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1、第九章 二极管和晶体管,9.1半导体的导电性,9.2二极管,9.3稳压二极管,9.4晶体管,9.5光电器件,9.1 半导体的导电特性,半导体它的导电能力介于导体和绝缘体之间。如硅、锗、硒及大多数金属氧化物和硫化物等都是半导体。,半导体的导电特性主要表现在其导电能力在不同条件下具有很大的差别：,（1）有的半导体对温度的反映特别灵敏。环境温度增高时，其导电能力要增强很多。,（2）有的半导体对光照的反映特别灵敏，当受到光照时，其导电能力要增强很多；当不受到光照时，又变得象绝缘体那样不导电。,（3）如果在纯净的半导体中掺入微量的某种杂质，其导电能力要增强很多。,半导体的导电特性，在不同条件下具有很大的
2、差别，是由其内部结构的特殊性所决定的。,1 本征半导体,目前最常用的半导体材料是硅和锗，它们的原子最外层都有四个价电子，都是四价元素。将硅和锗提纯（去掉无用杂质）并形成单晶体，即本征半导体。,共价键,在本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻的四个原子相结合。结合方法是，每一个原子的一个价电子与相邻的另外一个原子的一个价电子组成一个电子对，称为共价键。由于共价键的形成，每一个原子的最外层实际上相当于有8个价电子，在通常情况下，这8个价电子处于相对稳定的状态，但在获得一定能量后（温度升高或受光照）即可挣脱原子核的束缚而成为自由电子。,Si,Si,Si,Si,共价键,在价电子挣脱原子核的束缚而成为
3、自由电子后，共价键中就留下一个空位，称为空穴。这时原子带正电，也可以认为原子中出现了带正电的空穴。带正电的空穴要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴；新的空穴又要吸引相邻的共价键中的价电子，来填补空穴。如此继续下去，就好象带正电的空穴在运动。,（1）半导体中存在自由电子和空穴两种载流子。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断复合。在一定条件下（温度下）载流子的产生和复合达到动态平衡，于是载流子便维持一定数目。温度越高或受光照越强，载流子数目越多，半导体的导电性能也就越好，所以温度或光照对半导体的导电性能影响很大。,（2）当半导体两端加上电压后，半导体中将出现两部分电流。一部分
4、是自由电子作定向运动所形成的电子电流，另一部分是价电子或自由电子填补空穴所形成的空穴电流。在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体的最大特点，也是半导体和导体导电的本质区别。,结 论,2 N型半导体和P型半导体,本征半导体中虽然有自由电子和空穴两种载流子，但由于数量极少，所以导电能力很低。如果在本征半导体中掺入微量的某种杂质（某种元素），将使掺杂后的半导体（杂质半导体）的导电能力大大增强。由于掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两类。,电子半导体（N型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入磷（或其它五价元素）。磷原子的最外层有五个价电子，是五价元素。由于掺入硅或锗晶体中的磷原子数比硅或锗的原子
5、数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被磷原子所取代。磷原子参加共价键结构只需要四个价电子，多余的第五个价电子很容易挣脱原子核的束缚而成为自由电子。于是这种半导体中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。在这种半导体中，自由电子是多数载流子，而空穴是少数载流子。,多余电子,2.1 N型半导体,空穴半导体（P型半导体）是在硅或锗的晶体中掺入硼（或其它三价元素）。硼原子的最外层有三个价电子，是三价元素。由于掺入硅或锗晶体中的硼原子数比硅或锗的原子数少得多，因此整个晶体结构不变，只是某些位置上的硅或锗原子被硼原子所取代。硼原子在参加共价键结构时，将因缺少一
