页数：71页文件大小：2.18 MB来源： 电工与电子技术基础ppt课件
本课件从本征半导体与杂质半导体的导电特性入手，说明PN结的形成与单向导电性；随后讲解半导体二极管的结构、伏安特性与主要参数、整流与限幅等典型应用，稳压管的稳压原理与稳压电路，最后介绍半导体三极管的结构、电流放大作用、特性曲线与主要参数。
二极管和三极管：第5章二极管和三极管。
半导体的导电特性质：，如硅、锗、硒等。主要内容：N型半导体，P型半导体及内部载流子1、物质按照导电能力的强弱分为：•导体：导电能力很强的物质，如金属一般都是导体。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚作用很小，可以自由移动，形成自由电子，在外电场的作用下，自由电子逆电场方向运动而形成电流。•绝缘体：导电能力极弱的物质，这种物质的核外电子被束缚得很紧，因而不能自由移动，如橡胶、塑料、陶瓷等•半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物。
半导体的导电特性：：1）热敏特性：金属的电阻率随温度变化很小，但有些半导体对温度反映特别灵敏，环境温度增高时，它们的导电能力要增强很多。利用这种特性可以制成各种半导体热敏元件，用来检测温度的变换，如热敏电阻。2）光敏特性：金属的电阻率不受光照的影响，但半导体的导电能力对光照很敏感，光照可使半导体的电阻率显著减小，利用这种特性可以制成各种光敏元件。3）掺杂特性：金属中含有少量杂质时，电阻率没有显著变化，但若在纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻率会发生很大的变化，导电能力可增加几十万乃至几百万倍。利用这种特性可以制成各种不同用途的半导体器件。如二极管、三极管、场效应晶体管及晶闸管等。
半导体的导电特性（续）：电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。硅原子锗原子。
半导体的导电特性在硅和锗晶体：，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。半导体结构中的共价键结构。
半导体的导电特性形成共价键后：，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半。
§5.1 半导体的导电特性：§5.1半导体的导电特性自由电子和空穴激发复合当温度升高或受到光的空照射时，价电子能量增穴高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位束缚电子自由电子。
半导体的导电特性（续）：上外加电压时，半导体中将出现两部分电流：一是自由电子作定向移动所形成的电子电流；另一个是被原子核束缚的价电子递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，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。自由电子和空穴都称为载流子。
半导体的导电特性（续）：自由电子和空穴总是成对出现的，同时又不断地复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子（自由电子和空穴）维持一定数目。温度越高，载流子数目越多，导电性能也就越好。所以，温度对半导体器件性能的影响很大。
半导体的导电特性（续）：多余电子10N型半导体和P型半导体N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的磷（或其它五价元素）自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子电子型半导体或N型半导体§5.1半导体的导电特性。
半导体的导电特性（续）：P型半导体在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。空穴型半导体或P型半导体。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，但是整个晶体仍然是不带电的。11§5.1半导体的导电特性。
PN结及其单向导电性：++++－－－－－－++++++－－－－－－++++++－－－－－－主要内容：PN结的形成及导电机理1、PN结的形成在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型半导体N型半导体P型半导体。
PN结及其单向导电性（续）：－－－++++++－－－－－－++++++－－－－－－++++++－－－－－－扩散运动内电场E漂移运动空间电荷区PN结处载流子的运动P型半导体。
PN结及其单向导电性（续）：：一种是多数载流子因浓度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子在内电场作用下产生的漂流运动。这两种运动相互制约，最终这两种运动达到动态平衡，使PN结处于相对稳定状态。扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定。
PN结及其单向导电性（续）：2、PN结的单向导电性外加正向电压使PN结导通－+－+－+－+I外电场方向内电场方向PN变窄15外加的正向电压，方向与PN结内电场方向相反，削弱了内电场。于是,内电场对多子扩散运动的阻碍减弱，扩散电流加大。扩散电流远大于漂移电流，形成较大的扩散电流，PN结呈现低阻性。§5.2PN结及其单向导电性。
PN结及其单向导电性（续）：++16很小。
PN结及其单向导电性（续）：结论PN结具有单向导电性1PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。2PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。17§5.2PN结及其单向导电性。
半导体二极管：：二极管的伏安特性，主要参数及二极管的应用将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，二极管有点接触型、面接触型和平面行。
