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1、单晶硅单晶硅(Si)的原子结构平面示意图的原子结构平面示意图 Si Si Si Si Si Si Si Si Si共价键共价键价电子价电子1.常用的半导体材料Jons Jakob Berzelius-瑞典,1823、C1emens Alexander Winkler-德国，1886硅 Si(Silicon)和锗 Ge(Germanium)均为四价元素，原子最外层有4个价电子。2.本征半导体定义：高度纯净、晶格完整的半导体称为本征半导体。一、半导体的基本知识第1页/共41页3.本征半导体的物理性能 Si Si Si Si Si Si Si Si Si温度(T)一定时，载流子数量一定。当t时，载流
2、子数量。价电子依次填补空穴，形成电子电流和空穴电流。在室温下受热激发时，产生电子空穴对；在绝对零度(T=0K)时，由于没有自由电子而不导电，相当于绝缘体；l 半导体中有两种载流子：自由电子和空穴，这就是半导体导电的重要物质基础。自由电子自由电子空穴空穴l 半导体的导电性能受温度影响很大。第2页/共41页 4.半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。3)3)掺杂性掺杂性：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(可做成各种半导体器件：如二极管、三极管和晶闸管等）。可做成各种半导体器件：如二极管、三极管
3、和晶闸管等）。2)2)光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等可做成各种光敏元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。1)热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强第3页/共41页 Si Si Si Si Si Si Si Si Si共价键共价键5.掺杂(杂质)半导体掺入微量的掺入微量的五价元素五价元素：磷磷P(P(或锑或锑)1)N型半导体:多数载流子为电子多数载流子为电子，少数载流子为空穴。少数载流子为空穴。在室温下就可以激发成自由电子第4页/共41页 Si Si Si Si Si Si Si Si
4、 Si共价键共价键掺入微量的三价元素：掺入微量的三价元素：硼硼B(B(或铝或铝)2)P型半导体:受主原子空位吸引邻近原子的价电子填充。多数载流子为空穴多数载流子为空穴，少数载流子为电子。少数载流子为电子。第5页/共41页6.小结：1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。其中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。3)杂质半导体中，杂质浓度决定多子的数量，环境温度决定少子的数量。提示：N型与P型两种半导体，对外均呈电中性。第6页/共41页7.7.PNPNPNPN结的形成结的形成多子的扩散运
5、动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动多子浓度差异P P 型半导体型半导体N N 型半导体型半导体内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变窄。扩散越强，空间电荷区越宽。最后扩散运动和漂移运动达到动态平衡时，便形成稳定的空间电荷区，即PN 结。+形成空间电荷区第7页/共41页8.PN8.PN结的单向导电性结的单向导电性 1)PN 1)PN 结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄 P P接正极、接正极、N N接负极接负极 外电场外电场IF内电场被削弱，内电场被削弱，多子的扩散加强，多子的扩散加强，最后形成较大的最后形成较大的扩散电流扩散电流IF 。PN
6、 PN 结外加正向电压时，结外加正向电压时，PN结变窄，有较大的正向扩散电流，PN PN 结呈现结呈现低低阻性，即阻性，即 PN PN 结外加正向电压结外加正向电压导通导通。内电场内电场PN+第8页/共41页 2)PN 2)PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场 P P接负极、接负极、N N接正接正 极极内电场内电场P PN N+第9页/共41页PN PN 结变宽结变宽外电场外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子浓度很低，形成很小的反向电流IR IR反向电流受温度影响较大，温度反向电流受温度影响较大，温度，反向电流，反向电流 。+PN PN 结外加反向电压时，
7、结外加反向电压时，PNPN结变宽，只有微弱的反向漂结变宽，只有微弱的反向漂移电流，移电流，PNPN结呈结呈高高阻性，即阻性，即PN PN 结外加反向电压结外加反向电压截止截止。内电场内电场P PN N+综上所述，PN 结具有单向导电特性。反向饱和电流反向饱和电流I IS S第10页/共41页金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(a )点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(b )面接触型1 1、基本结构、基本结构阴极阳极 D二、半导体二极管二、半导体二极管按材料分：硅按材料分：硅(Si)(Si)管和锗管和锗(Ge)(Ge)管；管；按工艺分：点接触型和面接触型及平面型；按工艺