6、个价电子而形成一个空穴。于是这种半导体中空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式。在这种半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。,填补空穴,空穴,2.2 P型半导体,注意：不论 N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整个晶体结构都是不带电的。,9.2 PN结及其单向导电性,P型半导体或N型半导体的导电能力虽然比本征半导体的导电能力大大增强，但并不能直接用来制造半导体器件。通常是在一块晶片上，采取一定的掺杂工艺措施，在晶片两边分别形成P型半导体和N型半导体，那么它们的交接面就形成了PN结。PN结才是构成各种半导体器件的基础。,1 PN结的形成,P型半
7、导体,N型半导体,假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（P离子）带正电。由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。,P型半导体,N型
8、半导体,假设有一块晶片，两边分别形成了P型半导体和N型半导体。在P型半导体中，得到一个电子的三价杂质离子（B离子）带负电；在N型半导体中，失去一个电子的五价杂质离子（P离子）带正电。由于P区有大量的空穴，而N区的空穴极少，因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散；同样道理，由于N区有大量的自由电子，而P区的自由电子极少，因此自由电子要从浓度大的N区向浓度小的P区扩散。双方的扩散首先在交接面附近进行，这样在交接面附近的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区；在交接面附近的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这里的正负空间电荷区就是PN结。,PN结,PN结中的正负离子
9、虽然带电，但是它们不能移动，不参与导电，而在这个区域内，载流子数极少，所以空间电荷区的电阻率很高。,P型半导体,N型半导体,空间电荷区的电阻率很高,正负空间电荷在交接面两侧形成一个电场，称为内电场。内电场的方向由带正电的N区指向带负电的P区。内电场对多数载流子（P区的空穴和N区的自由电子）的扩散运动起阻挡作用；对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）则起推动作用，即推动少数载流子越过空间电荷区而进入对方，这种由少数载流子所形成的运动称为漂移运动。,P型半导体,N型半导体,扩散运动和漂移运动是相互联系，又是相互矛盾的。在开始形成空间电荷区时，多数载流子的扩散运动占优势。随着扩散运动的进行，空间
10、电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。于是多数载流子的扩散运动逐渐减弱，而少数载流子的漂移运动逐渐增强。最后，扩散运动和漂移运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本确定下来，PN结也就处于相对稳定的状态。,P型半导体,N型半导体,扩散运动使空间电荷区逐渐加宽，内电场逐渐加强。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移运动使空间电荷区变窄。,2 PN结的单向导电性,由于内电场被削弱，多数载流子的扩散运动得到加强，所以能够形成较大的扩散电流。,由于内电场被加强，少数载流子的漂移运动得到加强，但少数载流子数量有限，只能形成较小的反向电流。,结论：PN结具有单向导电性。当PN结加正向电压时，PN结电阻很低，正向电
11、流较大，PN结处于导通状态。当PN结加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截止状态。,9.3 二极管,1 基本结构,将PN结加上电极引线和管壳，就成为了半导体二极管。,图形符号,文字符号,D,点接触型一般为锗管，它的 PN结结面积很小（结电容小），适用于小电流高频电路工作，也用于数字电路中的开关元件。,面接触型一般为硅管，它的 PN结结面积大（结电容大），可以通过较大电流，工作频率较低，适用于整流电路。,2 伏安特性,（1）半导体二极管实际上是一个PN结，所以具有单向导电性。（2）半导体二极管是非线性元件。,3 主要参数,（1）最大正向电流IFM,指二极管长期工作时允许通过的最
