电工技术第十四章

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电工技术第十四章

电子技术

第14章二极管和晶体管14.1 半导体的导电特性

14.2 PN结及其单向导电性14.3 半导体二极管 14.4 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件

电工技术第十四章

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第14章半导体二极管和三极管本章要求：一、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；二、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；三、会分析含有二极管的电路。

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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。器件是非线性的、特性有分散性、RC 的值有误差，工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。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。总目录章目录返回上一页下一页

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14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性：

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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)。

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14.1.1 本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的鍺、硅、硒，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

硅单晶中的共价健结构

共价键中的两个电子，称为价电子。总目录章目录返回上一页下一页

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自由电子

本征半导体的导电机理

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本征激发：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)。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。

空穴价电子

在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动(相当于正电荷的移动)。总目录章目录返回上一页下一页

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本征半导体的导电机理

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半导体有两种导电粒子(载流子):自由电子、空穴当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动(漂移运动),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)价电子递补空穴空穴电流自由电子和空穴成对地产生的同时，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) 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。总目录章目录返回上一页下一页

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14.1.2 N型半导体和 P 型半导体

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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掺杂后自由电子数目 Si Si 多余大量增加，自由电子导电电成为这种半导体的主要导 p+ Si Si 子电方式，称为电子半导体或N型半导体。

失去一个电子变为正离子

磷原子

多数载流子(多子):自由电子少数载流子(少子):空穴总目录章目录返回上一页下一页

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14.1.2 N型半导体和 P 型半导体Si Si

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– Si B

掺入三价元素空穴掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。多子：空穴少子：自由电子

硼原子

接受一个电子变为负离子

无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。总目录章目录返回上一页下一页

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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)

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14.2 PN结及其单向导电性

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PN 结：P型半导体和N型半导体交界面的特殊薄层 1. PN 结加正向电压(正向偏置) P接正、N接负--- - - - --- - - - --- - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + +

P IF + –

外电场

多子在外电场作用下定向移动，形成较大的正向电流。

PN 结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。总目录章目录返回上一页下一页

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2. PN 结加反向电压(反向偏置) P接负、N接正- - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + +

外电场

少子在外电场作用下定向移动，形成很小的反向电流。

–

PN 结加反向电压时，反向电阻较大，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。总目录章目录返回上

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14.3 半导体二极管14.3.1 基本结构(一个PN结) (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。

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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

阳极引线二氧化硅保护层

N 型硅

P 型硅

( a ) 点接触型铝合金小球 N型硅

外壳

阴极引线

阳极引线 PN结金锑合金底座

( c) 平面型

阳极

D 阴极

阴极引线

( d) 符号

( b) 面接触型总目录章目录返回上一页下一页

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14.3.2 伏安特性特点：非线性反向电流在一定电压范围内保持常数。

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正向特性P

–

导通压降硅0.6~0.8V 锗0.2~0.3V U +N 死区电压硅管0.5V, 锗管0.1V。

反向击穿电压U(BR)

–

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。

外加电压大于死区电压二极管才能导通。总目录章目录返回上一页下一页

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14.3.3 主要参数

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1. 最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压URWM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。 3. 反向峰值电流IRM 指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。总目录章目录返回上一页下一页

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二极管的单向导电性

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1. 二极管加正向电压(正向偏置，阳极接正、阴极接负 )时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压(反向偏置，阳极接负、阴极接正 )时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。 3. 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。 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。总目录章目录返回上一页下一页

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二极管电路分析举例定性分析：判断二极管的工作状态

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导通截止

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若 V阳 >V阴或 UD为正，二极管导通若 V阳 <V阴或 UD为负，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零

, 反向截止时二极管相当于断开。否则，正向管压降硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V总目录章目录返回上一页下一页

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例 1:

D +

电路如图，求：UAB 3k UAB 6V 解：取 B 点作参考点， 12V 断开二极管，分析二 – B 极管阳极和阴极的电位。 V阳 =-6 V , V阴 =-12 V V阳 > V阴，二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB =- 6V 否则， UAB低于-6V一个管压降，为-6.3V或-6.7V 二极管起钳位作用。总目录章目录返回上一页下一页

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例2:

D2 D1

求：UAB3k 12V + UAB

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A 解：取 B 点作参考点，断开

二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。

– B

V1阳 =-6 V,V2阳=0 V,V1阴 = V2阴= -12 V UD1 = 6V,UD2 =12V ∵ UD2 >UD1 ∴ D2 优先导通，钳位，使D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V

12 流过 D2 的电流为 I D 2 4mA 3

D2 :钳位作用， D1:隔离作用。总目录章目录返回上一页下一页

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