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1、第1章半导体二极管第1页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页8.1.18.1.1半导体基础知识半导体基础知识1.1.物质的导电性物质的导电性在日常生活和生产实践中，有许多物质很容易导电，它们称做导体，在日常生活和生产实践中，有许多物质很容易导电，它们称做导体，如金、银、铜、铝、铁等金属材料如金、银、铜、铝、铁等金属材料;而有许多物质是不容易导电或完而有许多物质是不容易导电或完全不导电，它们称做绝缘体，如塑料、陶瓷、橡胶、玻璃等材料。全不导电，它们称做绝缘体，如塑料、陶瓷、橡胶、玻璃等材料。还有一类物质，其导电能力介于导体和绝缘体之间，它们称做半导还
2、有一类物质，其导电能力介于导体和绝缘体之间，它们称做半导体，如硅、锗及大多数金属氧化物。体，如硅、锗及大多数金属氧化物。物质的导电性为什么有这样的差异呢物质的导电性为什么有这样的差异呢?主要原因在于物质内部原子的结主要原因在于物质内部原子的结合方式及原子本身的结构不同。合方式及原子本身的结构不同。返回第2页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页 2.2.半导体的导电特性半导体的导电特性半导体之所以引起人们注意并得到广泛应用，其主要原因并不在半导体之所以引起人们注意并得到广泛应用，其主要原因并不在于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而在于它的导电能力在
3、于它的导电能力介于导体和绝缘体之间，而在于它的导电能力在不同条件下不同条件下(如掺杂、光照、受热如掺杂、光照、受热)有很大的差别。根据这一特性，有很大的差别。根据这一特性，即可将半导体做成各种热敏元件、光敏元件、二极管、三极管及场效应即可将半导体做成各种热敏元件、光敏元件、二极管、三极管及场效应管等半导体元器件。管等半导体元器件。返回上一页第3页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页 3.3.本征半导体本征半导体纯净的半导体称做本征半导体。锗和硅是应用最多的半导体材料，纯净的半导体称做本征半导体。锗和硅是应用最多的半导体材料，它们最外层都有四个价电子
4、，也被称为四价元素。本征半导体的它们最外层都有四个价电子，也被称为四价元素。本征半导体的原子结构如图原子结构如图8.18.1所示。所示。在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻四个原子结合，每个在本征半导体的晶体结构中，每个原子与相邻四个原子结合，每个原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成电子对。这对价原子的一个价电子与另一个原子的一个价电子组成电子对。这对价电子为两相邻原子所共有，构成共价键结构，电子为两相邻原子所共有，构成共价键结构，返回上一页第4页，本讲稿共70页图图8.18.1锗和硅的原子结构锗和硅的原子结构返回第5页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性
5、与PNPN结结下一页如图如图8.28.2所示。这样，每个原子的每一个价电子除了受到自身原子所示。这样，每个原子的每一个价电子除了受到自身原子核的束缚外，还受到共价键的束缚。因此，每个价电子都处于较为核的束缚外，还受到共价键的束缚。因此，每个价电子都处于较为稳定的状态。但是共价键的电子还不像绝缘体中的价电子被束缚得稳定的状态。但是共价键的电子还不像绝缘体中的价电子被束缚得那样紧，在获得一定能量那样紧，在获得一定能量(光照或温升光照或温升)后，即可挣脱束缚成为自由电子，后，即可挣脱束缚成为自由电子，温度愈高，晶体中产生的自由电子愈多。温度愈高，晶体中产生的自由电子愈多。返回上一页第6页，本讲稿共7
6、0页图图8.28.2硅单体中的共价键结构硅单体中的共价键结构返回第7页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页值得注意的是，共价键中的电子成为自由电子后，同时留下一个值得注意的是，共价键中的电子成为自由电子后，同时留下一个空位，称为空穴。在正常情况下原子是中性的。当电子成为自由空位，称为空穴。在正常情况下原子是中性的。当电子成为自由电子后，原子的中性被破坏而显出带正电。因此可以认为空穴带电子后，原子的中性被破坏而显出带正电。因此可以认为空穴带有正电荷。当相邻共价键中的价电子来填补这个空穴时，这个空有正电荷。当相邻共价键中的价电子来填补这个空穴时，这个空
