Transcript 电路电子技术
Slide 1
电工电子技术
——电子技术
Slide 2
第15章 常用半导体器件
15－1
15－2
15－3
15－4
半导体的基本知识
PN结及半导体二极管
特殊二极管——稳压管
半导体三极管
Slide 3
半导体及其特点
导体：如金属
物质
导
电
性
能
绝缘体：如橡皮、陶瓷、塑
料和石英
半导体：如锗、硅、砷化镓
和一些硫化物、氧化物等
Slide 4
半导体及其特点
半导体的导电能力受外界因素的影响很大：
• 对温度敏感 热敏元件
• 对光照敏感 光电管、光电池等光敏元件
• 掺杂 半导体二极管、三极管、场效应管、晶闸
管等半导体器件
半导体的这些特点是由其原子结构决定的
Slide 5
本征半导体
本征半导体：纯净的、结构完整的半导体晶体。
应用最多的本征半导体为硅和锗，原子结构中
最外层的价电子都是四个。通过一定的工艺过
程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻
的四个原子结合，每个原子的一个价电子与另
一个原子的一个价电子组成共用电子对，这对
价电子是此相邻原子共有的，它们通过共价键
将相邻原子结合在一起。
Slide 6
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。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使
原子规则排列，形成晶体。
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，所以本征半导体的导电能力很弱。
Slide 7
本征半导体的导电机理
在绝对零度和无外界激发情况下，价电子完全
被共价键束缚，本征半导体没有可以运动的带
电粒子（即载流子），其导电能力很差
价电子一旦获得足够的能量（温度升高或受光
照）后，便可挣脱共价键的束缚，成为自由电
子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴
Slide 8
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子
束缚电子
Slide 9
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即
自由电子和空穴。二者同时产生，成对出现。
+4
+4
+4
+4
价电子脱离共价键后，
原子的中性被破坏，
由于出现空穴而带正
电，会吸引相邻原子
的价电子来填补空穴，
同时相邻原子的共价
键中出现空穴。价电
子移动的结果相当于
带正电的空穴的反方
向迁移，因此认为空
穴是载流子。
Slide 10
本征半导体的两端加上电压后，在电场力的作
用下，产生的电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
一定温度下，载流子（空穴和自由电子）
的产生与复合达到动态平衡。温度越高，
载流子的数目越多，本征半导体的导电
能力越强。
Slide 11
掺杂半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会
使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺
杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导
体，也称为电子半导体。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，
也称为空穴半导体。
Slide 12
N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂
质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中
四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多
出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易
被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不
能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个
电子，称为施主原子。
Slide 13
+4
+4 多余电子
+5
+4
N 型半导体中
的载流子是什
么？
磷原子
1、施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为
多数载流子（多子），空穴称为少数载流子
（少子）。
Slide 14
P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如
硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被
杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与
相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空
穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得
硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼
原子接受电子，所以称为受主原子。
Slide 15
空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
1、受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
Slide 16
掺杂半导体的示意表示法
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由
于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为
多子与杂质浓度相等。
Slide 17
PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半
导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它
们的交界面处就形成了一个空间电荷区，即PN
结。
Slide 18
内电场越强，就使漂
移运动越强，而阻挡 漂移运动
多子的扩散运动。
N型半导体
P型半导体
内电场E
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
