半導(dǎo)體二極管和三極管課件

電工電子技術(shù)基礎(chǔ)武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系第6章半導(dǎo)體二極管和三極管電工電子技術(shù)基礎(chǔ)武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系第6章半導(dǎo)體二1目錄1.1電路和電路模型1.2電路基本物理量1.3電阻元件、電感元件和電容元件1.4電壓源、電流源及其等效變換1.5基爾霍夫定律1.6復(fù)雜電路的分析和計(jì)算

目錄6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)6.2半導(dǎo)體二極管6.3穩(wěn)壓二極管6.4發(fā)光二極管6.5半導(dǎo)體三極管第6章半導(dǎo)體二極管和三極管目錄1.1電路和電路模型1.2電路基本物26.1半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣36.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素.6.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是完全純凈4

純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體——晶體管名稱的由來

1.本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)6.1.1本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上5

2.自由電子與空穴共價(jià)鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子,同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。263.熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-----

熱激發(fā)

自由電子在運(yùn)動(dòng)中遇到空穴后，兩者同時(shí)消失，稱為復(fù)合現(xiàn)象

溫度一定時(shí)，本征半導(dǎo)體中的自由電子—空穴對的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對數(shù)目越多。SiSiSiSi自由電子空穴3.熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象74.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式SiSiSiSi價(jià)電子空穴當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流；而空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)4.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式SiSiSiSi價(jià)電子空穴當(dāng)半8

在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子自由電子和空穴

因?yàn)?，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響很大。4.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體96.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它五價(jià)元素）。

自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶106.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。

空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體在硅116.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個(gè)晶體仍然是不帶電的。6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體不論N型半導(dǎo)體12

6.1.3PN結(jié)1.PN結(jié)的形成自由電子PN空穴6.1.3PN結(jié)1.PN結(jié)的形成自由電子PN空穴13PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1.PN結(jié)的形成自由電子PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1.PN結(jié)的形成自由電子PN141.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止1.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)152.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN162.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)外加反向電壓使PN結(jié)截止

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流

----反向電流特點(diǎn):受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+-變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=02.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)外加反向電壓使PN結(jié)截止172.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

（1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。返回2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)論P(yáng)N結(jié)具有單向?qū)?86.2半導(dǎo)體二極管6..2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型表示符號(hào)6.2半導(dǎo)體二極管6..2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合19正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓6.2.2二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。正向O0.40.8U/VI20

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。1.正向特性正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓6.2.2二極管的伏安特性死區(qū)電壓：1.正向特性正向O0.421反向電流：很小反向飽和電流：幾乎不隨電壓而變反向擊穿電壓UBR2.反向特性6.2.2二極管的伏安特性正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓反向電流：很小2.反向特性6.2.2二極管的伏安特性正226.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。2.最大反向工作電壓URM:保證二極管不被擊穿所允許的最高反向電壓。一般為反向擊穿電壓的1/2~1/3.3最大反向電流IRM:二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。6.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：2.最大反向23例6.1在圖6.10所示電路中，二極管是導(dǎo)通還是截止？

解先將二極管D拿開，比較二極管陽極與陰極的電位高低，若陽極電位高，則二極管D導(dǎo)通；反之截止。設(shè)兩電源公共端G電位為0，則二極管陽極電位為－6V，陰極電位為－3V，陽極電位低于陰極電位，故二極管D截止。例6.1在圖6.10所示電路中，二極管是導(dǎo)通還是截止？24例6.2如圖6.11(a)所示電路中，已知E=5V，輸入電壓ui=10sinωt，試畫出輸出電壓uo的波形圖。

解如圖6.11(b)畫出輸入電壓ui和E的波形。0~1段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui1~2段，ui>E，二極管陽極電位高于陰極電位，D導(dǎo)通，uo=E2~3段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui3~4段，ui>E，二極管陽極電位高于陰極電位，D導(dǎo)通，uo=E4~5段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui由此畫出輸出電壓uo的波形圖如圖6.11(c)所示例6.2如圖6.11(a)所示電路中，已知E=5V，輸25