7、穴便消失了，同时在相邻共价键中出现了穴便消失了，同时在相邻共价键中出现了个新的空穴。这个新空穴可能还被别的共价键中的电子所填补，这种价电子个新的空穴。这个新空穴可能还被别的共价键中的电子所填补，这种价电子接连不断地填补空穴的运动，相当于空穴自身的迁移运动，如接连不断地填补空穴的运动，相当于空穴自身的迁移运动，如图图8.38.3所示这所示这种空穴的迁移运动和自由电子在共价键外的自由运动相似。因此把空穴看成种空穴的迁移运动和自由电子在共价键外的自由运动相似。因此把空穴看成是带正电荷的载流子。是带正电荷的载流子。返回上一页第8页，本讲稿共70页图图8.38.3牢穴和自由电子的形成牢穴和自由电子的形成
8、返回第9页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页由此可见，半导体中存在两种载流子由此可见，半导体中存在两种载流子:带负电荷的自由电子和带正电带负电荷的自由电子和带正电荷的空穴。这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体与金属导体在荷的空穴。这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体与金属导体在导电原理上的本质差别。导电原理上的本质差别。本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。在一定温本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。在一定温度条件下，电一空穴对的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中维持一定度条件下，电一空穴对的产
9、生和复合达到动态平衡，于是半导体中维持一定数日的载流子。当温度升高子一空穴对的数日增多，导电性能增强。所以温数日的载流子。当温度升高子一空穴对的数日增多，导电性能增强。所以温度对半导体器件的导电性能影响极大子时。度对半导体器件的导电性能影响极大子时。返回上一页第10页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页 4.4.杂质半导体杂质半导体本征半导体虽然有两种载流子，但在常温下其数量极少，导电能力很差。本征半导体虽然有两种载流子，但在常温下其数量极少，导电能力很差。如果在其中掺入某种微量杂质元素，将使掺杂后的半导体如果在其中掺入某种微量杂质元素，将使掺杂后
10、的半导体(杂质半导体杂质半导体)的导电性能大大增强。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可分的导电性能大大增强。根据掺入的杂质不同，杂质半导体可分为两类为两类:N:N型半导体和型半导体和P P型半导体。型半导体。返回上一页第11页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页 1)N1)N型半导体型半导体在四价元素硅或锗中掺入少量磷在四价元素硅或锗中掺入少量磷(或其他五价元素或其他五价元素)，磷原子最外层有五，磷原子最外层有五个价电子。当硅晶体中某些位置上的硅原子被磷原子替代后，只需要四个价个价电子。当硅晶体中某些位置上的硅原子被磷原子替代后，只需要四个价电子参加
11、共价键结构，多余的一个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为电子参加共价键结构，多余的一个价电子很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子，如图自由电子，如图8.4(a)8.4(a)所示。于是杂质半导体中的自由电子数日大所示。于是杂质半导体中的自由电子数日大大增加，自由电子导电成为这种杂质半导体的主要导电方式，故称这种大增加，自由电子导电成为这种杂质半导体的主要导电方式，故称这种杂质半导体为电子半导体或杂质半导体为电子半导体或N N型半导体。在型半导体。在N N型半导体中，由电子是多型半导体中，由电子是多数载流子数载流子(简称多子简称多子)，而空穴是少数载流子，而空穴是少数载流子(简称少子简称少子)
12、。返回上一页第12页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页 2)P2)P型半导体型半导体在四价元素硅或锗中掺入少量硼在四价元素硅或锗中掺入少量硼(或其他三价元素或其他三价元素)，硼原子最外层有三，硼原子最外层有三个价电子，当其构成共价键时，将因缺少一个电子而形成一个空个价电子，当其构成共价键时，将因缺少一个电子而形成一个空穴，如穴，如图图8.4 8.4(b)(b)所示。这样，在杂质半导体中形成大量空穴，所示。这样，在杂质半导体中形成大量空穴，空穴导电成为这种杂质半导体的主要导电方式，故称这种杂质半空穴导电成为这种杂质半导体的主要导电方式，故称这种杂质
