：纯净的半导体中掺入微量元素，导电能力显著提高。掺入的微量元素“杂质”。掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。,常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑通过控制掺入的杂质元素的种类和数量来制成各种各样的半导体器件。杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。,杂质半导体,N型半导体,在本征半导体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由
6、电子浓度大为增加，形成N型半导体。掺入的五价杂质原子占据晶格中某些硅（或锗）原子的位置。,杂质半导体中仍有本征激发产生的少量电子空穴对。自由电子的数目高，故导电能力显著提高。把这种半导体称为N型半导体，其中的电子称为多数载流子（简称多子），空穴称为少数载流子（简称少子）。在N型半导体中自由电子数等于正离子数和空穴数之和，自由电子带负电，空穴和正离子(杂质原子)带正电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。,N型半导体,P型半导体,在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。,空位吸引邻近原子的价电子填充，从而留下一个空穴。,在P型半导体中，空穴数等于负离
7、子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。,综上所述：,(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多子浓度决定于杂质浓度，少子由本征激发产生，其浓度与温度有关。,载流子的漂移运动和扩散运动,漂移运动（Drift Movement）有电场力作用时，电子和空穴便产生定向运动，称为漂移运动。漂移运动产生的电流称为漂移
8、电流。,扩散运动,由于浓度差而引起的定向运动称为扩散运动（Diffusion Movement），载流子扩散运动所形成的电流称为扩散电流。扩散是由浓度差引起的，所以扩散电流的大小与载流子的浓度梯度成正比。,3.PN结的形成,PN结：是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。,浓度差引起载流子的扩散。,3.PN结的形成,扩散的结果形成自建电场。,自建电场阻止扩散，加强漂移。,动态平衡。扩散=漂移,3.PN结的形成,动画,4.PN结的特性,PN结的单向导电性 PN结外加正向电压,如图所示，电源的正极接
9、P区，负极接N区，这种接法叫做PN结加正向电压或正向偏置。,动画,PN结外加正向电压,PN结外加正向电压时（P正、N负），空间电荷区变窄。不大的正向电压，产生相当大的正向电流。外加电压的微小变化，扩散电流变化较大。,PN结外加反向电压,如图所示，电源的正极接N区，负极接P区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。,PN结外加反向电压,流过PN结的电流主要是少子的漂移决定的，称为PN结的反向电流。,PN结的反向电流很小，而且与反向电压的大小基本无关。PN结表现为很大的电阻，称之截止。,PN结加反向电压时，空间电荷区变宽，自建电场增强，多子的扩散电流近似为零。反向电流很小，它由少数载流子形成，与
10、少子浓度成正比。少子的值与外加电压无关，因此反向电流的大小与反向电压大小基本无关，故称为反向饱和电流。温度升高时,少子值迅速增大，所以PN结的反向电流(反向饱和电流)受温度影响很大。,PN结外加反向电压,结论：,PN结的单向导电性：PN结加正向电压产生大的正向电流，PN结导电。PN结加反向电压产生很小的反向饱和电流，近似为零，PN结不导电。,PN结的伏安特性,定量描绘PN结两端电压和流过结的电流的关系的曲线PN结的伏安特性。根据理论分析，PN结的伏安特性方程为,外加电压,流过PN结的电流,电子电荷量q=1.610-19C,反向饱和电流,绝对温度(K),玻耳兹曼常数k=1.3810-23J/K,
