第十五章半导体二极管和三极管

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第15章半导体二极管和三极管15.1 半导体的导电特性

15.2 PN结15.3 半导体二极管 15.4 稳压二极管 15.5 半导体三极管

第15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。

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。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。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。总目录章目录返回上一页下一页

15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性：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)。

15.1.1 本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，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

本征半导体的导电机理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， Si Si 成为自由电子(带负电), 同时共价键中留下一个空 Si Si 位，称为空穴(带正电)。这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产价电子生的自由电子便愈多。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

自由电子

本征半导体的导电机理当半导体两端加上外电压时，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都称为载流子。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

15.1.2 N型半导体和 P 型半导体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，称为电子半导体动画或N型半导体。失去一个电子变为正离子磷原子在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。总目录章目录返回上一页下一页

15.1.2 N型半导体和 P 型半导体Si Si

Si B–

硼原子接受一个电子变为负离子

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。在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。动画

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

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)

15.2 PN结15.2.1 PN结的形成空间电荷区也称 PN 结少子的漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

P 型半导体- - - - - -- - - - - - - - - - - -动画

内电场 N 型半导体+ + + + + + + + + + + ++ + + + + +

- - - - - -

+ + + + + +

扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。

浓度差形成空间电荷区

多子的扩散运动扩散的结果使空间电荷区变宽。总目录章目录返回上一页下一页

15.2.2 PN结的单向导电性1. PN 结加正向电压(正向偏置) P接正、N接负PN 结变窄--- - - - --- - - - --- - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + +动画

P IF + –

内电场外电场

内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

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

2. PN 结加反向电压(

反向偏置) P接负、N接正- - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + +动画

内电场外电场

–

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

内电场外电场

–

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。

PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。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一页下一页

15.3 半导体二极管15.3.1 基本结构(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。

15.3 半导体二极管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 N型硅 P 型硅阳极引线二氧化硅保护层

( 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) 面接触型图 1 – 12 半导体二极管的结构和符号总目录章目录返回上一页下一页

15.3.2 伏安特性特点：非线性反向击穿电压U(BR)

正向特性P

–

硅0.6~0.8V 导通压降锗0.2~0.3V U 硅管0.5V, 死区电压锗管0.1V。外加电压大于死区电压二极管才能导通。

反向电流在一定电压范围内保持常数。

–

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。

15.3.3 主要参数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

二极管的单向导电性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

二极管电路分析举例

导通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。定性分析：判断二极管的工作状态

否则，正向管压降

硅0.6~0.7V 锗0.2~0.3V

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( 正向偏置 ),二极管导通若 V阳 <V阴或 UD为负( 反向偏置 ),二极管截止总目录章目录返回上一页下一页

例1:

D + 3k

电路如图，求：UAB 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。

6V 12V

UAB– B