1、(14-1)第十四章 二極管和三極管 14.1 半導體的導電特性 14.2 PN結及其單向導電性 14.3 二極管 14.4 穩壓二極管 14.5 晶體管 14.6 光電器件第1頁/共85頁(14-2)導 體：自然界中很容易導電的物質稱為導體，金 屬一般都是導體。絕緣體：有的物質幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：另有一類物質的導電特性處于導體和絕緣體之間，稱為半導體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。14.1 半導體的導電特性半導體的導電特性導體、半導體和絕緣體第2頁/共85頁(14-3) 半導體的導電機理不同于其它物質，所以它具有不同于其它物質的特點。例如： 當

2、受外界熱和光的作用時，它的導電能 力明顯變化 - 熱敏特性、光敏特性。 往純凈的半導體中摻入某些雜質，會使 它的導電能力明顯改變 - 摻雜特性。第3頁/共85頁(14-4) 本征半導體一、本征半導體的結構GeSi 通過一定的工藝過程，可以將半導體制成晶體。 現代電子學中，用的最多的半導體是硅(Si)和鍺(Ge)，它們的最外層電子（價電子）都是四個。第4頁/共85頁(14-5)本征半導體：完全純凈的、結構完整的半導體晶體。在硅和鍺晶體中，每個原子都處在正四面體的中心，而相鄰四個原子位于四面體的頂點，每個原子與其相鄰的原子之間形成共價鍵，共用一對價電子。硅和鍺的晶體結構：第5頁/共85頁(14-6

3、)硅和鍺的共價鍵結構共價鍵共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子第6頁/共85頁(14-7) 共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子，因此本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。 共價鍵形成后，每個原子最外層電子是八個，構成比較穩定的結構。 共價鍵有很強的結合力，使原子規則排列，形成晶體。+4+4+4+4第7頁/共85頁(14-8)二、本征半導體的導電機理在絕對0度（T=0K）和沒有外界激發時,價電子完全被共價鍵束縛，本征半導體中沒有可以自由運動的帶電粒子（即載流子），它的導電能力為 0，相當于絕緣體。在常

4、溫下，由于熱激發，使一些價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為自由電子，同時共價鍵上留下一個空位，稱為空穴。1.載流子、自由電子和空穴第8頁/共85頁(14-9)+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子第9頁/共85頁(14-10)2.本征半導體的導電機理+4+4+4+4 在其它力的作用下，空穴可吸引附近的電子來填補，其結果相當于空穴的遷移，而空穴的遷移相當于正電荷的移動，因此可認為空穴是載流子。 本征半導體中存在數量相等的兩種載流子：自由電子和空穴。自由電子：在晶格中運動；空穴：在共價鍵中運動第10頁/共85頁(14-11) 溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導體的導電能力越強，溫度是影響

5、半導體性能的一個重要的外部因素，這是半導體的一大特點。本征半導體的導電能力取決于載流子的濃度。本征半導體中電流由兩部分組成： 1. 自由電子移動產生的電流。 2. 空穴移動產生的電流。第11頁/共85頁(14-12) N 型半導體和P 型半導體 在本征半導體中摻入某些微量的雜質，會使半導體的導電性能發生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子的濃度大大增加。P 型半導體：空穴濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（空穴半導體）。N 型半導體：自由電子濃度大大增加的雜質半導體，也稱為（電子半導體）。第12頁/共85頁(14-13)一、N 型半導體+4+5+4+4多余電子磷原子在硅或鍺晶體中摻入少量的，

6、晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，磷原子的最外層有五個價電子，其中四個與相鄰的半導體原子形成共價鍵，必定多出一個電子，這個電子幾乎不受束縛，很容易被激發而成為自由電子，這樣磷原子就成了不能移動的帶正電的離子。每個磷原子給出一個電子，稱為施主原子。第13頁/共85頁(14-14)N 型半導體中的載流子是什么？1.由施主原子提供的電子，濃度與施主原子相同。2.本征半導體中成對產生的自由電子和空穴。 因摻雜濃度遠大于本征半導體中載流子濃度，所以自由電子濃度遠大于空穴濃度。自由電子稱為多數載流子（多子），空穴稱為少數載流子（少子）。 第14頁/共85頁(14-15)二、P 型半導體在硅或鍺晶體中摻

7、入少量，晶體點陣中的某些半導體原子被雜質取代，硼原子的最外層有三個價電子，與相鄰的半導體原子形成共價鍵時，產生一個空位。這個空位可能吸引束縛電子來填補，使得硼原子成為不能移動的帶負電的離子。由于硼原子接受電子，所以稱為受主原子。+4+4+3+4空位硼原子P 型半導體中空穴是多子，自由電子是少子。空穴第15頁/共85頁(14-16)三、雜質半導體的示意表示法P 型半導體+N 型半導體 雜質型半導體中多子和少子的移動都可形成電流，但由于數量關系，起導電作用的主要是多子，受溫度影響較小。 一般近似認為多子與雜質濃度相等。第16頁/共85頁(14-17) 課堂練習 第17頁/共85頁(14-18)PN

8、 結的形成在同一片半導體基片上，分別制造P 型半導體和 N 型半導體，經過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了PN 結。14.2 PN 結及其單向導電性結及其單向導電性第18頁/共85頁(14-19)P型半導體N型半導體+擴散運動內電場E漂移運動擴散的結果是使空間電荷區逐漸加寬。內電場越強，漂移運動就越強，而漂移的結果使空間電荷區變薄。空間電荷區，也稱耗盡層。第19頁/共85頁(14-20)P型半導體N型半導體+擴散運動內電場E漂移運動 當擴散和漂移這一對相反的運動最終達到平衡時，相當于兩個區之間沒有電荷運動，空間電荷區的厚度固定不變。第20頁/共85頁(14-21)+空間電荷區N 型區P

