第14章 二極管晶體管

1、電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的材料。導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和半導(dǎo)體之間的材料。 常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有常見(jiàn)的半導(dǎo)體材料有硅、鍺、硒硅、鍺、硒及許多金屬的及許多金屬的氧化物氧化物和和硫化物硫化物等。半導(dǎo)體材料多以等。半導(dǎo)體材料多以晶體晶體的形式存在的形式存在。半導(dǎo)體材料的特性：半導(dǎo)體材料的特性：純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；純凈半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很差；溫度升高溫度升高導(dǎo)電能力增強(qiáng)；導(dǎo)電能力增強(qiáng)；光照增強(qiáng)光照增強(qiáng)導(dǎo)電能力增強(qiáng)；導(dǎo)電能力增強(qiáng)；摻入少量雜質(zhì)摻入少量雜質(zhì)導(dǎo)電能力增強(qiáng)。導(dǎo)電能力增強(qiáng)。電工與電子技術(shù)共價(jià)健共價(jià)健 Si Si

2、 Si Si價(jià)電子價(jià)電子電工與電子技術(shù) Si Si Si Si價(jià)電子價(jià)電子這一現(xiàn)象稱為這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。本征激發(fā)?？昭昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮与姽づc電子技術(shù) Si Si Si Sip+多余多余電子電子磷原子磷原子在常溫下即可變?cè)诔叵录纯勺優(yōu)樽杂呻娮訛樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子變?yōu)檎x子子電工與電子技術(shù) P接正、接正、N接負(fù)接負(fù) PN結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦?，也是由結(jié)具有單向?qū)щ姷奶匦裕彩怯蒔N結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)結(jié)構(gòu)成的半導(dǎo)體器件的主要工作機(jī)理。體器件的主要工作機(jī)理。正向偏置時(shí)外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削正向偏置時(shí)外加電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)方向相反，內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過(guò)少子

3、的漂移運(yùn)動(dòng)，弱，多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)大大超過(guò)少子的漂移運(yùn)動(dòng)，N區(qū)的電區(qū)的電子不斷擴(kuò)散到子不斷擴(kuò)散到P區(qū)，區(qū)，P區(qū)的空穴也不斷擴(kuò)散到區(qū)的空穴也不斷擴(kuò)散到N區(qū)，形成較區(qū)，形成較大的大的正向電流正向電流，這時(shí)稱，這時(shí)稱PN結(jié)處于結(jié)處于導(dǎo)通導(dǎo)通狀態(tài)。狀態(tài)。空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)變變窄窄 R 內(nèi)內(nèi)電電場(chǎng)場(chǎng) 外外電電場(chǎng)場(chǎng) P N I正正向向 US 電工與電子技術(shù) E R 內(nèi)電場(chǎng) 外電場(chǎng) 空間電荷區(qū)變寬 P N IR 反向偏置時(shí)內(nèi)、外電場(chǎng)方向相同，因此內(nèi)電場(chǎng)反向偏置時(shí)內(nèi)、外電場(chǎng)方向相同，因此內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)增強(qiáng)，致，致使多子的擴(kuò)散難以進(jìn)行，即使多子的擴(kuò)散難以進(jìn)行，即PN結(jié)對(duì)反向電壓呈結(jié)對(duì)反向電壓呈高阻高阻特性；反特性；反

4、偏時(shí)偏時(shí)少子少子的漂移運(yùn)動(dòng)雖然被加強(qiáng)，但由于數(shù)量極小，反向電的漂移運(yùn)動(dòng)雖然被加強(qiáng)，但由于數(shù)量極小，反向電流流 IR一般情況下可忽略不計(jì)，此時(shí)稱一般情況下可忽略不計(jì)，此時(shí)稱PN結(jié)處于結(jié)處于截止截止?fàn)顟B(tài)。狀態(tài)。 PNPN結(jié)的結(jié)的“正偏導(dǎo)通，反偏阻斷正偏導(dǎo)通，反偏阻斷”稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，稱為其單向?qū)щ娦再|(zhì)，這正是這正是PNPN結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)成半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。 電工與電子技術(shù) 將將PN結(jié)加上電極引線及外殼，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。結(jié)加上電極引線及外殼，就構(gòu)成了半導(dǎo)體二極管。 PN結(jié)是二極管的核心，也是所有半導(dǎo)體器件的核心。結(jié)是二極管的核心，也是所有半導(dǎo)體器件的核心。電工與電子技術(shù)陰極引

5、線陰極引線陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽(yáng)極引線陽(yáng)極引線PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型圖圖 1 12 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào) 陰極陰極陽(yáng)極陽(yáng)極( d ) 符號(hào)符號(hào)D電工與電子技術(shù)14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 -60 -40 -20 0.4 0.8 U /V 40 30 20 10 I /mA 0 正向特性 反向特性 死區(qū)電壓