13、半导体为空穴半导体或导体为空穴半导体或P P型半导体。在型半导体。在P P型半导体中，空穴是多数载型半导体中，空穴是多数载流子，而自由电子是少数载流子。流子，而自由电子是少数载流子。返回上一页第13页，本讲稿共70页图图8.4 P8.4 P型和型和N N型半导体结构示意图型半导体结构示意图返回第14页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页值得注意的是，无论是值得注意的是，无论是N N型还是型还是P P型半导体，虽然它们都有一种载流子型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但整体上仍然呈中性。在外电场作用下，杂质半导体的占多数，但整体上仍然呈中性。在外
14、电场作用下，杂质半导体的导电能力有了较大的增强，但是它还是没有实用价值。只有将两导电能力有了较大的增强，但是它还是没有实用价值。只有将两种杂质半导体做成种杂质半导体做成PNPN结后才成为半导体器件。结后才成为半导体器件。返回上一页第15页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页8.1.2 PN8.1.2 PN结的形成及其单向导电性结的形成及其单向导电性1.PN1.PN结的形成结的形成当当P P型半导体和型半导体和N N型半导体通过一定工艺结合为一体时，在交界血必型半导体通过一定工艺结合为一体时，在交界血必然要发生由于载流子浓度不均匀分布而引起的电子和空
15、穴的打一散然要发生由于载流子浓度不均匀分布而引起的电子和空穴的打一散运动，即运动，即P P区的空穴向区的空穴向N N区打一散，区打一散，N N区的电子向区的电子向P P区打一散，如区打一散，如图图8.8.5 5所示。打一散的结果是，在交界血附近的所示。打一散的结果是，在交界血附近的P P区留下一些带负电的杂区留下一些带负电的杂质离子质离子(用用表示表示)，而，而N N区则留下一些带正电的杂质离子区则留下一些带正电的杂质离子(用用表示表示)。因此在交界血形成了一个空间电荷区，也就是因此在交界血形成了一个空间电荷区，也就是PNPN结。结。返回上一页第16页，本讲稿共70页图图 8.5 PN 8.5
16、 PN结的形成结的形成返回第17页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页该空间电荷区在交界面形成一个内电场，其电场方向恰好与多数载流子的打该空间电荷区在交界面形成一个内电场，其电场方向恰好与多数载流子的打一散方向相反，它对多数载流子的打一散运动起阻碍作用一散方向相反，它对多数载流子的打一散运动起阻碍作用;另一方面，内电另一方面，内电场对少数载流子则可推动其越过场对少数载流子则可推动其越过PNPN结而进入对方区域。少数载流子在内电场结而进入对方区域。少数载流子在内电场作用下的这种运动称做漂移运动。作用下的这种运动称做漂移运动。返回上一页第18页，本讲稿
17、共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页打一散运动和漂移运动是互相联系，又互相矛盾的。在一定的温度条件下，打一散运动和漂移运动是互相联系，又互相矛盾的。在一定的温度条件下，两种运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，此时，两种运动达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本稳定下来，此时，PNPN结处结处于相对稳定状态，称此于相对稳定状态，称此PNPN结为平衡结为平衡PNPN结。结。返回上一页第19页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结下一页 2.PN2.PN结的单向导电性结的单向导电性如果在如果在PNPN结上加正向电压，
18、即外电源正极接结上加正向电压，即外电源正极接P P区，负极接区，负极接N N区，如区，如图图8.6 8.6(a)a)所示。由图可见，外电场与内电场方向相反，所示。由图可见，外电场与内电场方向相反，PNPN结的动态平衡被破坏，结的动态平衡被破坏，使空间电荷区的宽度变窄，多数载流子的打一散运动增强，并从电使空间电荷区的宽度变窄，多数载流子的打一散运动增强，并从电源中不断得到补允，形成较大的打一散电流源中不断得到补允，形成较大的打一散电流正向电流。此时正向电流。此时PNPN结呈结呈低阻状态。低阻状态。如果在如果在PNPN结上加反向电压，如图结上加反向电压，如图8.6(b)8.6(b)所示，则外电场与