例6.3:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.3V(二極管導(dǎo)通電壓0.7V)解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回例6.3:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V266.3穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管,其結(jié)構(gòu)和普通二極管相同,實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)PN結(jié),所不同的就是它工作在反向擊穿狀態(tài).應(yīng)用時(shí)與適當(dāng)?shù)碾娮枧浜夏芷鸱€(wěn)壓作用.穩(wěn)壓管表示符號(hào)：

6.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管,其結(jié)構(gòu)27正向+-反向+-IZUZ6.3.1穩(wěn)壓管的伏安特性：

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

正向+-反向+-IZUZ6.3.1穩(wěn)壓管的伏安特性：286.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。2.穩(wěn)定電流IZ指穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流。最小穩(wěn)定電流IZmin是指穩(wěn)壓管進(jìn)入反向擊穿區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流3.穩(wěn)定電流IZmax指穩(wěn)壓管長期工作時(shí)允許通過的最大反向電流6.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作296.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)5.動(dòng)態(tài)電阻4.最大允許耗散功率

穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。PM=UZIZmax6.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)5.動(dòng)態(tài)電阻4.最大允許耗散功率30★穩(wěn)壓管應(yīng)用例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時(shí),電路不通；當(dāng)U>UZ大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿此時(shí)選R，使IZ<IZmax返回★穩(wěn)壓管應(yīng)用例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時(shí)31例6.3有兩個(gè)穩(wěn)壓管DZ1和DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V，正向壓降均為0.5V，現(xiàn)分別要得到3V、6V、14V幾種穩(wěn)壓值，試畫出其電路圖。

解利用穩(wěn)壓管反向?qū)〞r(shí)兩端電壓等于它的穩(wěn)定電壓，正向?qū)〞r(shí)兩端電壓等于它的正向壓降，按圖6.13(a)、（b）、（c）連接，可分別得到3V、6V、14V幾種穩(wěn)定電壓值。圖中R是限流電阻，不能缺少。假設(shè)E大于14V。例6.3有兩個(gè)穩(wěn)壓管DZ1和DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為5.326.4發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LightEmitingDiode），簡稱LED，是一種將直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程。它在正向?qū)〞r(shí)會(huì)發(fā)光，導(dǎo)通電流增大時(shí)，發(fā)光亮度增強(qiáng)。其外形和電路符號(hào)分別如圖6.14(a)、（b）所示。

6.4發(fā)光二極管

336.5.1基本結(jié)構(gòu)

三極管的結(jié)構(gòu)，最常見的有平面型和合金型兩類。圖6.16(a)為平面型（主要為硅管），圖6.16(b)為合金型（主要為鍺管）。都是通過一定的工藝在一塊半導(dǎo)體基片上制成兩個(gè)PN結(jié)，再引出三個(gè)電極，然后用管殼封裝而成。(a)(b)6.5半導(dǎo)體三極管6.5.1基本結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)，346.5.1基本結(jié)構(gòu)(NPN型)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CNNPBECCEB基極集電極發(fā)射極BNNPE6.5.1基本結(jié)構(gòu)(NPN型)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)35發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB6.5.1基本結(jié)構(gòu)(PNP型)集電極發(fā)射極基極發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB6366.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法6.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBE37晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果可得出如下結(jié)論：（1）IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）當(dāng)IB=0（將基極開路）時(shí)，IE=ICEO，ICEO<0.001mA晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA038用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋上述結(jié)論。6.5.2電流分配和放大原理外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓；集電結(jié)加反向電壓。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋上述結(jié)論。6.5.2電396.5.2電流分配和放大原理發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結(jié)的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，形成發(fā)射極電流IE。6.5.2電流分配和放大原理發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由406.5.2電流分配和放大原理2電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散IEC復(fù)合IEB同時(shí)基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的RBEC++__EBEBC6.5.2電流分配和放大原理2電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，416.5.2電流分配和放大原理3集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結(jié)反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴(kuò)散，同時(shí)收集E區(qū)擴(kuò)散過來的電子有助于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBC6.5.2電流分配和放大原理3集電極收集電子，形成集電極42RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC6.5.2電流分配和放大原理RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC6436.5.3特性曲線