9、型區電位VV0第21頁/共85頁(14-22)1.空間電荷區中幾乎沒有載流子。2.空間電荷區中內電場阻礙P 區中的空穴、N區中的自由電子（都是多子）向對方運動（擴散運 動）。3.P 區中的自由電子和N 區中的空穴（都是少子），數量有限，因此由它們形成的電流很小。注意:第22頁/共85頁(14-23)PN結的單向導電性 PN 結加上正向電壓、正向偏置的意思都是： P 區加正電壓、N 區加負電壓。 PN 結加上反向電壓、反向偏置的意思都是： P區加負電壓、N 區加正電壓。第23頁/共85頁(14-24)一、PN 結加正向電壓內電場外電場變薄PN+RE+_ 內電場被削弱，多子擴散加強，能夠形成較大的

10、正向電流。第24頁/共85頁(14-25)二、PN 結加反向電壓+內電場外電場變厚NP+_RE 內電場被加強，多子擴散受到抑制，少子漂移加強，但因少子數量有限，只能形成較小的反向電流。第25頁/共85頁(14-26)總結： 1、加正向電壓時，PN結處于導通狀態，呈低電阻，正向電流較大。 2、加反向電壓時，PN結處于截止狀態，呈高電阻， 反向電流很小。PN 結具有單向導電性第26頁/共85頁(14-27)14.3 二極管發光 穩壓 整流檢波 開關第27頁/共85頁(14-28)第28頁/共85頁(14-29)一、基本結構：PN 結加上管殼和引線。第29頁/共85頁(14-30)UI反向擊穿電壓U

11、(BR)導通壓降正向特性反向特性死區電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內保持常數。 二、伏安特性：非線性第30頁/共85頁(14-31)三、主要參數1. 最大整流電流 IOM二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓URWM保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓U(BR)的一半或三分之二。點接觸型D 管為數十伏，面接觸型D管可達數百伏。通常二極管擊穿時，其反向電流劇增，單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。第31頁/共85頁(14-32)3. 反向峰值電流 IRM指二極管加反向峰值工作電壓時的反向電流。反向電流越大，說明二極管的單向導電性

12、越差。反向電流受溫度影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小（ V陰 導通 V陽 0 導通 UD VB故：DA優先導通 DB截止若：DA導通壓降為0.3V則：VY = 2.7V解：P12：例DA-12VVAVBVYDBR第37頁/共85頁(14-38)已知：管子為鍺管，VA = 3V，VB = 0V。導通壓降為0.3V，試求：VY = ?方法：先判二極管誰優先導通， 導通后二極管起嵌位作用 兩端壓降為定值。因：VA VB故： DB 優先導通 DA截止若： DB導通壓降為0.3V則：VY = 0.3V解：P12：例DAVAVBDBVY+12VR第38頁/共85頁(14-39)FD1D2AB

13、-12V12頁例-0.3V2.7V2.7V2.7V設二極管的導通壓降為0.3伏。第39頁/共85頁(14-40)FD1D2AB+12V設二極管的導通壓降為0.3伏。0.3V0.3V0.3V3.3V第40頁/共85頁(14-41)V sin18itu t 第41頁/共85頁(14-42)二極管的應用 - 檢波RRLuIuRuOP11：例uR：R和C構成微分電路tttuIuRuOt1t2第42頁/共85頁(14-43)作業返回第43頁/共85頁(14-44)UI反向擊穿電壓U(BR)導通壓降死區電壓PN+PN+ 反向電流在一定電壓范圍內保持常數。 伏安特性：非線性第44頁/共85頁(14-45)U

14、I 理想二極管：正向導通 - 管壓降為零 反向截止 - 相當于斷開導通壓降死區電壓第45頁/共85頁(14-46)符號 UZIZIZM UZ IZ伏安特性 穩壓管正常工作時，需加反向電壓，工作于反向擊穿區。使用時要加限流電阻_+UIO14.4 穩壓二極管曲線越陡電壓越穩第46頁/共85頁(14-47)(1) 穩定電壓 UZ 穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2) 電壓溫度系數 U 環境溫度每變化1C引起穩壓值變化的百分數。(3) 動態電阻ZZZ UIr(4) 穩定電流 IZ 、最大穩定電流 IZM(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。穩

15、壓二極管的主要參數:第47頁/共85頁(14-48)已知：Uz = 12V，IZM = 18mA，R = 1.6K。 試求：Iz = ? 限流電阻 R 的阻值是否合適？解：Iz = ( 20 Uz ) / R = ( 20-12 ) / 1.6x103 = 5mA因：IZ IC ，稱為飽和區第68頁/共85頁(14-69)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0 此區域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE UBE ，IC = IB , 且 IC = IB+ UBE 0 CT E ICIEIB+UCEB - UBC IC+IEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ BBII/CCCCIUR0CEU第71頁/共85頁(14-72)(3) 截止區：發射結反偏，集電結反偏。 UBE 死區電壓，IB=0 ， IC=ICEO 0 IC = 0IB = 0+UCE UCCIEB+ UBE 0 CT E - UBC Vb Ve PNP: Vc = min , Ve Vb Vc方法：先確定 b、e 、c 腳 , 然后確定材料、類型a：腳2 = b 腳 腳3 = e 腳 腳1 = c 腳 硅管, NPN管b： 腳2 = b 腳 腳3 = e 腳 腳1 = c 腳 鍺管, PNP管PNP管NPN管+第81頁/共85頁(14-82