19、内电场所示，则外电场与内电场方向相同，也会破坏方向相同，也会破坏PNPN结的动态平衡，空间电荷区变宽，多数载流子的结的动态平衡，空间电荷区变宽，多数载流子的打一散运动无法进行，而少数载流子的漂移运动却能顺利进行，形成漂移电打一散运动无法进行，而少数载流子的漂移运动却能顺利进行，形成漂移电流一一反向电流。流一一反向电流。返回上一页第20页，本讲稿共70页图图8.6 PN8.6 PN结的单向导电性结的单向导电性返回第21页，本讲稿共70页8.18.1半导体的基本特性与半导体的基本特性与PNPN结结由于少数载流子的浓度在常温下很低且一定，故反向电流非常小。当反由于少数载流子的浓度在常温下很低且一定，
20、故反向电流非常小。当反向电压在一定范围内改变时，其电流值几乎不变，因而称此电流为反向向电压在一定范围内改变时，其电流值几乎不变，因而称此电流为反向饱和电流。此时饱和电流。此时PNPN结呈高阻状态。因为少数载流子的浓度是由温结呈高阻状态。因为少数载流子的浓度是由温度决定的，所以温度的变化对度决定的，所以温度的变化对PNPN结的反向电流大小的影响极其明显。结的反向电流大小的影响极其明显。由此可见，由此可见，PNPN结具有单向导电性。当结具有单向导电性。当PNPN结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结电阻结电阻较小，正向电流较大，较小，正向电流较大，PNPN结处于导通状态结处于导通状态;当当PN
21、PN结加反向电压时，结加反向电压时，PNPN结电阻很大，反向电流极小，甚至可以忽略不计，结电阻很大，反向电流极小，甚至可以忽略不计，PNPN结处于截止状态结处于截止状态。返回上一页第22页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页8.2.18.2.1二极管的结构二极管的结构半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。它是由一个半导体二极管又称晶体二极管，简称二极管。它是由一个PNPN结，加上接结，加上接触电极触电极(引线引线)和管壳构成。根据内部结构的不同，有点接触型和和管壳构成。根据内部结构的不同，有点接触型和血接触型两类。血接触型两类。点接触型二极管是由一根金属丝和一块半导体的
22、表血接触，并熔在一起点接触型二极管是由一根金属丝和一块半导体的表血接触，并熔在一起构成构成PNPN结，加引线和管壳密封而成，如图结，加引线和管壳密封而成，如图8.7(a)8.7(a)所示。它的所示。它的PNPN结血结血积很小，极间电容也很小，不能承受高的反向电压和大的正向电流，积很小，极间电容也很小，不能承受高的反向电压和大的正向电流，适于在高频、小电流下工作。适于在高频、小电流下工作。返回第23页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页血接触型二极管是用合金法或打一散法做成血接触型二极管是用合金法或打一散法做成PNPN结，加引线和管壳密结，加引线和管壳密封而成，如封而成，如
23、图图8.7 8.7(b)(b)所示。它的结血积大，可承受较大的电流，所示。它的结血积大，可承受较大的电流，但极间电容也大。这种类型的管子适用于低频整流，而不宜用于高但极间电容也大。这种类型的管子适用于低频整流，而不宜用于高频电路。二极管的图形符号如图频电路。二极管的图形符号如图8.7(c)8.7(c)所示，箭头方向表示正电流方所示，箭头方向表示正电流方向。向。返回上一页第24页，本讲稿共70页图图8.78.7二极管的结构和图形符号二极管的结构和图形符号返回第25页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页8.2.28.2.2二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性，是指
24、加到二极管两端的电压与流过二极管的二极管的伏安特性，是指加到二极管两端的电压与流过二极管的电流之间的关系曲线。下面对二极管伏安特性分三部分加以说明。电流之间的关系曲线。下面对二极管伏安特性分三部分加以说明。1.1.正向特性正向特性当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过但是，当外加电压很当二极管加上正向电压时，便有正向电流通过但是，当外加电压很低时，外部电场还不足以克服内部电场对载流子打一散运动所造成低时，外部电场还不足以克服内部电场对载流子打一散运动所造成的阻力，因此，这时的正向电流仍然很小，二极管呈现的电阻很大。的阻力，因此，这时的正向电流仍然很小，二极管呈现的电阻很大。返回上一页第26页