11、自然对数的底,PN结的伏安特性,令,在常温下，T=300K，,则,当U大于UT数倍,即正向电流随正向电压的增加以指数规律迅速增大。,PN结的伏安特性,外加反向电压时，U为负值，当|U|比UT大几倍时，,IIS即加反向电压时，PN结只流过很小的反向饱和电流。,PN结的伏安特性,曲线OD段表示PN结正向偏置时的伏安特性，称为正向特性；曲线OB段表示PN结反向偏置时的伏安特性，称为反向特性。,画出PN结的理论伏安特性曲线。,PN结的反向击穿,加大PN结的反向电压到某一值时，反向电流突然剧增，这种现象称为PN结击穿，发生击穿所需的电压称为击穿电压，如图所示。反向击穿的特点：反向电压增加很小，反向电流却
12、急剧增加。,PN结的电容效应,除了单向导电性之外,PN结还存在电容效应。势垒电容CB 指外加电压的极性和大小发生变化时,导致空间电荷区存储电荷的变化，从而显示出电容效应。几皮法几百皮法。扩散电容CD 在PN结边界附近积累的载流子增多,相当电荷的充入.当正向电压减少时,积累在PN结边界附近的不平衡少子减少,相当电荷的放出.(当PN结加正向电压时,N区多子扩散到P区后称为P区的不平衡少子),PN结的电容效应,PN结的电容很小，是针对高频交流小信号而考虑。PN结反向工作时，势垒电容起主要作用，正向工作时扩散电容起主要作用。PN结的面积增大时，PN结的电容也增大。,4.2 半导体二极管,1.半导体二极
13、管的结构和类型在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,1.半导体二极管的结构和类型,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,往往用于集成电路制造中。PN 结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(3)平面型二极管,(2)面接触型二极管,(4)二极管的代表符号,(b)面接触型,半导体二极管图片,半导体二极管图片,半导体二极管图片,2.二极管的伏安特性,二极管的伏安特性的测出。,2.二极管的伏安特性,二极管的伏安特性曲线可用下式表示,正向特性死区电压：(oc段,只有当
14、正向电压超过某一数值时,才有明显的正向电流,这个电压就是)硅管 0.5V,锗管 0.1V线性区(CD段)：硅管 0.6V1V 锗管 0.2V0.5V 对温度变化敏感：温度升高正向特性曲线左移温度每升高1正向压降减小约2mV。,2.二极管的伏安特性,(a)二极管理论伏安特性,正向特性,2.二极管的伏安特性,反向特性反向电流：很小。硅管 0.1微安 锗管 几十个微安受温度影响大：温度每升高10 反向电流增加约1倍。反向击穿特性反向击穿UBR:几十伏以上。,(a)二极管理论伏安特性,反向击穿特性,反向特性,3.二极管的主要参数,最大整流电流IF 最大反向工作电压UR 反向电流IR 最高工作频率fM,
15、4.二极管的等效电路及应用,二极管特性曲线的非线性，给二极管电路的分析带来一定困难。为了简化分析，常常要做一些近似处理，可用某些线性电路元件来等效二极管，画出二极管的等效电路。最常用的近似方法有二种。,理想二极管等效电路,uD,iD,o,理想二极管等效电路,如果二极管导通时的正向压降远远小于和它串联的电压，二极管截止时的反向电流远远小于与之并联的电流，则可以忽略二极管的正向压降和反向电流，把二极管理想化为一个开关，如图所示。,考虑正向压降的等效电路,在二极管充分导通且工作电流不是很大时，二极管的正向压降UD变化不大（例如硅管约为0.60.8V），因此近似认为二极管正向导通时有一个固定的管压降U
16、D（硅管取0.7V，锗管取0.2V），于是可用一固定电压源来等效正向导通的二极管。当外加电压UUD时，二极管不通，电流为零，相当于开路。图中画出了这种近似等效电路。,考虑正向压降的等效电路,考虑正向压降的等效电路,二极管电路的分析方法,二极管电路有两种基本分析方法。图解法，其做法为：利用二极管伏安特性曲线，用做负载线的方法来分析电路。计算分析法，其做法为：根据不同的条件利用二极管的等效电路来近似分析和计算电路。这种方法简便易行，误差较小，是常用的分析方法。下面将结合例子来说明各种分析方法。,由于二极管具有单向导电性，因此利用它可以进行交流电到直流电的转换。这样的电路叫整流电路(Rectifie