空间电荷区，
也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空
间电荷区逐渐加宽，
形成的内电场增强。
Slide 19
漂移运动
P型半导体
内电场E
N型半导体
－ － － － － －
+
+ + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + +
+ +
+ +
扩散和漂移最终将达到平衡，即P区的空穴向N区扩
散的数目与N区的空穴向P区漂移的数目相等（自由
扩散运动
电子也是如此），此时的空间电荷区（即PN结）稳
定下来，厚度固定不变，对外呈电中性。
Slide 20
电位V
V0
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
P型区
N型区
空间电荷
区（PN结）
Slide 21
PN 结的单向导电性
PN结加正向电压、正向
偏置的意思都是：P区接
电源正极、N区接负极
PN结加反向电压、反向偏
置的意思都是：P区接电源
负电极、N区接正极
Slide 22
PN 结正向偏置
变窄
P
+
N
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
_
内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形
成较大的扩散电流。此时PN结处于导通状
内电场
外电场
态，呈现很小的正向电阻。
R
E
Slide 23
PN 结反向偏置
变宽
P
_
N
－ － － － －
+
+
+
+
+
－ － － － －
+
+
+
+
+
－ － － － －
+
+
+
+
+
－ － － － －
+
+
+
+
+
R
+
内电场被加强，多子的扩散受抑制。少
子漂移加强。由于少子数量有限，只能
内电场
形成较小的反向电流。此时PN结处于截
外电场
止状态，呈现数值很大的反向电阻。
E
Slide 24
PN结加正向电压时，PN结电阻很小，正
向电流很大，PN结处于导通状态；加反
向电压时，PN结电阻很高，反向电流很
小，PN结处于截止状态。可见，PN结具
有单向导电性。
Slide 25
半导体二极管
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
常见的半导体二极管分类：
按材料分
硅二极管
锗二极管
点接触型
按结构分
结面积很小，通过的电
流小，高频性能好。多
面接触型
结面积大，允许通过的
用于高频和小功率电路
电流较大，但工作频率
结面积较大的适宜做脉冲数
平面型 字电路中的开关管，结面积
低。常用于整流电路。
较小的，适用于大功率整流。
Slide 26
半导体二极管结构及符号
点接触型
面接触型
平面型
二极管的电路符号
P
P区引出线
N
N区引出线
Slide 27
二极管的伏安特性曲线
I
反向饱和
电流，硅
管达10-9A,
锗管10-5A
+
+
-
导通压降:
硅管0.6~0.8V,
锗管0.2~0.3V
U
死区电压
反向击穿
外电场不能克服PN结内
硅管0.5V,
电压UBR
电场对多子扩散运动的
反向电流的大小基
锗管0.1V。
阻力，故正向电流很小
本保持恒定，与反
向电压的高低无关
Slide 28
二极管的主要参数
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. 反向击穿电压UBR与反向工作峰值电压URWM
UBR是二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流
剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
反向工作峰值电压URWM一般是UBR的一半或三分之二。
Slide 29
二极管的主要参数
3. 反向峰值电流 IRM
二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向峰值
电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向峰值电流
越小越好。
反向峰值电流受温度影响：温度越高，反向峰值电流越
大。硅管的反向峰值电流较小，锗管的反向峰值电流要
比硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是利用
其单向导电性，主要应用于整流、钳位、限幅、保护等。
Slide 30
二极管的选择
（1）要求死区电压低时选锗管，要求反向电流小时选
硅管。
（2）要求反向击穿电压高时选硅管。
（3）要求耐高温时选硅管。
（4）小功率整流管选2CP系列；大功率整流管选2CZ系
列；高频电路选用2AP系列；开关工作时选用2AK、
2CK系列。
Slide 31
二极管的应用——整流
例1：二极管半波整流
ui
t
ui
RL
uo
uo
t
Slide 32
例2：单相桥式整流电路
c
d
u2
uo
t
t
Slide 33
二极管的应用——钳位
+3V
D1
二极管正向导通时的压降为0.3V
A
0V
VA 3V
D2
B
VB 0V
Y
R
二极管D1优先导通，所以Y点电
位 V V 0.3 2.7 V
Y
A
由于此时 VY VB
二极管D2外加反向电压，所以截止
Slide 34
二极管的应用——限幅
例1：并联二极管限幅电路
Slide 35
例2：串联二极管限幅电路
Slide 36
课堂练习
例3：双向限幅电路
Slide 37
本章习题
P.25
15.3.2，15.3.5
Slide 38
硅和锗原子结构
+32
+14
Si
Ge
+4
Slide 39
硅和锗的晶体结构
Slide 40
硅和锗的共价键结构
电工电子技术
——电子技术
Slide 2
第15章 常用半导体器件
15－1
15－2
15－3
15－4
半导体的基本知识
PN结及半导体二极管
特殊二极管——稳压管
半导体三极管
Slide 3
半导体及其特点
导体：如金属
物质
导
电
性
能
绝缘体：如橡皮、陶瓷、塑
料和石英
半导体：如锗、硅、砷化镓
和一些硫化物、氧化物等
Slide 4
半导体及其特点
半导体的导电能力受外界因素的影响很大：
• 对温度敏感 热敏元件
• 对光照敏感 光电管、光电池等光敏元件
• 掺杂 半导体二极管、三极管、场效应管、晶闸
管等半导体器件
半导体的这些特点是由其原子结构决定的
Slide 5
本征半导体
本征半导体：纯净的、结构完整的半导体晶体。
应用最多的本征半导体为硅和锗，原子结构中
最外层的价电子都是四个。通过一定的工艺过
程，可以将半导体制成晶体。
本征半导体的晶体结构中，每一个原子与相邻
的四个原子结合，每个原子的一个价电子与另
一个原子的一个价电子组成共用电子对，这对
价电子是此相邻原子共有的，它们通过共价键