25、，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页当外加电压超过一定的数值当外加电压超过一定的数值UrUr以后，内部电场将被大大削弱，二极以后，内部电场将被大大削弱，二极管的电阻变得很小，正向电流开始显著增加，如图管的电阻变得很小，正向电流开始显著增加，如图8.88.8第第段所示。段所示。把把UrUr称为二极管的死区电压或门槛电压。通常硅管的死区电压约为称为二极管的死区电压或门槛电压。通常硅管的死区电压约为0.5 0.5 V,V,锗管约为锗管约为0.2 V0.2 V。返回上一页第27页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页2.2.反向特性反向特性二极管加上反向电压时
26、，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向二极管加上反向电压时，由于少数载流子的漂移运动，形成很小的反向电流。在同样的温度下，硅管的反向电流比锗管小。硅管是纳安级电流。在同样的温度下，硅管的反向电流比锗管小。硅管是纳安级(nA)(nA)，锗管是微安级，锗管是微安级(A)A)二极管的反向电流有两个特点二极管的反向电流有两个特点:一是随温度增一是随温度增加而增长很快加而增长很快;另一个是只要外加电压在一定范围内，反向电流另一个是只要外加电压在一定范围内，反向电流基本上不随反向电压变化，这个电流称为二极管的反向饱和电流，基本上不随反向电压变化，这个电流称为二极管的反向饱和电流，如图如图8.88.8的
27、第的第段所示。段所示。返回上一页第28页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页 3.3.反向击穿特性反向击穿特性当反向电压超过一定数值时，因外加的电场过强，破坏共价键而把价电子拉当反向电压超过一定数值时，因外加的电场过强，破坏共价键而把价电子拉出，使少子数日剧增出，使少子数日剧增;强电场也引起电子与原子碰撞，产生新的电子空穴对，强电场也引起电子与原子碰撞，产生新的电子空穴对，而引起载流子数日急剧上升。这都将使反向电流突然剧增，此时二极管失去而引起载流子数日急剧上升。这都将使反向电流突然剧增，此时二极管失去单向导电性，这种现象称为电击穿，如图单向导电性，这种现象称为电击穿，如
28、图8.88.8第第段所示。这个电压称做段所示。这个电压称做反向击穿电压叽反向击穿电压叽a a。如果二极管的反向电压超过这个数值，就会造成。如果二极管的反向电压超过这个数值，就会造成电击穿，若没有适当的限流措施，将会因电流过大使二极管过热而电击穿，若没有适当的限流措施，将会因电流过大使二极管过热而造成永久性损坏，这种现象称为热击穿。造成永久性损坏，这种现象称为热击穿。返回上一页第29页，本讲稿共70页图图8.88.8二极管的伏安特性曲线二极管的伏安特性曲线返回第30页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页8.2.38.2.3二极管的主要参数二极管的主要参数 1.1.最大整流电
29、流最大整流电流I IFMFM指二极管长期运行时允许流过的最大正向平均电流，其大小由指二极管长期运行时允许流过的最大正向平均电流，其大小由PNPN结的血结的血积及散热条件决定积及散热条件决定2.2.最大反向工作电压最大反向工作电压U URMRM指二极管运行时允许承受的最大反向工作电压。为避免二极管反向指二极管运行时允许承受的最大反向工作电压。为避免二极管反向击穿，通常将二极管反向击穿电压击穿，通常将二极管反向击穿电压U UBMBM的一半定为的一半定为U URMRM3.3.反向工作电流反向工作电流I IR R指在常温下和最大反向电压下的反向电流值。该值愈小，二极管指在常温下和最大反向电压下的反向电
30、流值。该值愈小，二极管单向导电性能愈好。温度对单向导电性能愈好。温度对I IR R。影响较大，使用时应加以注意。影响较大，使用时应加以注意。返回上一页第31页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页二极管的参数是正确选用二极管的依据，一般半导体器件手册中都二极管的参数是正确选用二极管的依据，一般半导体器件手册中都给出了不同型号二极管的参数。下面介绍选用二极管应注意的几个给出了不同型号二极管的参数。下面介绍选用二极管应注意的几个问题。问题。(l)(l)选好二极管的种类。要求反向电流小，温度稳定性好，反向击穿电压高选好二极管的种类。要求反向电流小，温度稳定性好，反向击穿电压高时选
31、用硅管时选用硅管;要求导通压降低时，选用锗管。要求导通压降低时，选用锗管。(2)(2)选择合适的二极管型号。要求导通电流大时，选面接触选择合适的二极管型号。要求导通电流大时，选面接触(且平面型且平面型)型二极管型二极管;用于整流电路则选用整流二极管用于整流电路则选用整流二极管;要求工作频率高时，选要求工作频率高时，选用点接触型二极管用点接触型二极管;用于数字电路时，则选用开关二极管。用于数字电路时，则选用开关二极管。返回上一页第32页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页(3)(3)二极管的参数应满足电路要求。为保证电路正常工作，二极管的参数应满足电路要求。为保证电路正常工