用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關(guān)系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。

以共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE6.5.3特性曲線用來表示該晶體管各極電壓和441輸入特性曲線

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管0.1伏左右。正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)的壓降：NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型鍺管UBE=-0.2~-0.3V。

00.40.8UBE/VIB/μA80604020UCE>11輸入特性曲線死區(qū)電壓：00.445

晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。2輸出特性曲線3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。2輸出特性曲線346輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA1047輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V（1）放大區(qū)★輸出特性曲線近似于水平?！锇l(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。放大區(qū)輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA1048輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V（2）截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)IB=0時(shí)，IC=ICEO〈0.001mA

對NPN型硅管而言，當(dāng)UBE〈0.5V時(shí)，即已開始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。截止區(qū)★發(fā)射結(jié)反向偏置，集電結(jié)反向偏置。輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA1049輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCE〈UBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作處于飽和狀態(tài)

在飽和區(qū)，IB的變化對IC的影響較小，兩者不成比例★發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)也正向偏置。飽和區(qū)輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10506.5.4三極管的主要參數(shù)1電流放大系數(shù)：靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)：動(dòng)態(tài)電流（交流）放大系數(shù)注意：兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值較為接近。在估算時(shí)，常用近似關(guān)系（1）（2）對于同一型號(hào)的晶體管，值有差別，常用晶體管的值在20-100之間。6.5.4三極管的主要參數(shù)1電流放大系數(shù)：靜態(tài)電流（直流516.5.4主要參數(shù)2集—基極反向截止電流ICBOICBO=IC|IE=0

ICBO受溫度的影響大。在室溫下，小功率鍺管的ICBO約為幾微安到幾十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。ECμA+_T+_ICB06.5.4主要參數(shù)2集—基極反向截止電流ICBOICBO526.5.4主要參數(shù)3集—射極反向截止電流ICEOICEO=IC|IB=0★穿透電流ICEO與ICBO的關(guān)系：ICBO愈大，愈高的管子，穩(wěn)定性愈差。因此，在選管子時(shí)，要求ICBO盡可能小些，而以不超過100為宜。6.5.4主要參數(shù)3集—射極反向截止電流ICEOICEO536.5.4主要參數(shù)4集電極最大允許電流ICM集電極電流IC超過一定值時(shí)，晶體管的值要下降。當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流。

在使用晶體管時(shí)，IC超過ICM并不一定會(huì)使晶體管損壞，但以降低為代價(jià)。5集—射極反向擊穿電壓U（BR）CEO基極開路時(shí)，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓。6.5.4主要參數(shù)4集電極最大允許電流ICM集電極電流I546.5.4主要參數(shù)6集電極最大允許耗散功PCM

由于集電極電流在流經(jīng)集電結(jié)時(shí)將產(chǎn)生熱量，使結(jié)溫升高，從而會(huì)引起晶體管參數(shù)變化。當(dāng)晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過允許值時(shí)，集電極所消耗的最大功率。PCM=ICUCE6.5.4主要參數(shù)6集電極最大允許耗散功PCM55IC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作區(qū)6.5.4主要參數(shù)IC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安56電工電子技術(shù)基礎(chǔ)武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系第6章半導(dǎo)體二極管和三極管電工電子技術(shù)基礎(chǔ)武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系第6章半導(dǎo)體二57目錄1.1電路和電路模型1.2電路基本物理量1.3電阻元件、電感元件和電容元件1.4電壓源、電流源及其等效變換1.5基爾霍夫定律1.6復(fù)雜電路的分析和計(jì)算

目錄6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)6.2半導(dǎo)體二極管6.3穩(wěn)壓二極管6.4發(fā)光二極管6.5半導(dǎo)體三極管第6章半導(dǎo)體二極管和三極管目錄1.1電路和電路模型1.2電路基本物586.1半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣596.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素.6.1.1本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體就是完全純凈60

