电工学教案授课教师：第15章半导体二极管和三极管一、基本要求1. 了解半导体的导电特性，理解PN结的单向导电性；2. 了解二极管、稳压管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；3. 了解双极型晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；4. 了解MOS场效晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义。

二、重点：1. PN结的单向导电性；2.二极管、稳压管的特性曲线及主要参数；3.双极型晶体管的特性曲线及三个工作区（放大、截止、饱和）的特点及主要参数；4. MOS场效晶体管的特性曲线及主要参数。

三、难点：1.载流子运动规律与外部特性曲线的关系。

15．1 半导体的导电特性物体根据导电性能的差别可分为导体、绝缘体、半导体。

半导体的导电性能介于导体和绝缘体之间。

半导体中的载流子包括电子载流子和空穴载流子。

一、半导体的特性1．温敏性 2．光敏性 3．掺杂性二、半导体共价键结构1．价电子原子的最外层电子叫价电子。

物资的半导体性能与价电子有关。

价电子数目越接近于8个，物资的化学结构越稳定。

金属的价电子一般少于4个，单质绝缘体一般多于4个。

半导体的价电子数为4个(硅锗)。

2．共价键相邻的原子被共有的价电子联系在一起，原子的这种组合叫共价键。

15.1.1 本征半导体1、本征半导体：纯净的不含任何杂质的半导体。

常温下，本征半导体的载流子很少，导电能力很弱，随着温度升高，导电能力上升。

2、热激发：半导体受热而产生载流子的过程。

3、空穴：热激发使某些共价键，由于电子挣脱出去而留下的一个空位。

空穴带一个正电荷。

4、复合：空位子被自由电子填补掉。

5、漂移：在电子场作用下，自由电子和空穴作定向运动，称漂移。

6、本征半导体的导电性：ａ.有两种不同的载流子，自由电子，空穴。

ｂ.室温下电子，空穴对有限，导电力差。

ｃ.在电场作用下，载流子产生电流，电流为电子电流与空穴电流之和。

15.1.2 N型半导体和P型半导体为了提高半导体的导电能力,可在本征半导体中掺入微量杂质元素,掺杂后半导体称为杂质半导体。

1.N型半导体a.定义:N型半导体称为电子型半导体,在半导体中掺入五价元素,使之有相当数量的自由电子.这种半导体主要靠电子导电.b.施主原子:掺入的正五价杂质原子.c.N型半导体的特性:N型半导体中不但有数量很多的自由电子,而且有少量的空穴存在。

自由电子是多数载流子(多子)。

空穴是少数载流子(少子)。

2.P型半导体A.定义:掺入硼杂质的硅半导体有相当数量的空穴载流子.这种半导体靠空穴导电.称之为空穴半导体.简称P型半导体.B.受主原子:掺入的三价杂质称为受主原子.C.特性:在P型半导体中,不但有数量很多的空穴,而且有少量的自由电子存在.空穴是多数载流子(多子).电子是少数载流子(少子).杂质半导体的导电性能主要取决于多子的浓度.多子浓度主要取决于掺杂浓度.其值较大并且稳定.因此导电性能得一显著改善.少子的浓度主要与本征半导体激发有关.因此对温度敏感,其大小随温度升高而增大。

15.2 PN结15.2.1 PN结的形成漂移运动：载流子在电场力的作用下的运动。

漂移电子流：逆电场方向运动。

漂移空穴流：顺电场方向运动。

扩散运动：载流子从高浓度区向低浓度区的运动。

由于多数载流子的扩散运动，产生空间电荷区，又称耗尽区。

由于P区有大量的空穴,N区有大量的自由电子.使得交界面两边的两种载流子浓度相差很大,浓度差将引起载流子的扩散运动.在扩散的过程中.两种载流子在交界面复合.复合的结果从而出现不能移动的正负两种杂质离子所组成的的空间电荷区.空间电荷区产生内电场.使少子产生漂移运动.最后使得扩散运动与漂移运动达到动态平衡.b.内电场的作用:1)阻碍扩散运动2) 产生漂移运动15.2.2 PN结的单向导电性一、PN结的单向导电性a.外加正向电压(PN结正向偏置)正向偏置：PN结P区接电源正极，N区接电源负极。