6、 （1 1）正向特性）正向特性 二極管外加正向電壓較二極管外加正向電壓較小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)小時(shí)，外電場(chǎng)不足以克服內(nèi)電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，電場(chǎng)對(duì)多子擴(kuò)散的阻力，PN結(jié)仍處于結(jié)仍處于截止截止?fàn)顟B(tài)狀態(tài) 。 反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。反向電壓大于擊穿電壓時(shí)，反向電流急劇增加。 正向電壓大于死區(qū)電壓正向電壓大于死區(qū)電壓后，正向電流后，正向電流 隨著正向電隨著正向電壓增大迅速上升。通常死區(qū)壓增大迅速上升。通常死區(qū)電壓硅管約為電壓硅管約為0.5V，鍺管約鍺管約為為0.2V。（2 2）反向特性）反向特性外加反向電壓時(shí)，外加反向電壓時(shí)， PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反向電流很??；結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)，反

7、向電流很??； 顯然顯然,二極管的伏安特性不是直線，因此屬于二極管的伏安特性不是直線，因此屬于非非線性線性電阻元件。電阻元件。電工與電子技術(shù)14.3.3 14.3.3 主要參數(shù)主要參數(shù) 二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)二極管的特性不僅可用伏安曲線表示，也可用一些數(shù)據(jù)進(jìn)行說(shuō)明這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參據(jù)進(jìn)行說(shuō)明這些數(shù)據(jù)就是二極管的參數(shù)。二極管的主要參數(shù)有：數(shù)有：1. 最大整流電流最大整流電流 IOM 二極管長(zhǎng)時(shí)間使用所允許通過(guò)的最大二極管長(zhǎng)時(shí)間使用所允許通過(guò)的最大正向平均電流。正向平均電流。2. 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 URWM 保證二極管不被擊穿而給出的保證

8、二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，為反向擊穿電壓的反向峰值電壓，為反向擊穿電壓的1/2至至2/3。3. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM 二極管加反向峰值電壓時(shí)的反向電流二極管加反向峰值電壓時(shí)的反向電流值。該值愈大說(shuō)明二極管的性能愈差，硅管的此參數(shù)值為值。該值愈大說(shuō)明二極管的性能愈差，硅管的此參數(shù)值為微安級(jí)以下。微安級(jí)以下。電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是理想的，若二極管是理想的，電工與電子技術(shù) 穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電二極管。它在電路中常用作穩(wěn)定電壓

9、的作用，故稱為穩(wěn)壓管。壓的作用，故稱為穩(wěn)壓管。 穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)：穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)： 穩(wěn)壓管的伏安特性：穩(wěn)壓管的伏安特性：U(V)0.400.8-8-4I (mA)204010-20-1030-12反向正向 穩(wěn)壓管的伏安特性曲線穩(wěn)壓管的伏安特性曲線與普通二極管類似，只是與普通二極管類似，只是反向曲線更陡一些。反向曲線更陡一些。電工與電子技術(shù) 穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)壓管的主要參數(shù)：穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓Uz 指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的端電壓。指穩(wěn)壓管正常工作時(shí)的端電壓。（其數(shù)值具有分散性）（其數(shù)值具有分散性）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ 正常工作的參考電流值。低于此正常工作的參考電流值。低于此值穩(wěn)壓效果差。在不超過(guò)額

10、定功率的值穩(wěn)壓效果差。在不超過(guò)額定功率的前提下，高于此值穩(wěn)壓效果好，即工前提下，高于此值穩(wěn)壓效果好，即工作電流越大穩(wěn)壓效果越好。作電流越大穩(wěn)壓效果越好。U(V)0I (mA)反向正向UZIZ電工與電子技術(shù)(3) 電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化環(huán)境溫度每變化1 1 C引起引起穩(wěn)壓值變化的穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)百分?jǐn)?shù)。(4) 動(dòng)態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻ZZ ZIUr(5) 穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流、最大穩(wěn)定電流 IZM(6) 最大允許耗散功率最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。電工與電子技術(shù)14.5 14.5 半導(dǎo)體三

11、極管半導(dǎo)體三極管14.5.1 14.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)N型硅型硅P型型N型型二氧化硅保護(hù)膜CBEN型鍺銦球銦球P型P型CEB平面型結(jié)構(gòu)合金型結(jié)構(gòu) 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管(晶體管晶體管)是最重要的一種半導(dǎo)體是最重要的一種半導(dǎo)體器件。廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。器件。廣泛應(yīng)用于各種電子電路中。電工與電子技術(shù)NNP發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)EBCNPP發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)集電區(qū)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)集電結(jié)集電結(jié)EBCBECBEC 晶體管最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有平面型和合金型兩種。平面型晶體管最常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有平面型和合金型兩種。平面型都是硅管、合金型主要是鍺管。它們都具有都是硅管、

