建筑電工學第4章半導體二極管和三極管

1、第第 4 章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管4.2 半導體二極管半導體二極管4.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管4.4 半導體三極管半導體三極管4.1 半導體的導電特性半導體的導電特性退出退出第第 4 章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管4.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 本征半導體就是完全純凈的、具本征半導體就是完全純凈的、具有晶體結構的半導體。有晶體結構的半導體。 4.1.1 本征半導體本征半導體 自由電子自由電子空穴空穴共價鍵共價鍵SiSiSiSi本征半導體中自由本征半導體中自由電子和空穴的形成電子和空穴的形成 用得最多的半導體是硅或鍺用得最多的半導體是硅或鍺,它它們都是四價

2、元素。將硅或鍺材料提純們都是四價元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價鍵結構。并形成單晶體后，便形成共價鍵結構。在獲得一定能量在獲得一定能量( (熱、光等熱、光等) )后，少量后，少量價電子即可掙脫價電子即可掙脫共價鍵的束縛成為共價鍵的束縛成為自自由電子由電子，同時在共價鍵中就留下一個，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空位，稱為空穴空穴。自由電子和空穴總。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷復合。是成對出現(xiàn)，同時又不斷復合。在外電場的作用下，在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定自由電子逆著電場方向定向運動形成向運動形成電子電流電子電流。帶。帶正電的空穴吸引相鄰原子正電的空穴吸

3、引相鄰原子中的價電子來填補，而在中的價電子來填補，而在該原子的共價鍵中產(chǎn)生另該原子的共價鍵中產(chǎn)生另一個空穴?？昭ū惶钛a和一個空穴?？昭ū惶钛a和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場方向移動，成空穴順著電場方向移動，形成形成空穴電流空穴電流?？梢娫诎雽w中有可見在半導體中有自由自由電子電子和和空穴空穴兩種載流子，它兩種載流子，它們都能參與導電。們都能參與導電?？昭ㄒ苿臃较蚩昭ㄒ苿臃较?電子移動方向電子移動方向 SiSiSiSiSiSiSi4.1.2 N 型半導體和型半導體和 P 型半導體型半導體1. N 型半導體型半導體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷，當某一個硅原在硅或鍺的晶

4、體中摻入五價元素磷，當某一個硅原子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導體稱為數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導體稱為 N 型型半導體。半導體。 SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子多余價電子本征半導體中由于本征半導體中由于載流子數(shù)量極少，導電載流子數(shù)量極少，導電能力很低。如果在其中能力很低。如果在其中參

5、入微量的雜質(zhì)參入微量的雜質(zhì)( (某種元某種元素素) )將使其導電能力大大將使其導電能力大大增強。增強。2. P 型半導體型半導體 在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼，在組摻入三價元素硼，在組成共價鍵時將因缺少一成共價鍵時將因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空位，個電子而產(chǎn)生一個空位，相鄰硅原子的價電子很相鄰硅原子的價電子很容易填補這個空位，而容易填補這個空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個在該原子中便產(chǎn)生一個空穴，使空穴的數(shù)量大空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導體稱為將這種半導體稱為 P 型型半導體。半導體。 SiSiS

6、iSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴價電子填補空位價電子填補空位4.1.3 PN 結及其單向?qū)щ娦越Y及其單向?qū)щ娦?. PN 結的形成結的形成 用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成 P 型半型半導體區(qū)域和導體區(qū)域和 N 型半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成型半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為了一個特殊的薄層，稱為 PN 結。結。 P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合區(qū)擴散并與空穴復合PN 結結內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向2. PN 結的單向?qū)щ娦越Y的單向?qū)щ娦? (1) ) 外加正向電壓外加正向電壓內(nèi)

7、電場方向內(nèi)電場方向E外電場方向外電場方向RIP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 擴散運動增強，形擴散運動增強，形成較大的正向電流成較大的正向電流P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 外電場方向外電場方向IR2. 外加反向電壓外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過少數(shù)載流子越過 PN 結結形成很