32、作，使用手册所规定的极限应用数据，以免损坏二极管。使用手册所规定的极限应用数据，以免损坏二极管。(4)(4)二极管在电路中应避免靠近发热元器件。在实际工作中，二极管在电路中应避免靠近发热元器件。在实际工作中，性，因此，在电子电路中常用它作整流、检波、开关等器件使用性，因此，在电子电路中常用它作整流、检波、开关等器件使用电路参数不应超过二极管由于半导体具有单向导电。电路参数不应超过二极管由于半导体具有单向导电。返回上一页第33页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页8.2.48.2.4常用的特殊二极管常用的特殊二极管前面介绍的是普通二极管，此外，还有一些特殊二极管，如稳压二极
33、管、前面介绍的是普通二极管，此外，还有一些特殊二极管，如稳压二极管、发光二极管、光电二极管等，下面分别加以介绍。发光二极管、光电二极管等，下面分别加以介绍。1.1.稳压二极管稳压二极管稳压二极管是用特殊工艺制造的血接触型硅半导体二极管，其图形符号和伏稳压二极管是用特殊工艺制造的血接触型硅半导体二极管，其图形符号和伏安特性如图安特性如图8.98.9所示。图中，所示。图中，UzUz表示稳压二极管的稳定电压，也就是二极管表示稳压二极管的稳定电压，也就是二极管的反向击穿电压。的反向击穿电压。返回上一页第34页，本讲稿共70页图图8.98.9稳压二极管的稳压二极管的图形符号及伏安特性图形符号及伏安特性返
34、回第35页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页稳压二极管的稳压作用在于稳压二极管的稳压作用在于:当反向电流有很大变化当反向电流有很大变化IzIz时，只引起时，只引起微小的电压变化微小的电压变化UzUz特性曲线越陡，稳压性能越好。并由此可见，稳特性曲线越陡，稳压性能越好。并由此可见，稳压二极管是工作在反向击穿区。有关稳压二极管的具体应用参见第压二极管是工作在反向击穿区。有关稳压二极管的具体应用参见第1212章。章。返回上一页第36页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管下一页 2.2.光电二极管光电二极管光电二极管又称做光敏二极管，其反向电流大小随光照强度的变
35、化光电二极管又称做光敏二极管，其反向电流大小随光照强度的变化而变化。它的图形符号和伏安特性曲线如而变化。它的图形符号和伏安特性曲线如图图8.108.10所示。所示。曲线中曲线中E E表示照度，表示照度，lxlx为照度单位。由曲线可知，反向电流与照度成正比。为照度单位。由曲线可知，反向电流与照度成正比。光电二极管可用作光的测量传感或光电转换控制器件。光电二极管可用作光的测量传感或光电转换控制器件。返回上一页第37页，本讲稿共70页图图8.108.10光电二极管光电二极管返回第38页，本讲稿共70页8.28.2半导体二极管半导体二极管3.3.发光二极管发光二极管发光二极管是一种能将电能转换成光能的
36、半导体器件，有时简写成发光二极管是一种能将电能转换成光能的半导体器件，有时简写成LE DLE D。它通常用砷化稼、磷化铰等制成。当这种管子通以电流时将发出光能，它通常用砷化稼、磷化铰等制成。当这种管子通以电流时将发出光能，这是因为电子和空穴直接复合会释放出能量，产生出光子，使二极管发这是因为电子和空穴直接复合会释放出能量，产生出光子，使二极管发出一定颜色的光束。其图形符号如出一定颜色的光束。其图形符号如图图8.118.11所示。所示。返回上一页第39页，本讲稿共70页图图8.118.11发光二极管的图形符号发光二极管的图形符号返回第40页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一
37、页8.3.18.3.1三极管的结构三极管的结构三极管三极管(晶体管晶体管)的种类很多，从其内部结构看，可分为的种类很多，从其内部结构看，可分为NPNNPN型和型和PNPPNP型两种。型两种。我国日前生产的我国日前生产的NPNNPN型多为硅管，型多为硅管，PNPPNP型多为锗管。型多为锗管。图图8.128.12是是NPNNPN型和型和PNPPNP型三极管内部结构示意图和对应的图形符号。图型三极管内部结构示意图和对应的图形符号。图8.12(a8.12(a）(b)(b)是是NPNNPN型三极管，图型三极管，图8.12(c)8.12(c)、(d)(d)是是PNPPNP型三极管。型三极管。返回第41页，