半导体二极管（续）：19N阴极。
半导体二极管正：.8U/VI/mA80604020-50-25O0.4-20-40I/µA反向死区电压20击穿电压伏安特性半导体二极管的伏安特性是非线性的。死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。1正向特性。
半导体二极管（续）：.8U/VI/mA80604020-50-25O0.4-20-40I/µA反向死区电压击穿电压由于少子的漂移运动形成很小的反向流,且U<U(BR)在内,其大小基恒定,称反向饱和电流,其随温度变化很大。当外加反向电压过高时，反向电流突然增大，二极管失去单向导电性，这种现象称为PN结的反向击穿。
半导体二极管在正常工作范围内：，当电源电压远大于二极管正向导通压降时，实际工作中可将二极管近似看成理想二极管，二极管正向导通时，二极管相当于短路；二极管反向截止时，忽略反向饱和电流，反向电阻无穷大，二极管相当于开路I220U。
半导体二极管（续）：：二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。2反向工作峰值电压URWM:保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3反向峰值电流IRM:二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。
半导体二极管的应用主要利用它：单向导电性，包括整流、限幅、保护等。(1)整流电路TR24。
半导体二极管（续）：用二极管的正向导通压降相对稳定，且数值较小的特点，来限制电路中某点的电位+12V+6VV025S当S断开时，二极管正向偏置，若忽略其正向导通压降，V0的电位被钳位在6V；当S闭合时，二极管截止，V0的电位被钳位在0V。
半导体二极管（续）：用二极管截止时通过的电流近似为0，两极之间相当于断路的特点来隔离电路或信号的联系当A点电位VA=0时，二极管VD1导通，起钳位作用使V0=0V，这时若VB=6V，则VD2截止，B点电位对输出V0没有影响，VD2起到了将输出与输入B点隔离的作用VD1VD2R0V+12VAB。
半导体二极管（续）：2V6Vπ2πωtui12V6Vπ2πωtu027。
半导体二极管（续）：例5.3.1：图示电路中R和C构成一微分电路，当输入电压ui如图所示，试画出输出电压uo的波形RRLuiuRuotttuiuRuo§5.3半导体二极管。
§5.4 半导体稳压管（特性曲线）：§5.4半导体稳压管稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似。稳压管工作于反向击穿区。1稳压管表示符号：29。
半导体稳压管：稳压管的伏安特性：向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。3稳压管稳压原理：稳压管工作于反正向+-反向+-ZΔIΔUZ反向击穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ§5.4半导体稳压管。
半导体稳压管（续）：311004主要参数1稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。2电压温度系数αU说明稳压管受温度变化影响的系数。如二极管温度系数是0.095%˚C，就是说温度没增加1˚C，它的稳压值将升高0.095%，假如20˚C时的稳压值是11V，那么在50˚C时的稳压值将是[11+0.095(50-20)×11]V≈11.3V§5.4半导体稳压管。
半导体稳压管（续）：动态电阻rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值4稳定电流IZ5最大允许耗散功率PZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZM32§5.4半导体稳压管。
半导体稳压管（续）：ZIL33。
半导体稳压管（续）：•设电源电压波动(负载不变)若U增加，负载电压UL、稳压管电压UZ随着增加。从特性曲线上可以看出，UZ的增加会引起IZ的显著增加，而使电流I增大，电阻R上的电压UR随着增大，UL回落，从而使UL保持基本不变。其过程可表示如下：34。
半导体稳压管（续）：↑↑UR↓↑I↓↑IZ↓↑UZ↓RL↓→IL↑→I↑→UR↑→UL↓35。
半导体稳压管（续）：tU-U(2)稳压管的限幅作用在图示电路中，为了使输出电压的幅度满足实际要求，可利用稳压管进行限幅，。
半导体稳压管（续）：uitU-Uo37utZ1Z2U+UUZ1+UZ2当电压ui的幅度为+U时，稳压管DZ1正向导通，UZ1小于lV。稳压管DZ2反向击穿导通，起限幅作用，输出电压uo的幅度为UZ1+UZ2。当输入电压ui的幅度为-U时，D反向击穿导Z1通，起限幅作用。DZ2正向导oZ1通，输出电压u的幅度为U+UZ2。§5.4半导体稳压管。
半导体稳压管（续）：uiuODZUZRL例5.4.1稳压二极管的应用稳压二极管技术数据为：稳压值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2kΩ，输入电压ui=12V，限流电阻R=200Ω。若负载电阻变化范围为1.5kΩ~4kΩ，是否还能稳压？iiLRiz38§5.4半导体稳压管。
半导体稳压管（续）：39uiuORDZiiziLUZRLui=12VUZW=10VR=200ΩIzmax=12mAIzmin=2mARL=2kΩ(1.5kΩ~4kΩ)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mAi=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.）2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5kΩ,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4kΩ,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用§5.4半导体稳压管。