純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體——晶體管名稱的由來

1.本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)6.1.1本征半導(dǎo)體純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上61

2.自由電子與空穴共價(jià)鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子,同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。2623.熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-----

熱激發(fā)

自由電子在運(yùn)動(dòng)中遇到空穴后，兩者同時(shí)消失，稱為復(fù)合現(xiàn)象

溫度一定時(shí)，本征半導(dǎo)體中的自由電子—空穴對的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對數(shù)目越多。SiSiSiSi自由電子空穴3.熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象634.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式SiSiSiSi價(jià)電子空穴當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流；而空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)4.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式SiSiSiSi價(jià)電子空穴當(dāng)半64

在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子自由電子和空穴

因?yàn)?，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響很大。4.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體656.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它五價(jià)元素）。

自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶666.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。

空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體在硅676.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

不論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個(gè)晶體仍然是不帶電的。6.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體不論N型半導(dǎo)體68

6.1.3PN結(jié)1.PN結(jié)的形成自由電子PN空穴6.1.3PN結(jié)1.PN結(jié)的形成自由電子PN空穴69PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1.PN結(jié)的形成自由電子PN空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1.PN結(jié)的形成自由電子PN701.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止1.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)712.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN722.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)外加反向電壓使PN結(jié)截止

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流

----反向電流特點(diǎn):受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+-變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=02.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)外加反向電壓使PN結(jié)截止732.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

（1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。返回2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)論P(yáng)N結(jié)具有單向?qū)?46.2半導(dǎo)體二極管6..2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型表示符號(hào)6.2半導(dǎo)體二極管6..2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合75正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓6.2.2二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。正向O0.40.8U/VI76

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。1.正向特性正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓6.2.2二極管的伏安特性死區(qū)電壓：1.正向特性正向O0.477反向電流：很小反向飽和電流：幾乎不隨電壓而變反向擊穿電壓UBR2.反向特性6.2.2二極管的伏安特性正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓反向電流：很小2.反向特性6.2.2二極管的伏安特性正786.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。2.最大反向工作電壓URM:保證二極管不被擊穿所允許的最高反向電壓。一般為反向擊穿電壓的1/2~1/3.3最大反向電流IRM:二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。6.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：2.最大反向79例6.1在圖6.10所示電路中，二極管是導(dǎo)通還是截止？

解先將二極管D拿開，比較二極管陽極與陰極的電位高低，若陽極電位高，則二極管D導(dǎo)通；反之截止。設(shè)兩電源公共端G電位為0，則二極管陽極電位為－6V，陰極電位為－3V，陽極電位低于陰極電位，故二極管D截止。例6.1在圖6.10所示電路中，二極管是導(dǎo)通還是截止？80例6.2如圖6.11(a)所示電路中，已知E=5V，輸入電壓ui=10sinωt，試畫出輸出電壓uo的波形圖。

解如圖6.11(b)畫出輸入電壓ui和E的波形。0~1段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui1~2段，ui>E，二極管陽極電位高于陰極電位，D導(dǎo)通，uo=E2~3段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui3~4段，ui>E，二極管陽極電位高于陰極電位，D導(dǎo)通，uo=E4~5段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui由此畫出輸出電壓uo的波形圖如圖6.11(c)所示例6.2如圖6.11(a)所示電路中，已知E=5V，輸81

例6.3:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.3V(二極管導(dǎo)通電壓0.7V)解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回例6.3:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V826.3穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管,其結(jié)構(gòu)和普通二極管相同,實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)PN結(jié),所不同的就是它工作在反向擊穿狀態(tài).應(yīng)用時(shí)與適當(dāng)?shù)碾娮枧浜夏芷鸱€(wěn)壓作用.穩(wěn)壓管表示符號(hào)：

6.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管,其結(jié)構(gòu)83正向+-反向+-IZUZ6.3.1穩(wěn)壓管的伏安特性：