17、r Circuits)。图(a)就是一个实用的单相桥式全波整流电路，常应用于直流稳压电源中。四个二极管Dl D4接成电桥形式。设交流电源u为：,二极管电路的分析方法,动画,在一般整流电路中，交流电压幅值Um都要远远大于二极管的正向压降UD，因此常近似为UD=0，可以用理想二极管等效电路来分析电路的工作原理。当交流电源u0时，二极管Dl、D3导通，相当于开关闭合；D2、D4截止，相当于开关断开，如图(b)所示。因此输出电压uO=u。,二极管电路的分析方法,当u 0时，二极管D2、D4导通，Dl、D3截止，如图(c)所示。因此uO=-u。,uo,二极管电路的分析方法,图(a)是一个二极管组成的限幅
18、电路(Clipping Circuit)。这种电路常用于有选择地传输信号波形的一部分，所传输的波形部分处在电路设定的参考电压以上或以下。,二极管电路的分析方法,电路中u为交流正弦电压信号。UR为直流参考电压源。D为普通二极管。现在用考虑正向压降的二极管等效电路来分析电路的工作情况。若D为硅管，则正向导通压降UD=0.7V。从而得到图(b)的等效电路。,二极管电路的分析方法,从图(b)的等效电路可见，当u0且uUR+UD时，二极管D导通，开关闭合，输出电压UO=UR十UD。当uUR+UD时，二极管D截止，开关断开，输出电压uO=u。,二极管电路的分析方法,画出uO的波形。电路将输出电压限制在UR
19、+UD以下，可以采用理想二极管等效电路来进行分析，那么uO的波形将近似在UR电压以上削顶。,（c）,二极管电路的分析方法,4.3 双极型三极管,1.晶体管的结构和类型有NPN和PNP两种结构类型。核心部分都是两个PN结。,1.晶体管的结构和类型,1.晶体管的结构和类型,PNP型,1.晶体管的结构和类型,NPN型,1.晶体管的结构和类型,三极管在结构上的两个特点：(1)掺杂浓度：发射区集电区基区；(2)基区必须很薄。,2.晶体管的电流分配关系和放大作用,内部条件外部条件 发射结正偏，集电结反偏。电路接法：共基接法。,共射接法。,2.晶体管的电流分配关系和放大作用,晶体管内部载流子的运动,发射区向
20、基区注入电子的过程(发射区多子向基区扩散,形成电流IE)电子在基区中的扩散过程(注入的电子只有极少数复合,形成IB)电子被集电极收集的过程(非平衡少子扩散到集电结边界,形成ICN,同时少子漂移,形成反向饱和电流ICBO),晶体管的电流分配关系,晶体管的电流分配关系,令：,若,系数 代表iB对iC的控制作用的大小，越大，控制作用越强。,晶体管的电流分配关系,电流iC由两部分组成：一部分是ICEO，它是iB=0时流经集电极与发射极的电流，称为穿透电流。,另一部分是，它表示iC中受基极电流iB控制的部分。,晶体管的放大作用,晶体管放大作用的本质：iB对iC或iE对iC的控制作用。,为什么能实现放大呢
21、？,基极电流是由发射结间电压控制的,较小的结间电压变化,就会使基极电流产生相应的变化,再通过iB对iC的控制作用,在集电极回路引起了iC对应的幅度上放大了倍的变化.,关于PNP型晶体管,PNP管与NPN管之间的差别：(1)电压极性不同。(2)电流方向不同。,4.晶体管的主要参数,晶体管的参数是用来表示晶体管的各种性能指标。电流放大系数,共射直流电流放大系数,它表示集电极电压uCE一定时，集电极电流和基极电流之间的关系,如果iCICEO则,电流放大系数,A点对应的iC=6mA，iB=40A,电流放大系数,晶体管3AX3有较大的穿透电流ICEO,0.8,2,3,4,6,8,表示集电极负载短路（即u
22、CE保持不变）的条件下，集电极电流的变化量与相应的基极电流变化量之比，即,共射交流短路电流放大系数,大表示只要基极电流很小的变化，就可以控制产生集电极电流大的变化，即电流放大作用好。,值的求法：,在A点附近找两个uCE相同的点C和D,所以,对应于C点，iC=8.8mA，iB=60A；,对应于D点，iC=3.3mA，iB=20A，,iC=8.8-3.3=5.5mA，,iB=60-20=40A，,共射交流短路电流放大系数,用同样办法可以求出3AX3工作在B点的 值。,找出F点和G点，对应于F点，iC=3.9mA，iB=0.06mA；对应于G点，iC=1.8mA，iB=0.02mA；于是iC=3.9