此时外电场与内电场方向相反，空间电荷区变窄,内电场被削弱，使耗尽层变窄，载流子扩散大于漂移.多子的扩散电流能顺利通过PN结,形较大正向电流If。

PN结呈现较小电阻，称为正向导通。

b．加反向电压(PN结反向偏置)反向偏置：PN结N区接电源正极，P区接电源负极。

此时外电场与内电场方向相同，空间电荷量增多,使耗尽层加宽。

内电场加强,载流子的扩散难以进行,造成漂移大于扩散,多子受阻，少子在内电场作用下，漂移过PN结形成反向电流。

PN结呈现很大电阻，称为反向截止。

PN结单向导电性：“正向导通，反向截止”15.3 半导体二极管15.3.1基本结构1.构成：在PN结的两端各自引出一根电极引出一根电极引线.然后封装。

2.分类:按结构分：（1）点接触型：适用于高频，小电流。

（2）面接触型：适用于低频，大电流。

按材料分：（1）硅管：热稳定性好，反向电流小。

（2）锗管：热稳定性差，反向电流大。

15.3.2伏安特性即二极管两端电压U D与流过的电流I D的对应关系。

1.正向特性OA-----死区.由于外电场不足以克服内电场。

B点以后----线性区。

时,外电场不足以克服PN结的内电场对多子的扩散运动造成a、当外加正向电压小于Uth的阻力,正向电流几乎为零。

呈现为一个在电阻。

b、当外加电压大于U th后。

PN结内电场大为削弱,二极管电流随电压增加而显著增大。

2.反向特性a.反向电流随温度上升而急剧增长。

b.反向电流基本不随反向电压的变化而变化。

3.击穿特性1、反向击穿特性：当加于二极管两端的反向电压增大到一定值时，二极管的反向电流将随反向电压的增加而急剧增加。

a.齐纳击穿b.雪崩击穿4.温度对二极管特性的影响a.通常温度上升1°C时，硅和锗二极管的正向压降减小2mv左右。

b.半导体的温度每升高10°C，其反向电流Is约增加一倍。

15.3.3主要参数1.最大整流电流I OM----规定环境温度时,二极管长期运行允许通过的最大半波正向电流平均值。

2.最高反向工作电压U RWM----允许二极管上的反向电压的峰值.即耐压值.通常规定为击穿电压的一半。

3.反向电流I RM----二极管末击穿时的反向电流值。

其值会随温度的升高而急剧增加,其值越小,二极管的单向导电性能越好。

点接触型锗管由于其PN结面积比较小,故PN结电容很小,通常小于1PF,其最高工作频率可达数百MHz.而面接触型硅整流二极管,其最高工作频率只有3KHz。

15．4 稳压管1、稳压二极管利用二极管击穿时通过管子电流在很大范围内变化，而管子两端电压几乎不变的特性。

2、稳压管的伏安特性曲线3、稳压管的主要参数a、稳定电压U Z：是指稳压管在正常工作下管子的电压。

b、电压温度系数αU：说明稳压值受温度变化的影响的系数。

当U Z > 6V时，αU > 0 当U Z <6V 时αU<0当U Z=6V时，αU=0c、动态电阻r Z：指稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值r Z= △U Z/△I Z动态电阻越小，稳压性能越好。

d、稳定电流I Z:规定最大稳定电流I ZM。

e、最大允许耗散功率P ZM=U Z* I Z15.5 半导体三极管15.5.1 基本结构通过一定的工艺将两个PN结合在一起就构成了双极型半导体三极管，又称晶体三极管，简称三极管或晶体管，其有NPN和PNP两种类型。

1．三极管结构与类型三极管由三个半导体导电区构成，分别为发射区、基区、集电区。

从三个导电区各引出一个电极，分别称为发射极（E ）、基极（B ）、集电极（C ）。

按三个导电区的结合方式不同，三极管可分成NPN 型和PNP 型两大类。

根据制造材料的不同，三极管可分成硅管和锗管两大类。

目前国产管中，硅管多为NPN 型，锗管多为PNP 型。

2．三极管的符号箭头表示发射结的正偏方向。

发射区掺杂浓度高于基区和集电极，集电结的面积比发射结大，基区很薄。

15.5.2电流分配和放大原理1、晶体管电流放大实验电路（1）三极管实现电流放大的工作条件内部条件：三极管的特点，外部条件：发射结正偏，集电结反偏 。

即：NPN 管：Uc>U B >Ue PNP 管：Uc<U B <Ue（2）晶体管各电极电流的实验数据（3）结论①I B =0时，I C =I E =I CEO ，I CEO 称为穿透电流，可近似认为I C =I E =0。

②基极电流I B 远小于集电极电流I C ，三个电极电流满足以下关系：I B +I C =I E ③I B 增大，I C 按比例增大。

（I C -I CEO ）与I B 的比值称为三极管直流电流放大系数，用β表示，即④当基极电流I B 有一较小的变化ΔI B 时，集电极电流有个较大变化ΔI C ，这就是三极管的电流变化作用，ΔI C 与ΔI B 的比值称为三极管交流电流放大系数，用β表示，即β=ΔI C /ΔI B所谓的电流放大作用，实质是基极电流I B 对集电极电流I C 的控制作用：较小的I B 变化能引起较大的I C 变化。

2. 晶体管中各极电流分析（NPN 型为例）a.发射区向基区扩散电子BC B CE C I I I I I ≈-=0βBB C E I I I I )1(β+=+=由于发射结加正向偏置，因而有利于该结两边半导体中多子的扩散，于是发射区的自由电子不断扩散到基区，并不断地从电源补充进电子，从而形成发射极电流区。

b.电子在基区扩散和复合由于基区很薄，从发射区注入的电子进入基区后。

由于浓度之差使电子向集电结方向扩散，同时也有少量电子与基区中的多子（空穴）相复合与空穴复合的电子电流称I B 。

c.集电区收集从发射区扩散过来的电子由于集电结加反向电压，因而有利于该结两边半导体少子的漂移运动，从上可知，从发射区注入到基区的电子已成为基区的少子。

它就容易漂移到集电区，成为集电集电流Ic 的主要成份I CN 。

此外还有基区本身的少子（自由电子）和集电区少子（空穴）所形成的漂移电流，称为集电结反向饱和电流I CEO 。

（I CEO 受温度影响较大）从上面分析可知：三极管工作有赖于两种载流子—— 电子和空穴，因此称之为“双极型”晶体三极管。

三极管各极电流为I C =I CN -I CBOI B =I BN + I CBO3.集电极与基极电流之间的关系a.共射极直流放大系数为I CN 与I BN 的比值，即：I I I I I I I I I CBO B C CBO B CBO C BN CN)1(βββ++=⇒+-==忽略ICBO 时I C ≈βI Bb.实质为“以小控大”利用基极回路的小电流I B ，就能实现对集电极，发射极回路的大电流I C （或I E ）的控制。

15.5.3特性曲线三极管是非线性元件，各电极电流之间的电压关系不能用简单的方程式来描述，而要用特性曲线来描述。