12、大正向平均电流。点接触型二极管的最大正向电流在几十毫安以下；面接触型二极管的最大正向电流较大，如2CP10型硅二极管的这个电流为100mA。实际工作时，二极管通过的电流不应超过这个数值，否则将因管子过热而损坏。,（2）最高反向工作电压UDRM,指二极管不被击穿所容许的最高反向电压。一般为反向击穿电压的1/22/3。如2CP10型硅二极管的这个电压为25V，而反向击穿电压为50V。,（3）最大反向电流IRM,指二极管在常温下承受最高反向工作电压时的反向漏电流，一般很小，但受温度影响较大。反向电流大，说明二极管的单向导电性能差。硅管的反向电流较小，一般在几个微安以下；锗管的反向电流较大，为硅管的几
13、十到几百倍。,4 二极管的应用,二极管的应用范围很广，利用它的单向导电性，可组成整流、检波、限幅、嵌位等电路。还可构成其它元件或电路的保护电路，以及在数字电路中作为开关元件等。,在作电路分析时，一般将二极管视为理想元件，即认为正向电阻为零，正向导通时为短路特性，正向电压忽略不计；反向电阻为无穷大，反向截止时为开路特性，反向漏电流忽略不计。,例：图示为一正负对称限幅电路，已知ui=10sint V，Us1=Us2=5V，画出uo的波形。,解题思路：（1）当|ui|5V时，D1处于正向偏置而导通，所以uo=5V。（3)ui-5V时，D2处于正向偏置而导通，所以uo=-5V。,例：图示电路，已知ui
14、的波形，画出uo的波形。,9.4 稳压管,稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。由于它在电路中与适当数值的电阻配合，能起到稳定电压的作用，所以称其为稳压管。,1 基本结构,图形符号,文字符号,DZ,（1）稳压管的伏安特性与二极管的伏安特性类似。所不同的是稳压管的反向特性曲线比较陡。,（2）稳压管工作于反向击穿区。当稳压管反向击穿后，反向电流虽在很大范围内变化，但反向电压却变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中可以起稳压作用。,（3）稳压管与一般二极管不同，它的反向击穿是可逆的。当取掉反向电压后，稳压管又恢复正常。但是，如果反向电流超过允许范围，稳压管将发生热击穿而损坏。,2 伏安特性,3 主要参
15、数,（1）稳定电压UZ,为稳压管反向击穿后稳定工作的电压值。手册中所给的都是在一定条件下的数值，即使是同一型号的管子，由于工艺和其它方面的原因，稳压值都有一定的分散性。,（2）电压温度系数U,温度每变化1稳定电压变化的百分数。一般来说，低于6V的稳压管，其电压温度系数是负值；高于6V的稳压管，其电压温度系数是正值；而在6V左右的稳压管，其稳定电压基本不随温度变化。因此选用稳定电压为6V左右的稳压管，可得到较好的温度稳定性。,（3）动态电阻rZ,稳压管的反向特性曲线越陡，则动态电阻越小，稳压性能越好。,（4）稳定电流IZ,为稳压管正常工作时的参考电流值。手册上给出的稳定电压和动态电阻都是对应于这
16、个电流附近的数值。,（5）额定功率PZ和最大稳定电流IZM,PZ为稳压管允许结温下的最大功率损耗。IZM为稳压管允许通过的最大电流。,9.5 晶体管,半导体三极管也称晶体管，是最重要的一种半导体器件。它的放大作用和开关作用促使了电子技术的飞跃发展。,1 基本结构,同二极管一样，三极管也是由PN结加上电极引线和管壳而组成的。但三极管有两个PN结，三个电极引线。,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,发射区,基区,集电区,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,发射区,基区,集电区,NPN型,PNP型,结构示意图,注意：（1）一般基区作的很薄，掺杂浓度很低。（2）发射区的掺杂浓度高于集电区，而集电区
17、的尺寸大于发射区，所以二者不能互换。,电路符号和文字符号,NPN型,PNP型,2 电流放大作用,三极管具有电流放大作用，这是由其内部结构的特殊性和外部条件所决定的。放大的外部条件是：（1）发射结上要加正向电压（正向偏置）；（2）集电结上要加反向电压（反向偏置）。,若|UCE|UBE|0,所以三极管的发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置，满足放大的外部条件。,三极管电流放大作用的实验电路，其中三极管为 NPN型,实验：,改变RB，测量IB、IC、IE。,结论：,（1）IB+IC=IE（满足KCL）,（2）IEICIB,（3）IB虽然很小，但对IC有控制作用，即IB变大时，IC也跟着变大；IB的