23、-1.8=2.lmA，iB=0.06-0.02=0.04mA，,所以=2.1/0.04=52.5,共射交流短路电流放大系数,定义,根据晶体管的电流分配关系，可以得到下列换算关系,共基直流电流放大系数 和共基交流电流放大系数,与,与,的数值相差很小,在后面的分析里,只用共基极电流放大系数 与共射极电流放大系数,而不区分是直流或是交流,极间反向电流,集电极-基极反向饱和电流ICBOICBO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流，也就是集电结的反向饱和电流。可用下图电路测出。,集电极-基极反向饱和电流ICBO,反向电压大小改变时，ICBO的数值可能稍有改变。ICBO是少数载流子电流，
24、受温度影响很大，ICBO越小越好。硅管的ICBO比锗管的小得多，要求在温度变化范围宽的环境下工作时，应选用硅管；大功率管的ICBO值较大，使用时应予以注意。,穿透电流ICEO,ICEO是基极开路，集电极与发射极间加反向电压时的集电极电流。由于这个电流由集电极穿过基区流到发射极，故称为穿透电流。测量ICEO的电路如图所示。,极限参数,集电极最大允许耗散功率PCM,晶体管电流iC与电压uCE的乘积称为集电极耗散功率PC=iCuCE，这个功率将导致集电结发热，温度升高。因此，定出了集电极最大允许耗散功率PCM，工作时管子消耗的平均功率PC必须小于PCM。,反向击穿电压,反向击穿电压是指各电极间允许加
25、的最高反向电压。U(BR)CBO是发射极开路时，集电极-基极间的反向击穿电压。U(BR)CEO是基极开路时，集电极-发射极间的反向击穿电压。U(BR)EBO是集电极开路时，发射极-基极间的反向击穿电压。,U(BR)CBOU(BR)CEOU(BR)EBO。,集电极最大允许电流ICM,集电极电流如果超过ICM，晶体管的放大性能就要下降甚至可能损坏。PCM、U(BR)CEO和ICM三个极限参数，决定了晶体管的安全工作区。频率参数用来评价晶体管高频放大性能的参数。,3.晶体管的特性曲线,晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压和电流之间的关系曲线。,iC+iB=iE uCE=uBEuBC,通常是以发射极为
26、公共端，画出iC、iB，uCE和uBE四个量的关系曲线，称为共射极特性曲线。,共射输入特性,uCE为一固定值时，iB和uBE之间的关系曲线称为共射输入特性，即,输入特性有以下几个特点：,当uCE=0时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线形状类似。,uCE增加，特性曲线右移。uCE的大小影响基区内集电结边界电子的分布。uCE1V以后，特性曲线几乎重合。uCE1V以后，基区中集电结边界处的电子浓度很低。与二极管的伏安特性相似正常工作时 uBE=0.7V(Si)uBE=0.2V(Ge),共射输入特性,共射输出特性,iB为固定值时，iC和uCE之间的关系曲线称为共射输出特性，即,共射输出特性,截止
27、区:指iB0，iCICEO的工作区域。在这个区域中，电流iC很小，基本不导通，故称为截止区。工作在截止区时，晶体管基本失去放大作用。,共射输出特性,实际上，三极管在iB=0时并没有完全截止。为使三极管真正截止，必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向基区注入载流子。,共射输出特性,饱和区:指输出特性中iC上升部分与纵轴之间的区域。饱和区特性曲线的特点是固定iB不变时，iC随uCE的增加而迅速增大。,共射输出特性,饱和区是对应于uCE较小（uCEUr，uBC0)。,饱和时的 值称为饱和压降,共射输出特性,放大区:输出特性上在饱和区和截止区之间的区域为放大区。在这个区域里，iB0，uCEuBE，即发
28、射结是正向偏置，集电结是反向偏置。,共射输出特性,放大区的特点：iB固定，uCE增加iC略有增加。uCE固定，iB变化iC变化很大，iB对iC的强烈控制作用。,5.温度对晶体管参数的影响,主要考虑温度对下述三个参数的影响：共射短路电流放大系数 基射极间正向电压uBE集电结反向饱和电流ICBO。,温度对ICBO的影响,ICBO是少数载流子形成的电流 温度每升高10，ICBO增加约一倍。公式为：,通常手册上给出的ICBO是温度为25时的值，如果实际工作温度高于25，则应用上式算出实际值。,温度对 的影响,温度升高时 随之增大。一般的，温度每升高1，增加约(0.51)%，即,称为 的温度系数。,晶体管的曲线随温度升高间距增大。,温度对 的影响,