8、分：点接触型和面接触型及平面型；符号：符号：(D Diode)iode)阳极阴极管壳按用途分：整流管、稳压管、按用途分：整流管、稳压管、开关管等。开关管等。PN型号：型号：2AP152AP15二极管二极管C:NC:N型型SiSi材料材料极性极性A A:N:N型型GeGeB:PB:P型型GeGeD:PD:P型型SiSi类型类型P P:普通管普通管Z:Z:整流管整流管 K:K:开关管开关管 W:W:稳压管稳压管序号序号例如2CZ10,2CW18等。第11页/共41页2 2、伏安特性、伏安特性反向击穿反向击穿电压电压U UB B导通管压降导通管压降U UD DU UI I死区电压死区电压U UT T
9、P PN N+P PN N+另外另外,伏安特性与温度伏安特性与温度T T有关，有关，当当T T时时,U UT T,U UB B,I IR R。iD=0UT=0.5 V (硅管)0.1 V (锗管)U UTiD 急剧上升0 U UT UD=0.7 V (硅管)0.3 V (锗管)U UB反向电流急剧增大反向电流急剧增大二极管被反向击穿正向特性：正向特性：反向特性：反向特性：第12页/共41页3、主要特性：单向导电特性 1)1)二极管加二极管加正向电压正向电压（正向偏置正向偏置阳极接正、阴极接负阳极接正、阴极接负 ）大于死区电压时，大于死区电压时，二极管处于二极管处于导通导通状态，二极管正向电阻较
10、状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。小，正向电流较大。导通时管压降：导通时管压降：硅硅0.7V0.7V；锗锗0.3V0.3V 2)2)二极管加二极管加反向电压反向电压（反向偏置反向偏置阳极接负、阴极接正阳极接负、阴极接正 ）时，）时，二极管处于二极管处于截止截止状态，二极管反向电阻较大，反向电状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。流很小。当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，当反向电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。失去单向导电性。第13页/共41页3 3、主要参数、主要参数1)1)最大整流电流（额定正向平均电流）最大整流电流（额定正向平均电流）I IF F二极管
11、长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。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)2)正向电压降正向电压降U UF F二极管的电流为额定正向平均电流时，二极管两端电压。二极管的电流为额定正向平均电流时，二极管两端电压。4)4)最大反向电流最大反向电流I IRMRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。反向电流愈小，说明管子的单向导电性愈好。3)3)最高反向工作电压最高反向工作电压U URMRM保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，保证二极管不被击穿所允许施加的最大反向电压，一般为反向击穿
12、电压一般为反向击穿电压U UB B的一半或三分之二。的一半或三分之二。第14页/共41页 4 4、二极管的应、二极管的应用用 二极管正向压降二极管正向压降:硅硅0 0.60.8V.60.8V锗锗0 0.2.20.3V0.3V若忽略管压降，则为理想二极管若忽略管压降，则为理想二极管:正向导通时，二极管相当于短路正向导通时，二极管相当于短路;反向截止时，二极管相当于开路。反向截止时，二极管相当于开路。广泛地应用于广泛地应用于整流整流、检波、检波、限幅限幅与削波、与削波、钳位钳位与隔离、元件保护以及与隔离、元件保护以及开关电路开关电路中。中。开关特性开关特性问题：如何判断二极管是导通还是截止？问题：
13、如何判断二极管是导通还是截止？分析方法：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将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压U UDD的正负。的正负。理想二极管：理想二极管：若若V V阳阳VV阴阴或或U UD D00（正向偏置），（正向偏置），二极管导通；二极管导通；若若V V阳阳VV阴阴或或U UD D0VV阴阴 ，二极管导通。二极管导通。若考虑管压降，若考虑管压降，则二极管为则二极管为GeGe管时管时,U UABAB为为6.36.3；二极管为二极管为Si Si 管时管时,U UABAB为为6.7V 6.7V。解：D6V12V3k BAUAB+(a)第16页/共41页两
14、个二极管的阴极两个二极管的阴极接在一起接在一起(即共阴即共阴极极)，此时阳，此时阳极与阴极极与阴极电位差大者，电位差大者，优先导通优先导通。(b)在这里，在这里，D D2 2 起起钳位钳位作用，作用，D D1 1起起隔离隔离作用。作用。BD16V12V3k AD2UAB+解：D2 优先导通电压UAB=0 V设设B B点为电位参考点，则点为电位参考点，则电位电位V V1 1阳阳 =6 V6 V，V V2 2阳阳=0 V=0 V，V V1 1阴阴 =V V2 2阴阴=12 V12 V阳阳极与阴极的极与阴极的电位差电位差U UD1D1=6V=6V，U UD2D2=12V=12VD2导通后,V1阴=0