38、本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页由图由图8.128.12可知，三极管的管芯都是由两个可知，三极管的管芯都是由两个PNPN结，三个区组成。三极管的结，三个区组成。三极管的三个区分别是集电区、基区和发射区三个区分别是集电区、基区和发射区;从三个区分别引出三个电极，从三个区分别引出三个电极，它们分别称做集电极它们分别称做集电极C C、基极、基极B B和发射极和发射极E;E;在三个区的交界处形成了在三个区的交界处形成了两个两个PNPN结，分别是集电结、发射结。在电路中两种三极管的图形结，分别是集电结、发射结。在电路中两种三极管的图形符号分别如图符号分别如图8.12(b)8.12
39、(b)和和(d(d）)所示。图中发射极的箭头表示发所示。图中发射极的箭头表示发射结在加正向电压时的电流方向。射结在加正向电压时的电流方向。返回上一页第42页，本讲稿共70页图图8.128.12三极管的结构和图形符号三极管的结构和图形符号返回第43页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页为了保证三极管具有电流放大作用，三极管的内部结构在制造工为了保证三极管具有电流放大作用，三极管的内部结构在制造工艺上有以下特点艺上有以下特点:(1)(1)基区做得很薄，掺杂浓度很低，所以基区多数载流子的浓度很低。基区做得很薄，掺杂浓度很低，所以基区多数载流子的浓度很低。(2)(2)发射区比集电
40、区掺的杂质多，因此发射区的多数载流子浓度发射区比集电区掺的杂质多，因此发射区的多数载流子浓度比集电区高。故三极管的集电极和发射极不能互换使用。比集电区高。故三极管的集电极和发射极不能互换使用。返回上一页第44页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页8.3.28.3.2三极管的电流分配和放大原理三极管的电流分配和放大原理NPNNPN型和型和PNPPNP型三极管虽然结构不同，但工作原理是相同的。下血以型三极管虽然结构不同，但工作原理是相同的。下血以NPNNPN型管为例来说明三极管的电流分配和放大原理。型管为例来说明三极管的电流分配和放大原理。1.1.内部载流子的运动过程内部载流
41、子的运动过程三极管正常工作时，需要外加合适的电源电压。为了使三极管工作在放大状三极管正常工作时，需要外加合适的电源电压。为了使三极管工作在放大状态，要求发射结外加正向电压，简称正向偏置态，要求发射结外加正向电压，简称正向偏置;集电结外加反向电压，简称集电结外加反向电压，简称反向偏置。归纳为反向偏置。归纳为:发射结正偏，集电结反偏，如图发射结正偏，集电结反偏，如图8.138.13所示。图中所示。图中E EB B为基极外接电源，它保证发射结正向偏置为基极外接电源，它保证发射结正向偏置;E;EC C为集电极外接电源，为集电极外接电源，并且并且E EC C E EB B，以满足集电结反向偏置的要求，以
42、满足集电结反向偏置的要求;R;RB B和和R RC C分别为基极回分别为基极回路和集电极回路的串接电阻。路和集电极回路的串接电阻。返回上一页第45页，本讲稿共70页图图8.138.13极管内部载流子的运动极管内部载流子的运动返回第46页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页下面分析三极管内部载流子的运动过程。下面分析三极管内部载流子的运动过程。(1)(1)发射区向基区注人电子，而形成发射极电流发射区向基区注人电子，而形成发射极电流I IE E由于发射结正向偏由于发射结正向偏置，因此，发射区的多数载流子电子不断通过发射结向基区打一散，形置，因此，发射区的多数载流子电子不断通过
43、发射结向基区打一散，形成发射极电流成发射极电流I IE E，其方向和电子流动方向相反。与此同时，基区的多，其方向和电子流动方向相反。与此同时，基区的多数载流子空穴也要向发射区打一散，但由于发射区杂质浓度比基区数载流子空穴也要向发射区打一散，但由于发射区杂质浓度比基区高得多，故与电子流相比，空穴流可以忽略不计。所以，发射极电高得多，故与电子流相比，空穴流可以忽略不计。所以，发射极电流流I IE E主要是电子电流。主要是电子电流。返回上一页第47页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页(2)(2)电子在基区中打一散和复合，而形成基极电流电子在基区中打一散和复合，而形成基极电流I