半导体三极管：特性曲线4主要参数。
§5.5 半导体三极管：§5.5半导体三极管合金型半导体三极管常简称为晶体管或三极管，是最重要的一种半导体器件。1基本结构晶体管的管芯结构，目前最常见的有平面型和合金型两类。硅管主要是平面型，锗管都是合金型。即：平面型NPN结构41PNP。
半导体三极管（续）：BCNPNCB发射结集电结BNNP发射区基区集电区EE：发射极B：基极C：集电极EE42C§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：发射结集电结BPPN发射区基区集电区ECBCPNPCE：发射极B：基极C：集电极EE43B§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：NPN型和PNP型三极管都含有三个掺杂区（发射区、基区、集电区）和两个PN结。为了具备电流放大作用，三极管按如下工艺制造：1）基区很薄且掺杂浓度很低；2发射区掺杂浓度很高，与基区相差很大；3发射区掺杂浓度比集电区高，而集电区尺寸比发射区大，发射区与集电区是同型半导体，但两者并不对称，使用时E和C两极不能互换。44§5.5半导体三极管。
§5.5 半导体三极管（续）：45BECNNPVB<VEVC<VB发射结正偏集电结反偏PNP发射结正偏集电结反偏VB>VEVC>VBEBRBECRC2电流分配放大原理三极管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏从电位的角度看：NPN。
半导体三极管晶体管电流放大的实验电路设：，改变可变电阻RB,则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：。
半导体三极管晶体管电流测量数据
半导体三极管（续）：UBE-EEeIIC≫IBeBC++≫TUCE-(a)NPN型晶体管；UBE-I48EICC≫EIB≫B+ee+TUCE-电流方向和发射结与集电结的极性(b)PNP型晶体管要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：(1)发射区向基区扩散电子BRBECBCENPNIE结果：发射区电子不断向基区扩散，形成发射E极电流IE由于浓自由电子由发射度差异区向基区扩散发射结正偏扩散加强基区空穴向发射区的扩散可忽略§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：发射结正偏扩散强B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的50发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。E区多子（自由电子）到B区§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：51(2)电子在基区扩散和复合形成基极电流IBE区电子到基区B后，有两种运动扩散ICE复合IBE同时基区中的电子被EB拉走形成IBIBE=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的BREBECBCENPNIEIB§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：集电结反偏(3)集电极收集电子，形成集电极电流IC阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEBECBCENPNIEBIIC52§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：RBEBCEBCENPNIEIBICCEICBOIBEI由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将CE分成两部分I和IBE，它们的比值为IBIB53-ICBOβ=ICE=IC≈ICIBE+ICBO它表示晶体管的电流放大能力，称为电流放大系数。§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：晶体管的特性曲线三极管的特性曲线是指三极管各电极电压与电流之间的关系曲线，它是三极管内部载流子运动规律的外部表现，它反映出三极管的性能，是分析三极管放大电路的重要依据。1.输入特性曲线2.输出特性曲线以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。54§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：E为常数时的IB与UBE之间的关系曲线。(参见右图)IB(μA)硅管的死区电压为0.5V，锗管的死区电压不超过0.2V。放大状态时，硅NPN管UBE=0.6~0.7V；锗PNP管UBE=–0.2~–0.3V。
半导体三极管（续）：(2)输出特性曲线输出特性曲线是在IB为常数时，IC与UCE之间的关系曲线。在不同的IB下，可得到不同的曲线，即晶体管的输出特性曲线是一组曲线。134369UCE/V1256IC/mA10080604020µAIB=002§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：分。在放大区IC=β×IB发射结正向偏置，集电结反向偏置。对NPN管UBE>0,UBC<0，UCE>UBE。