15、 V,D1承受反向电压，D1截止。二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阴极接法，阳极电位高的优先导通；二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。二极管共阳极接法，阴极电位低的优先导通。第17页/共41页u ui i 8V 8V时，二极管导通，时，二极管导通，D D可看作短路可看作短路 u uo o=8V=8Vu ui i 8V 8V时，二极管截止，时，二极管截止，D D可看作开路可看作开路 u uo o=u ui i已知：已知：二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 u uo o 波形。波形。8V8V例例2 2：u ui i18V18V二极管阴极电位为二极管阴极电位为 8 V8
16、 VD D8V8VR Ru uo ou ui i+D D 起限幅起限幅(或削波或削波)作用。作用。若若D D反向放置反向放置,u uo o 波形波形如何？如何？若若R R与与D D对调对调,u uo o 波形又波形又如何？如何？第18页/共41页反向特性反向特性曲线很陡曲线很陡三、稳压管与其它二极管三、稳压管与其它二极管 IZ2.2.伏安特性伏安特性稳压管正常工作时加反向电压。稳压管正常工作时加反向电压。使用时需加限流电阻使用时需加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中实现稳压作用。IZIZM_+阴极阳极 1.1.符号符号 UZUZUIO+DZ
17、 DZ 正向特性与正向特性与普通二极管相同普通二极管相同第19页/共41页3.3.主要参数主要参数1)1)稳定电压稳定电压UZ 稳压管正常工作稳压管正常工作(反向击穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。3)3)动态电阻动态电阻2)2)稳定电流稳定电流 IZ、最大稳定电流、最大稳定电流 IZM4)4)最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM=UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。UZ IZIZIZMUI UZ第20页/共41页4.4.其它类型二极管其它类型二极管1）发光二极管发光二极管具有单向导电性。当外加的正向电压使得正向电流足够大时才发光，正向电流愈大，发光愈强。第21页/
18、共41页2）光电二极管光电二极管是远红外线接收管，是一种光能与电能进行转换的器件。光电二极管的工作原理：它是利用PN结外加反向电压时，在光线照射下，改变反向电流和反向电阻，当没有光照射时，反向电流很小，反向电阻很大；当有光照射时，反向电阻减小，反向电流加大。第22页/共41页四、半导体三极管四、半导体三极管1 1、基本结构、基本结构1)NPN1)NPN型型符号：符号：2)PNP2)PNP型型Collector 集电极集电极Base 基极基极Emitter 发射极发射极集电区集电区N NP P基区发射区发射区N N集电结集电结发射结发射结EBCEBC符号：符号：C 集电极集电极B 基极基极E 发
19、射极发射极集电区集电区P PN N基区发射区发射区P P集电结集电结发射结发射结IEIEIBIBICIC第23页/共41页很薄且掺杂浓度最低-1掺杂浓度最高-1003)3)结构特点结构特点掺杂浓度次之掺杂浓度次之-98-98这种结构特点是它具有电流放大作用的内在物质条件。这种结构特点是它具有电流放大作用的内在物质条件。C 集电极集电极B 基极基极E 发射极发射极集电区集电区N NP P基区发射区发射区N N集电结集电结发射结发射结第24页/共41页第25页/共41页2 2、电流放大原理、电流放大原理发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏.对对 PNP PNP 型三极管型三极管 发射结正偏
20、发射结正偏 V VB B V VE E 集电结反偏集电结反偏 V VCC V VE E 集电结反偏集电结反偏 V VC C V VB B 即即 ：V VC C V VB B V VE E 集电极电位最高集电极电位最高 即即 V VE E V VB B V VCC 发射极发射极电位最高电位最高 B BEC CN NN NP PEBRBE ECCRCIEICIBB BEC CP PP PN NEBRBE ECCRCIEICIB共射极放大电路1)三极管放大的外部条件UBE=0.3V,0.7VUBE=-0.3V,-0.7V第26页/共41页2)2)各极电流关系及电流放大作用各极电流关系及电流放大作用I
21、 IB B(mA)(mA)I IC C(mA)(mA)I IE E(mA)(mA)0 00.020.020.040.040.060.060.080.080.100.100.010.010.700.701.501.502.302.303.103.103.953.950.010.010.720.721.541.542.362.363.183.184.054.05.三电极电流关系三电极电流关系 I IE E=I IB B+I IC C.I IC C I IB B ，I IC C I IE E .I IC C I IB B 基极电流的微小变化IB能够引起较大的集电极电流变化IC,这就是三极管的电流放大
22、作用。B BEC CN NN NP PEBRBE ECCRCIEICIB第27页/共41页3)3)三极管内部载流子的运行规律三极管内部载流子的运行规律BECNNPEBRBECIEIBNICNICBO基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBN，多数扩散到集电结。基区的电子作为集电结少子，漂移进集电区被集电极收集，形成ICN。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。第28页/共41页发射极是输入回路和输出回路的公共端 共射放大电路输入回路输入回路输出回路输出回路 测量晶体管特性的实验线路ICEBmA