8、小的反向電流形成很小的反向電流 多數(shù)載流子的擴散運動難于進行多數(shù)載流子的擴散運動難于進行返回返回4.2 半導體二極管半導體二極管14.2.1 基本結構基本結構 將將 PN 結加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極結加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。按結構分，有點接觸型和面接觸型兩類。管。按結構分，有點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型點接觸型表示符號表示符號正極正極負極負極金銻合金金銻合金面接觸型面接觸型N型鍺型鍺 正極引線正極引線負極引線負極引線 PN 結結底座底座鋁合金小球鋁合金小球引線引線觸絲觸絲N 型鍺型鍺外殼外殼4.2.2 伏安特性伏安特性 二極管和二極管和 PN 結一樣

9、，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線結一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線可見，當外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正向電可見，當外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為稱為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為，鍺管約為0.1V。導通時的正向壓降，硅管約為。導通時的正向壓降，硅管約為0.6 0.7V，鍺管約為，鍺管約為0.2 0.3V。604020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V正向特性正向特

10、性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓擊穿電壓擊穿電壓U(BR)反向特性反向特性I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性0 在二極管上加反向電壓時，反向電流很小。但當反向電在二極管上加反向電壓時，反向電流很小。但當反向電壓增大至某一數(shù)值時，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為壓增大至某一數(shù)值時，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦?。產(chǎn)生擊穿時的電壓稱為反向擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦浴．a(chǎn)生擊穿時的電壓稱為反向擊穿電壓擊穿電壓 U(BR)。4.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù) 1. 最大整流電流最大整流電流 IOM 最大

11、整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。的最大正向平均電流。 2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 URWM 它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿反向擊穿電壓的一半或三分之二。電壓的一半或三分之二。 3. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。 例例 1 在圖中，輸入電位在圖中，輸入電位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 電阻電阻 R 接負電源接負

12、電源 12 V。求輸出端電位。求輸出端電位 VY。 解解 因為因為 VA 高于高于VB ，所以，所以DA 優(yōu)先導通。如果二極管的正向優(yōu)先導通。如果二極管的正向壓降是壓降是 0.3 V，則，則 VY = + 2.7 V。當當 DA 導通后導通后, DB 因反偏而截止。因反偏而截止。 在這里，在這里，DA 起鉗位作用，起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在將輸出端電位鉗制在 + 2.7 V。 二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。二極管的應用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用與整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為它可用與整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件

13、。開關元件。 DA 12VYVAVBDBR返回返回 穩(wěn)壓管是一種特殊的面接穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。其表示觸型半導體硅二極管。其表示符號如下圖所示。符號如下圖所示。 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當反向電壓增反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，然劇增，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管反向擊穿。此反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但化，但穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管兩端的電壓變化兩端的電壓變化很

14、小。利用這一特性，很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管在電路中能起作用。在電路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個：1. 穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ 4. 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 3. 動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ2. 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U5. 最大允許耗散功率最大允許耗散功率 PZMZZZIUr 例例 1 圖中通過穩(wěn)壓管的電流圖中通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流電阻，是限流電阻，其值是否合適？其值是否合適？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mA

15、IZ例例 1 的圖的圖IZ IZM ，電阻值合適。，電阻值合適。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I4.4.1 基本結構基本結構N 型硅型硅二氧化硅保護膜二氧化硅保護膜BECN 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型N 型鍺型鍺ECB銦球銦球銦球銦球PP( (b) )合金型合金型返回返回1. NPN 型三極管型三極管集電區(qū)集電區(qū)集電結集電結基區(qū)基區(qū)發(fā)射結發(fā)射結發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極 C基極基極 B發(fā)射極發(fā)射極 EP 不論平面型或合金型，都分成不論平面型或合金型，都分成 NPN 或或PNP 三層，三層，因此又把晶體管分為因此又把晶體管分為 NPN 型和型和 P