18、较小变化将会引起IC的较大变化。这就是三极管的电流放大作用。,定义：,称为晶体管的静态（直流）电流放大系数,称为晶体管的动态（交流）电流放大系数,二者一般并不严格区分,共发射极接法,例,3 特性曲线,实验电路,三极管的特性曲线是用来反映三极管各级电压和电流之间相互关系的曲线。最常用的是共发射极接法时的输入特性曲线和输出特性曲线。,输入特性曲线,UCE1V,工作电压：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE为0.3左右。,死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V。,输入特性曲线应为一组曲线，但当UCE1V（对应于硅管）时，各曲线是重合的。,输出特性曲线,为一组曲线,分三个区,IB=0,20A,40A,6
19、0A,80A,100A,放大区：IC=IB，这时发射结处于正向偏置，集电结处于反向偏置。,截止区：IB=0,IC0，这时UBE 死区电压。,饱和区：IBIC，这时UCE0.3，UCE UBE，发射结和集电结都处于正向偏置。,当三极管接成共发射极时：,1.1 电流放大系数,称为晶体管的静态（直流）电流放大系数,称为晶体管的动态（交流）电流放大系数,二者一般并不严格区分,由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在输出特性曲线的放大区，才可以认为是基本恒定的。由于制造工艺的分散性，即使是同一型号的管子，值也有很大差异。常用的三极管的值在20100之间。,4 主要参数,1.2 集基极间反向截止电流IC
20、BO,ICBO是发射极开路，集电结反偏时由少子的漂移运动所形成的反向电流。其大小受温度的影响较大。ICBO越小，则管子的温度稳定性越好。硅管的温度稳定性一般好于锗管。,1.3 集-射极反向截止电流ICEO,ICEO是基极开路，集电结反偏、发射结正偏时的集电极电流，也称穿透电流。,ICEO受温度的影响也较大。ICBO越小，越小，则管子的温度稳定性越好。因此，在选择管子时，ICBO应尽可能小些，而以不超过100为宜。,集电极电流IC超过一定值时会导致值的下降。当值下降到正常值三分之二时的集电极电流，即ICM。在使用三极管时，IC超过ICM并不一定会使管子损坏，但以降低值为代价。,当基极开路时，加在
21、集电极与发射极之间的最大允许电压，称为集射极反向击穿电压U(BR)CEO。当集射极电压UCE大于U(BR)CEO时，ICEO突然大幅度上升，说明管子已被击穿。,1.4 集电极最大允许电流ICM,1.5 集射极反向击穿电压U(BR)CEO,1.6 集电极最大允许耗散功率PCM,PCM=ICUCE,PCM=ICUCE,安全工作区,实例,自动关灯电路（用于走廊或楼道照明）,=RC=5k2000F=0.01s电容C快速充电缓慢放电,9.6 光电器件,1 发光二极管,半导体显示器件主要有发光二极管，它是一种将电能直接转换成光能的固体器件，简称LED。和普通二极管相似，也是由一个PN结构成。LED多采用磷
22、砷化镓制作PN结，这钟半导体材料的PN结，在正向导通时，由于空穴和电子的复合而放出能量，发出一定波长的可见光。光的波长不同，颜色也不同，常见的LED有红、绿、黄等颜色。LED的PN结封装在透明的塑料管壳内，外形有方形、矩形和圆形等。发光二极管的驱动电压低、工作电流小，具有很强的抗振动和抗冲击能力、体积小、可靠性高、耗电省和寿命长等优点，广泛用于信号指示和传递中。,LED的伏安特性和普通二极管相似，死区电压为0.91.1V，正向工作电压为1.53V，工作电流为515mA。反向击穿电压较低，一般小于10V。,LEDLight Emitting diode,2 光电二极管,光电二极管又称光敏二极管。它的管壳上有透明聚光窗，由于PN结的光敏特性，当有光线照射时，光敏二极管在一定的反向偏压范围内，其反向电流将随光射强度的增加而线性地增加，这时光敏二极管等效于一个恒流源。当无光照时，光敏二极管的伏安特性与普通二极管一样。光电二极管可用来作为光的测量，是将光信号转换为电信号的常用器件。,发光二极管将电信号变为光信号，通过光缆传输，用光电二极管接收，再现电信号。,实例,3 光电晶体管,普通晶体管是用基极电流的大小来控制集电极电流，而光电晶体管是用入射光照度的强弱来控制集电极电流的。,符号,C,E,光电耦合器,光电耦合电路,UO,+5V,U,R1,R2,R3,T,