12、合金型主要是鍺管。它們都具有NPN或或PNP的的三層兩結(jié)三層兩結(jié)的結(jié)構(gòu)，因而又有的結(jié)構(gòu)，因而又有NPN和和PNP兩類晶體管。兩類晶體管。 其三層分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并引出其三層分別稱為發(fā)射區(qū)、基區(qū)和集電區(qū)，并引出發(fā)發(fā)射極射極(E)、基極基極(B)和和集電極集電極(C)三個(gè)電極。三層之間的兩三個(gè)電極。三層之間的兩個(gè)個(gè)PN結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。結(jié)分別稱為發(fā)射結(jié)和集電結(jié)。電工與電子技術(shù)基區(qū)：最薄，基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高雜濃度最高電工與電子技術(shù)EEBRBRC電工與電子技術(shù)晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路 mA AVVmAICEC

13、IBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100電工與電子技術(shù)符合基爾霍夫定律符合基爾霍夫定律電工與電子技術(shù)+ UBE ICIEIB CT E B +UCE (a) NPN 型晶體管；型晶體管；+ UBE IBIEIC CT EB +UCE (b) PNP 型晶體管型晶體管電工與電子技術(shù)BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區(qū)空穴向發(fā)基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流散，形成發(fā)射極電流I IE E。進(jìn)入進(jìn)入P P 區(qū)的電子少區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成

14、電流合，形成電流I IBE BE ，多，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成收集，形成I ICECE。集電結(jié)反偏，有集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電少子形成的反向電流流I ICBOCBO。電工與電子技術(shù)ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有有忽忽略略電工與電子技術(shù)14.5.314.5.3 特性曲線特性曲線ICIBRBUBBUCCRCVVAmA +UCE +

15、UBE0.4 0.8 UBE /V40302010IB /mA0UCE1V測(cè)量三極管特性的實(shí)驗(yàn)電路 三極管的輸入特性曲線晶體管的輸入特性與二極管類似晶體管的輸入特性與二極管類似死區(qū)電壓死區(qū)電壓 UCE 1V，原因是，原因是b、e間加正向電壓。這時(shí)集電極的電位比基極高，集間加正向電壓。這時(shí)集電極的電位比基極高，集電結(jié)為反向偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分?jǐn)U散到集電結(jié)，只有一電結(jié)為反向偏置，發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的電子絕大部分?jǐn)U散到集電結(jié)，只有一小部分與基區(qū)中的空穴復(fù)合，形成小部分與基區(qū)中的空穴復(fù)合，形成IB。 與與UCE=0V時(shí)相比時(shí)相比 ，在，在UBE相同的條件下，相同的條件下，IB要小的多。從圖中

16、可以看要小的多。從圖中可以看出，導(dǎo)通電壓約為出，導(dǎo)通電壓約為0.5V。嚴(yán)格地說(shuō)，當(dāng)。嚴(yán)格地說(shuō)，當(dāng)UCE逐漸增加逐漸增加 時(shí)，時(shí)，IB逐漸減小，曲逐漸減小，曲線逐漸向右移。這是因?yàn)榫€逐漸向右移。這是因?yàn)閁CE增加時(shí)，集電結(jié)的耗盡層變寬，減小了基區(qū)增加時(shí)，集電結(jié)的耗盡層變寬，減小了基區(qū)的有效寬度，不利于空穴的復(fù)合，所以的有效寬度，不利于空穴的復(fù)合，所以IB減小。不過(guò)減小。不過(guò)UCE超過(guò)超過(guò)1V以后再增以后再增加，加，IC增加很少，因?yàn)樵黾雍苌?，因?yàn)镮B的變化量也很小，通?？梢院雎缘淖兓恳埠苄。ǔ？梢院雎訳CE變化對(duì)變化對(duì)IB的影的影響，認(rèn)為響，認(rèn)為UCE 1V時(shí)的時(shí)的 曲線都重合在一起。曲線都

17、重合在一起。電工與電子技術(shù) 4 3 2 1 IB=0 0 3 6 9 12 UCE /V 20A 40A 60A 80A 100A 飽飽和和區(qū)區(qū) 截截止止區(qū)區(qū) 放放 大大 區(qū)區(qū) IC /mA （1）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置）放大區(qū)：發(fā)射極正向偏置，集電結(jié)反向偏置（2）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置）截止區(qū)：發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置 （3）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置）飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)正向偏置2 2輸出特性曲線輸出特性曲線BCii0 0CBii；iB0，uBE0，uCEuBEBCii電工與電子技術(shù)14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) BCII_ BCII 電工與電子技術(shù) AICEOIB=0+ICBO A+EC電工與電子技術(shù)電工與電子技術(shù)ICMU(BR)CEOICUCEO安全工作區(qū)安全工作區(qū)電工與電子技術(shù)14.6 14.6 光電器件光電器件 發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光發(fā)光二極管是一種能把電能直接轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由元件。發(fā)光二極管和普通二極管一樣，管芯由PN結(jié)構(gòu)成，結(jié)構(gòu)成，具有單向?qū)щ娦?。具有單向?qū)щ娦浴?發(fā)光二極管是一種功率控制器件，常用來(lái)作為數(shù)字電路的發(fā)光二極管是一種功率控制器件，常用來(lái)作為數(shù)字電路的數(shù)碼及圖形顯示的七段式或陣列式器件；單個(gè)發(fā)光二極管常