16、NP 型兩類。型兩類。ECB符號符號T集電區(qū)集電區(qū)集電結集電結基區(qū)基區(qū)發(fā)射結發(fā)射結發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)N集電極集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 BNPPN2. PNP 型三極管型三極管CBET符號符號4.4.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實驗中用的是極電路的公共端。實驗中用的是 NPN 型管，為了使晶體管具型管，為了使晶體管具有放大作用，電源有放大作用，電源 EB 和和 EC

17、 的極性必須使的極性必須使發(fā)射結上加正向電發(fā)射結上加正向電壓壓( (正向偏置正向偏置) )，集電結加反向電壓，集電結加反向電壓( (反向偏置反向偏置) )。mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100 設設 EC = 6 V，改，改變可變電阻變可變電阻 RB，則，則基極電流基極電流 IB、集電極、集電極電流電流 IC 和發(fā)射極電流和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測量都發(fā)生變化，測量結果如下表：結果如下表：基極電路基極電路集電極電路集電極電路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.

18、10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶體管電流測量數(shù)據(jù)晶體管電流測量數(shù)據(jù)結論：結論：( (1) )BCEIII 符合基爾霍夫定律符合基爾霍夫定律( (2) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得, 5 .3704. 050. 1BC II 3 .3806. 030. 2BC II 這就是晶體管的電流放大作用。這就是晶體管的電流放大作用。 稱為共發(fā)射極靜態(tài)稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流電流( (直流直流) )放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的基極電流的少量變

19、化少量變化 IB 可以引起集電極電流較大的變化可以引起集電極電流較大的變化 IC 。 4002. 080. 004. 006. 050. 130. 2BC II 式中，式中， 稱為稱為動態(tài)電流動態(tài)電流( (交流交流) )放大系數(shù)放大系數(shù) ( (3) )當當 IB = 0( (將基極開路將基極開路) )時，時，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0UBC VB VE對于對于 PNP 型三極管應滿足型三極管應滿足: UEB 0UCB 0即即 VC VB 0，UBC UBE。BCII ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEB共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路IC / mAUCE /V10

20、0 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)( (2) ) 截止區(qū)截止區(qū) IB = 0 的曲線以下的的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時時, IC = ICEO( (很小很小) )。對。對 NPN 型硅管，當型硅管，當UBE 0.5 V 時，即已開始截止，但時，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，為了使晶體管可靠截止，常使常使 UBE 0，截止時集，截止時集電結也處于反向偏置電結也處于反向偏置( (UBC 0) )，此時此時, IC 0 ，UCE UCC 。( (3) ) 飽和區(qū)飽和區(qū)

21、 當當 UCE 0) )，晶體晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC 和和 IB 不成正比。此時，發(fā)不成正比。此時，發(fā)射結也處于正向偏置，射結也處于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 當晶體管飽和時，當晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很?。划斁w管截止時，個開關的接通，其間電阻很??；當晶體管截止時，IC 0 ，發(fā)，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其

22、間電阻很大，可射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0 IB+ UCE 0 ( (c) )飽和飽和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 飽和飽和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 開始截止開始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN

23、) )鍺管鍺管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶體管結電壓的典型值晶體管結電壓的典型值14.4.4 主要參數(shù)主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) ， 當晶體管接成共發(fā)射極電路時，在靜態(tài)當晶體管接成共發(fā)射極電路時，在靜態(tài)( (無輸入信號無輸入信號) )時集時集電極電流與基極電流的比值稱為電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流靜態(tài)電流( (直流直流) )放大放大系數(shù)系數(shù) BCII 當晶體管工作在動態(tài)當晶體管工作在動態(tài)( (有輸入信號有輸入信號) )時，基極電流的變化時，基極電流的變化量為量為 IB ，它引起集電極電流的變化量為，它引起集