将相邻原子结合在一起。
Slide 6
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。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使
原子规则排列，形成晶体。
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，所以本征半导体的导电能力很弱。
Slide 7
本征半导体的导电机理
在绝对零度和无外界激发情况下，价电子完全
被共价键束缚，本征半导体没有可以运动的带
电粒子（即载流子），其导电能力很差
价电子一旦获得足够的能量（温度升高或受光
照）后，便可挣脱共价键的束缚，成为自由电
子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴
Slide 8
空穴
+4
+4
+4
+4
自由电子
束缚电子
Slide 9
本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即
自由电子和空穴。二者同时产生，成对出现。
+4
+4
+4
+4
价电子脱离共价键后，
原子的中性被破坏，
由于出现空穴而带正
电，会吸引相邻原子
的价电子来填补空穴，
同时相邻原子的共价
键中出现空穴。价电
子移动的结果相当于
带正电的空穴的反方
向迁移，因此认为空
穴是载流子。
Slide 10
本征半导体的两端加上电压后，在电场力的作
用下，产生的电流由两部分组成：
1. 自由电子移动产生的电流。
2. 空穴移动产生的电流。
本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。
一定温度下，载流子（空穴和自由电子）
的产生与复合达到动态平衡。温度越高，
载流子的数目越多，本征半导体的导电
能力越强。
Slide 11
掺杂半导体
在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会
使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺
杂半导体的某种载流子浓度大大增加。
N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导
体，也称为电子半导体。
P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，
也称为空穴半导体。
Slide 12
N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷
（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂
质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中
四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多
出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易
被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不
能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个
电子，称为施主原子。
Slide 13
+4
+4 多余电子
+5
+4
N 型半导体中
的载流子是什
么？
磷原子
1、施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为
多数载流子（多子），空穴称为少数载流子
（少子）。
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P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如
硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被
杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与
相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空
穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得
硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼
原子接受电子，所以称为受主原子。
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空穴
+4
+4
+3
+4
硼原子
1、受主原子提供的空穴，浓度与受主原子相同。
2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。
P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。
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掺杂半导体的示意表示法
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
P 型半导体
N 型半导体
杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由
于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为
多子与杂质浓度相等。
Slide 17
PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P 型半
导体和N 型半导体，经过载流子的扩散，在它
们的交界面处就形成了一个空间电荷区，即PN
结。
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内电场越强，就使漂
移运动越强，而阻挡 漂移运动
多子的扩散运动。
N型半导体
P型半导体
内电场E
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
－ － － － － －
+ + + + + +
空间电荷区，
也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空
间电荷区逐渐加宽，
形成的内电场增强。
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漂移运动