23、 AVUCEUBERBIBECV+3 3、特性曲线特性曲线第29页/共41页1)1)输入特性输入特性特点特点:非线性非线性正常工作时发射结电压：正常工作时发射结电压：NPNNPN型硅管型硅管，U UBE BE 0.7V 0.7VPNPPNP型锗管，型锗管，U UBE BE 0.3V 0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOUBEIB+RBEB第30页/共41页2)输出特性IB=020 A40 A60 A80 A100 A36IC(mA )1234UCE(V)912O输出特性曲线通常分三个工作区：输出特性曲线通常分三个工作区：ICmAUCEIBECV+第31页/共
24、41页IB=020 A40 A60 A80 A100 A36IC(mA )1234UCE(V)9120放大区放大区放大区 在放大区有在放大区有 I IC C=I IB B ，称为称为线性区，具，具有恒流特性。发射结正偏、集电结反偏，晶体管工作于，晶体管工作于放大状态。状态。截止区截止区I IB B=0=0 以下区域以下区域，有，有 I IC C 0 0 。发射结、集电结均反偏，晶体管，晶体管工作在工作在截止状态。状态。饱和区饱和区 当当U UCECE U UBEBE时时，晶体管工作在晶体管工作在饱和状态。IC IB 发射结、集电结均正偏。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1
25、V。饱饱和和区区截止区截止区U UCESCES第32页/共41页4 4、主要参数主要参数1)1)电流放大系数：电流放大系数：、直流电流放大系数直流电流放大系数交流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成共射极电路时，当晶体管接成共射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：注意：和和 的含义不同，但在特性曲线近于平行的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且等距并且I ICE0 CE0 较小的情况下，两者数值非常接近。较小的情况下，两者数值非常接近。常用晶体管
26、的常用晶体管的 值在值在20 20020 200之间。之间。第33页/共41页2)2)集集-基极反向饱和电流基极反向饱和电流 I ICBOCBO I ICBOCBO是由少数载流子的是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。受温度的影响大。温度温度I ICBOCBO ICBO A+EC3)3)集集-射极穿透电流射极穿透电流I ICEOCEO AICEOIB=0+I ICEOCEO受温度的影响大。受温度的影响大。温度温度I ICEOCEO，所以所以I IC C也也相应增加。相应增加。三极管的温三极管的温度特性较差。度特性较差。第34页/共41页4)4)集电极最大允
27、许电流集电极最大允许电流 I ICMCM5)5)集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U UCEO(BR)CEO(BR)I IC C超过一定值时，其超过一定值时，其 值要下降值要下降。当集当集射极之间的电压射极之间的电压U UCE CE 超过一定的数值时，超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是三极管就会被击穿。手册上给出的数值是2525 C C、基极开路时的击穿电压基极开路时的击穿电压U U CEO(BR)CEO(BR)。6)集电极最大允许耗散功耗集电极最大允许耗散功耗PCM P PCMCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧
28、坏三极管。温升过高会烧坏三极管。PC PCM=IC UCE 硅硅管允许结温约为管允许结温约为150150 C C，锗锗管约为管约为7070 9090 C C。第35页/共41页I IC CU UCECE=P=PCMCMICMU(BR)CEO安全工作区5 5、安全工作区、安全工作区ICUCEO过损耗区过损耗区过流区过流区反向击穿区反向击穿区第36页/共41页工作在放大状态，利用工作在放大状态，利用I IB B对对I IC C的控制作用。的控制作用。1.1.用于交流放大电路中用于交流放大电路中 I ICC=I ICEOCEO 0 0，c c、e e之间相当于断路，之间相当于断路，三极管相当于一个开
29、关处于三极管相当于一个开关处于断开断开状态。状态。U UCES CES 00，c c、e e之间相当于短路，之间相当于短路，三极管相当于一个开关处于三极管相当于一个开关处于接通接通状态。状态。2.2.用于数字电路中用于数字电路中工作在截止或饱和状态，利用其开关特性。工作在截止或饱和状态，利用其开关特性。截止时截止时：饱和时饱和时：6 6、主要应用、主要应用第37页/共41页7、三极管型号的含义2)2)用字母表示三极管的材料与类型。如用字母表示三极管的材料与类型。如A A表示表示PNPPNP型锗管，型锗管，B B表示表示NPNNPN型锗管，型锗管，C C表示表示PNPPNP型硅管，型硅管，D D表示表示NPNNPN型硅管型硅管。3)由字母组成，表示器件类型，即表明管子的功能。如:X表示低频小功率管，G表示高频小功率管，D表示低频大功率管，A表示高频大功率管。三极管的型号一般由五部分组成,如3AX31A、3DG12B、3CG14G等。下面以3DG12B为例说明各部分的含义。1)用数字表示电极数目。“3”代表三极管。4)用数字表示三极管的 序号。(5)由字母组成,表示三极管的规格号。第38页/共41页8、常见三极管的外形结构、常见三极管的外形结构实物照片实物照片第39页/共41页谢谢观看！第40页/共41页感谢您的观赏第41页/共41页