半导体三极管（续）：58UCE/V133691210080604020µAIB=002(2)截止区IC/mAIB=0曲线以下的区域。4IB=0时IC=ICEO。对于硅管当UBE<0.5V时即开始截止。为了可靠截止常使UBE≤0。即截止时两个PN结都反向偏置。此时,IC≈0,UCE≈UCC。§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：(3)饱和区当UCE<UBE时，集电结处于正向偏置，晶体UCE/136912V594IC/mA10080604020µAIB=00管工作于饱和状态。在3饱和区，IB的变化对IC影响较小，失去放大作2用。饱和时，晶体管的发射结处于正偏、集电结也处于正偏。UCE≈0V。IC≈UCC/RC。§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：60UBE>0-(a)放大IB+UCE-BC++(b)截止CCII≈0BI=0+CEU≈UCC---U<0UBC<0++UBE≤0-UBE>0-(c)饱和IB+CEU≈0--BCU>0++CUCCIC≈R当晶体管饱和时，UCE≈0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC≈0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管三种工作状态的电压和电流§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：工作状态管型截止放大饱和UBE/VUBE/VUCE/VUBE/V可靠截止开始截止≤00.10.5-0.10.6~0.7-0.2~-0.30.3-0.10.7-0.3硅管(NPN)锗管(PNP)61晶体管结电压的典型值§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。(1)电流放大系数β，β当晶体管接成发射极电路时，直流电流放大系数交流电流放大系数。
半导体三极管（续）：注意：β和β的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0较小的情况下，两者数值接近。由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化，β值才可认为是基本恒定的。常用晶体管的β值在20~200之间。63§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：.5.1：在UCE=6V时，在Q1点IB=40μA,IC=1.5mA；在Q2点IB=60μA,IC=2.3mA。
半导体三极管（续）：65ICBO–μA+EC(2)集-基极反向截止电流ICBOICBO是当发射极开路时由于集电结处于反向偏置，极电区和基区中的少数载流子向对方运动形成的电流ICBO受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：66ICEOIB=0–μA+(3)集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOICEO是当基极开路，集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流ICEO受温度的影响大。温度↑→ICEO↑，所以IC也相应增加。三极穿透电流ICEOCBO与I的关系：_CBOCBO_CBOCBOEBB管的温度特性较差。_IICIEC IC=β(IB+ICBO)+ICBO=βIB+ICEO+I=(1+β)I∴IIICEO-ICBO-ICBO=I+Iβ=ICEO=βCBO|I=0=B§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：(4)集电极最大允许电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的β值的下降，当β值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。(5)集—射极反向击穿电压U(BR)CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。67§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：(6)集电极最大允许耗散功PCM由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。PC≤PCM=ICUCE硅管允许结温约为150°C，锗管约为70∼90°C。68§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：ICMU(BR)CEO由三个极限参数可画出三极管的安全工作区ICUCEOCCEIU=PCM安全工作区69§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：例5.5.2：β=50，USC=12V，RB=70kΩ，RC=6kΩ当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？USB=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止区USB=2V，IB=(USB-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=βIB=50×0.019=0.95mA<ICS=2mA，Q位于放大区IC最大饱和电流ICS= (USC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mAICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE§5.5半导体三极管。
半导体三极管（续）：71ICIBRBUSCUSBCBERCUCE例5.5.3：β=50，USC=12V，RB=70kΩ，RC=6kΩ当USB=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？USB=5V，IB=(USB-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=βIB=50×0.061=3.05mA>ICS=2mA，Q位于饱和区(实际上，此时IC和IB已不是β的关系）§5.5半导体三极管。
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