P型半导体
内电场E
N型半导体
－ － － － － －
+
+ + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + +
+ +
+ +
扩散和漂移最终将达到平衡，即P区的空穴向N区扩
散的数目与N区的空穴向P区漂移的数目相等（自由
扩散运动
电子也是如此），此时的空间电荷区（即PN结）稳
定下来，厚度固定不变，对外呈电中性。
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电位V
V0
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
－ － － － － －
+
+ + +
+
+
P型区
N型区
空间电荷
区（PN结）
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PN 结的单向导电性
PN结加正向电压、正向
偏置的意思都是：P区接
电源正极、N区接负极
PN结加反向电压、反向偏
置的意思都是：P区接电源
负电极、N区接正极
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PN 结正向偏置
变窄
P
+
N
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
－ － － － － －
+
+ + + + +
_
内电场被削弱，多子的扩散加强，能够形
成较大的扩散电流。此时PN结处于导通状
内电场
外电场
态，呈现很小的正向电阻。
R
E
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PN 结反向偏置
变宽
P
_
N
－ － － － －
+
+
+
+
+
－ － － － －
+
+
+
+
+
－ － － － －
+
+
+
+
+
－ － － － －
+
+
+
+
+
R
+
内电场被加强，多子的扩散受抑制。少
子漂移加强。由于少子数量有限，只能
内电场
形成较小的反向电流。此时PN结处于截
外电场
止状态，呈现数值很大的反向电阻。
E
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PN结加正向电压时，PN结电阻很小，正
向电流很大，PN结处于导通状态；加反
向电压时，PN结电阻很高，反向电流很
小，PN结处于截止状态。可见，PN结具
有单向导电性。
Slide 25
半导体二极管
PN 结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
常见的半导体二极管分类：
按材料分
硅二极管
锗二极管
点接触型
按结构分
结面积很小，通过的电
流小，高频性能好。多
面接触型
结面积大，允许通过的
用于高频和小功率电路
电流较大，但工作频率
结面积较大的适宜做脉冲数
平面型 字电路中的开关管，结面积
低。常用于整流电路。
较小的，适用于大功率整流。
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半导体二极管结构及符号
点接触型
面接触型
平面型
二极管的电路符号
P
P区引出线
N
N区引出线
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二极管的伏安特性曲线
I
反向饱和
电流，硅
管达10-9A,
锗管10-5A
+
+
-
导通压降:
硅管0.6~0.8V,
锗管0.2~0.3V
U
死区电压
反向击穿
外电场不能克服PN结内
硅管0.5V,
电压UBR
电场对多子扩散运动的
反向电流的大小基
锗管0.1V。
阻力，故正向电流很小
本保持恒定，与反
向电压的高低无关
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二极管的主要参数
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. 反向击穿电压UBR与反向工作峰值电压URWM
UBR是二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流
剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
反向工作峰值电压URWM一般是UBR的一半或三分之二。
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二极管的主要参数
3. 反向峰值电流 IRM
二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值。反向峰值
电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向峰值电流
越小越好。
反向峰值电流受温度影响：温度越高，反向峰值电流越
大。硅管的反向峰值电流较小，锗管的反向峰值电流要
比硅管大几十到几百倍。
以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是利用
其单向导电性，主要应用于整流、钳位、限幅、保护等。
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二极管的选择
（1）要求死区电压低时选锗管，要求反向电流小时选
硅管。
（2）要求反向击穿电压高时选硅管。
（3）要求耐高温时选硅管。
（4）小功率整流管选2CP系列；大功率整流管选2CZ系
列；高频电路选用2AP系列；开关工作时选用2AK、
2CK系列。
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二极管的应用——整流
例1：二极管半波整流
ui
t
ui
RL
uo
uo
t
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例2：单相桥式整流电路
c
d
u2
uo
t
t
Slide 33
二极管的应用——钳位
+3V
D1
二极管正向导通时的压降为0.3V
A
0V
VA 3V
D2
B
VB 0V
Y
R
二极管D1优先导通，所以Y点电
位 V V 0.3 2.7 V
Y
A
由于此时 VY VB
二极管D2外加反向电压，所以截止
Slide 34
二极管的应用——限幅
例1：并联二极管限幅电路
Slide 35
例2：串联二极管限幅电路
Slide 36
课堂练习
例3：双向限幅电路
Slide 37
本章习题
P.25
15.3.2，15.3.5
Slide 38
硅和锗原子结构
+32
+14
Si
Ge
+4
Slide 39
硅和锗的晶体结构
Slide 40
硅和锗的共价键结构