44、 IB B。由发射区注入基。由发射区注入基区的电子，在发射结附近积累起来，浓度很大，而靠近集电结附近区的电子，在发射结附近积累起来，浓度很大，而靠近集电结附近电子浓度很小，形成浓度上的差别，因此，电子就要向集电结的方电子浓度很小，形成浓度上的差别，因此，电子就要向集电结的方向打一散，在打一散过程中，电子不断与基区空穴复合形成电子流向打一散，在打一散过程中，电子不断与基区空穴复合形成电子流I IBNBN复合的空穴由基极电源补允，而形成基极电流复合的空穴由基极电源补允，而形成基极电流I IB B。由于基区空穴浓度很。由于基区空穴浓度很低，且基区做得很薄，使电子在基区和空穴复合的数量很少，绝大多数低
45、，且基区做得很薄，使电子在基区和空穴复合的数量很少，绝大多数都能打一散到集电结附近，所以形成的基极电流都能打一散到集电结附近，所以形成的基极电流I IB B。也很小。也很小。返回上一页第48页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页(3)(3)集电区收集电子，形成集电极电流集电区收集电子，形成集电极电流I IC C由于集电结反向偏置，集电结所加电压产生的电场，一方血使集电由于集电结反向偏置，集电结所加电压产生的电场，一方血使集电区的电子和基区的空穴很难通过集电结区的电子和基区的空穴很难通过集电结;另一方血吸引基区中打一另一方血吸引基区中打一散到集电结附近的大量电子，将它们收集
46、到集电区，形成收集电散到集电结附近的大量电子，将它们收集到集电区，形成收集电流流I ICNCN。同时，它也使集电结两边的少数载流子即集电区的空穴和基区的。同时，它也使集电结两边的少数载流子即集电区的空穴和基区的电子向对方漂移，从而形成反向饱和电流电子向对方漂移，从而形成反向饱和电流I ICBOCBO返回上一页第49页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页由此可见，集电极电流由此可见，集电极电流I IC C是由是由I ICNCN和和I ICBOCBO。两部分电流组成，。两部分电流组成，I ICBOCBO的数值的数值很小，受温度影响较大，使管子工作不稳定，所以在制造过程中应很小
47、，受温度影响较大，使管子工作不稳定，所以在制造过程中应尽量设法减小尽量设法减小I ICBOCBO。综上所述，三极管内有自由电子和空穴两种载流子同时参与导电，综上所述，三极管内有自由电子和空穴两种载流子同时参与导电，故称为双极型三极管。三极管内部载流子运动过程示意图如故称为双极型三极管。三极管内部载流子运动过程示意图如图图8.138.13所示。所示。返回上一页第50页，本讲稿共70页图图8.138.13极管内部载流子的运动极管内部载流子的运动返回第51页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页2.2.电流分配关系电流分配关系前面分析了三极管内部载流子的运动过程，下面讨论三个电极
48、的电流分前面分析了三极管内部载流子的运动过程，下面讨论三个电极的电流分配关系。配关系。三极管内各极电流的分配情况如三极管内各极电流的分配情况如图图8.148.14所示。所示。三极管制成后，电子在基区复合所占比例也就确定了。也就是说，三极管制成后，电子在基区复合所占比例也就确定了。也就是说，发射区注入的电子传输到集电结所占的比例是一定的。发射区注入的电子传输到集电结所占的比例是一定的。返回上一页第52页，本讲稿共70页图图8.148.14极管电流分配关系极管电流分配关系返回第53页，本讲稿共70页8.38.3半导体三极管半导体三极管下一页3.3.放大作用放大作用三极管放大电路如图三极管放大电路如
49、图8.158.15所示。因发射极是基极回路和集电极回路所示。因发射极是基极回路和集电极回路的公共端，所以称为共发射极放大电路设的公共端，所以称为共发射极放大电路设I IB B=40=40A,IA,IC C=2.4 mA=2.4 mA，则则I IE E=(0.04+2.4)mA=2.4 mA=(0.04+2.4)mA=2.4 mA，电流分配比例即，电流分配比例即=Ic/I=Ic/IB B-60-60，若调节，若调节R RB B，使，使I IB B增大了增大了IIB B=10=10A A，则，则I IC C也相应增大了也相应增大了IIC C=0.O1 x 60 mA=0.=0.O1 x 60 mA
50、=0.6 mA6 mA。由此可见，基极电流的微小变化，会引起集电极电流很大。由此可见，基极电流的微小变化，会引起集电极电流很大变化，这说明三极管具有电流放大作用。它实际上是利用变化，这说明三极管具有电流放大作用。它实际上是利用I IC C和和I IB B的比例基本上保持一定，以通过改变的比例基本上保持一定，以通过改变I IB B的大小控制的大小控制I IC C的大小。从电压的大小。从电压关系上看，如果关系上看，如果R RB B和和R RC C的阻值选择合适，的阻值选择合适，E EB B电压的很小变化，电压的很小变化，返回上一页第54页，本讲稿共70页图图8.158.15三极管共射极放大电路三极