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

正向+-反向+-IZUZ6.3.1穩(wěn)壓管的伏安特性：846.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。2.穩(wěn)定電流IZ指穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流。最小穩(wěn)定電流IZmin是指穩(wěn)壓管進(jìn)入反向擊穿區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流3.穩(wěn)定電流IZmax指穩(wěn)壓管長期工作時(shí)允許通過的最大反向電流6.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作856.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)5.動(dòng)態(tài)電阻4.最大允許耗散功率

穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。PM=UZIZmax6.3.2穩(wěn)壓管的主要參數(shù)5.動(dòng)態(tài)電阻4.最大允許耗散功率86★穩(wěn)壓管應(yīng)用例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時(shí),電路不通；當(dāng)U>UZ大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿此時(shí)選R，使IZ<IZmax返回★穩(wěn)壓管應(yīng)用例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時(shí)87例6.3有兩個(gè)穩(wěn)壓管DZ1和DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V，正向壓降均為0.5V，現(xiàn)分別要得到3V、6V、14V幾種穩(wěn)壓值，試畫出其電路圖。

解利用穩(wěn)壓管反向?qū)〞r(shí)兩端電壓等于它的穩(wěn)定電壓，正向?qū)〞r(shí)兩端電壓等于它的正向壓降，按圖6.13(a)、（b）、（c）連接，可分別得到3V、6V、14V幾種穩(wěn)定電壓值。圖中R是限流電阻，不能缺少。假設(shè)E大于14V。例6.3有兩個(gè)穩(wěn)壓管DZ1和DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為5.886.4發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LightEmitingDiode），簡稱LED，是一種將直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程。它在正向?qū)〞r(shí)會(huì)發(fā)光，導(dǎo)通電流增大時(shí)，發(fā)光亮度增強(qiáng)。其外形和電路符號(hào)分別如圖6.14(a)、（b）所示。

6.4發(fā)光二極管

896.5.1基本結(jié)構(gòu)

三極管的結(jié)構(gòu)，最常見的有平面型和合金型兩類。圖6.16(a)為平面型（主要為硅管），圖6.16(b)為合金型（主要為鍺管）。都是通過一定的工藝在一塊半導(dǎo)體基片上制成兩個(gè)PN結(jié)，再引出三個(gè)電極，然后用管殼封裝而成。(a)(b)6.5半導(dǎo)體三極管6.5.1基本結(jié)構(gòu)三極管的結(jié)構(gòu)，906.5.1基本結(jié)構(gòu)(NPN型)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CNNPBECCEB基極集電極發(fā)射極BNNPE6.5.1基本結(jié)構(gòu)(NPN型)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)91發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB6.5.1基本結(jié)構(gòu)(PNP型)集電極發(fā)射極基極發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB6926.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法6.5.2電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBE93晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果可得出如下結(jié)論：（1）IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）當(dāng)IB=0（將基極開路）時(shí)，IE=ICEO，ICEO<0.001mA晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA094用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋上述結(jié)論。6.5.2電流分配和放大原理外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓；集電結(jié)加反向電壓。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋上述結(jié)論。6.5.2電956.5.2電流分配和放大原理發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結(jié)的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，形成發(fā)射極電流IE。6.5.2電流分配和放大原理發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由966.5.2電流分配和放大原理2電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散IEC復(fù)合IEB同時(shí)基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的RBEC++__EBEBC6.5.2電流分配和放大原理2電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，976.5.2電流分配和放大原理3集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結(jié)反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴(kuò)散，同時(shí)收集E區(qū)擴(kuò)散過來的電子有助于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBC6.5.2電流分配和放大原理3集電極收集電子，形成集電極98RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC6.5.2電流分配和放大原理RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC6996.5.3特性曲線

用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關(guān)系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。

以共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE6.5.3特性曲線用來表示該晶體管各極電壓和1001輸入特性曲線

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管0.1伏左右。正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)的壓降：NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型鍺管UBE=-0.2~-0.3V。

00.40.8UBE/VIB/μA80604020UCE>11輸入特性曲線死區(qū)電壓：00.4101

晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。2輸出特性曲線36912