第15章半導(dǎo)體二極管和三極管

會(huì)計(jì)學(xué)1第15章半導(dǎo)體二極管和三極管本章要求:1.理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?.了解二極管、穩(wěn)壓管和晶體管的基本構(gòu)造、工作原理和主要特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3.理解晶體管的電流分配和放大作用。{end}

第15章半導(dǎo)體二極管和三極管第1頁/共56頁15.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(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、摻雜特性第2頁/共56頁

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。硅的原子結(jié)構(gòu)15.1.1本征半導(dǎo)體第3頁/共56頁

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

本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)15.1.1本征半導(dǎo)體SiSiSiSi價(jià)電子第4頁/共56頁自由電子與空穴15.1.1

本征半導(dǎo)體

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?？昭⊿iSiSiSi第5頁/共56頁熱激發(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)15.1.1

本征半導(dǎo)體

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(duì)的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對(duì)數(shù)目越多。SiSiSiSi空穴第6頁/共56頁半導(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(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響很大。15.1.1

本征半導(dǎo)體SiSiSiSi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)第7頁/共56頁15.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體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SiSiP+Si第8頁/共56頁15.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體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。SiSiB-Si空穴第9頁/共56頁15.1.2N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。{end}第10頁/共56頁

在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體的結(jié)合面上形成如下物理過程:因濃度差空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場(chǎng)

內(nèi)電場(chǎng)促使少子漂移

內(nèi)電場(chǎng)阻止多子擴(kuò)散

多子的擴(kuò)散和少子的漂移達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，PN結(jié)形成。多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)由雜質(zhì)離子形成空間電荷區(qū)

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)15.2.1PN結(jié)的形成

15.2

PN結(jié)第11頁/共56頁15.2.2

PN結(jié)的單向?qū)щ娦?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(chǎng)方向外電場(chǎng)方向RI第12頁/共56頁15.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?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+-

變寬PN內(nèi)電場(chǎng)方向外電場(chǎng)方向RI=0特點(diǎn):受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的第13頁/共56頁15.2.2PN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。{end}第14頁/共56頁15.3

半導(dǎo)體二極管15.3.1基本結(jié)構(gòu)15.3.2伏安特性15.3.3伏安特性的折線化15.3.4二極管的主要參數(shù)15.3.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)鋁合金小球面接觸型觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型表示符號(hào)第15頁/共56頁15.3.2

伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。第16頁/共56頁正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

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。15.3.2

伏安特性1正向特性第17頁/共56頁反向電流：反向飽和電流：反向擊穿電壓U（BR）15.3.2

伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓2反向特性第18頁/共56頁15.3.2伏安特性的折線化U0U0USUSUS第19頁/共56頁15.3.3

主要參數(shù)1最大整流電流IOM：二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。2反向工作峰值電壓URWM:

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3反向峰值電流IRM:

二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。第20頁/共56頁含二極管電路的分析方法確定二極管的工作狀態(tài)

根據(jù)工作狀態(tài)用不同的模型代替二極管在等效后的線性電路中作相應(yīng)的分析若二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)則可等效為斷開的開關(guān)若二極管工作在導(dǎo)通狀態(tài)則可等效為導(dǎo)通的開關(guān)UONID或電壓為UON的電壓源15.3.4

應(yīng)用舉例

主要利用二極管的單向?qū)щ娦??？捎糜谡鳌z波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。第21頁/共56頁如何判斷二極管的工作狀態(tài)？步驟1、假設(shè)二極管截止，即將二極管斷開。2、計(jì)算二極管兩端的電壓

UD=V陽-V陰3、判斷：若

UD>0，則二極管工作于導(dǎo)通狀態(tài)

若

UD<0，則二極管工作于截止?fàn)顟B(tài)第22頁/共56頁例：圖示電路中，分析當(dāng)UA與UB分別為0與3V的不同組合時(shí)，二極管D1、D2的狀態(tài)，并求U0的值。解：（1）當(dāng)UA=UB=0時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由電路，有UD1=0-（-5）=5>0

UD2=0-（-5）=5>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=0D1D2U0R5V第23頁/共56頁（2）當(dāng)UA=UB=3V時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0

UD2=3-（-5）=8>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V第24頁/共56頁（3）當(dāng)UA=3V，UB=0時(shí)設(shè)D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0

UD2=0-（-5）=5>0則D1、D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出現(xiàn)矛盾！即D1、D2不可能同時(shí)導(dǎo)通??！合理的情況是：D1導(dǎo)通，D2截止。D1D2U0R5V3V第25頁/共56頁（4）當(dāng)UA=0，UB=3V時(shí)所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2導(dǎo)通。D1D2U0R5V3V{end}UAUBD1D2U0R5V綜上所述：當(dāng)UA、UB中有一個(gè)為3V時(shí)，輸出UO為3V“或”邏輯第26頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管

一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。1穩(wěn)壓管表示符號(hào)：

第27頁/共56頁正向+-反向+-IZUZ2穩(wěn)壓管的伏安特性：3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：

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

第28頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管4主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(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。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)第29頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管（3）動(dòng)態(tài)電阻（4）穩(wěn)定電流（5）最大允許耗散功率

rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PZM=UZIZM第30頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管例題+_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時(shí),穩(wěn)壓管擊穿此時(shí)選R，使IZ<IZM{end}第31頁/共56頁15.5

半導(dǎo)體三極管15.5.1

基本結(jié)構(gòu)15.5.1

基本結(jié)構(gòu)15.5.2

電流分配和放大原理15.5.3

特性曲線15.5.4

主要參數(shù)

結(jié)構(gòu)平面型

合金型

NPN

PNP第32頁/共56頁15.5.1

基本結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BNNP發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECNNPBECCEB第33頁/共56頁發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB15.5.1

基本結(jié)構(gòu)第34頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法第35頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理晶體管電流測(cè)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(cè)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第36頁/共56頁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。15.5.2

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第37頁/共56頁15.5.2

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。RBEC++__EBEBCNNP第38頁/共56頁15.5.2

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++__EBEBC第39頁/共56頁15.5.2

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++__EBEBC第40頁/共56頁RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC15.5.2

電流分配和放大原理第41頁/共56頁15.5.3

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+_+_UBEUCE第42頁/共56頁15.5.3

特性曲線1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>1

第43頁/共56頁15.5.3

特性曲線2輸出特性曲線

晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。UCE/V13436912IC/mA10080604020μAIB=002第44頁/共56頁15.5.3

特性曲線晶體管的輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)（1）放大區(qū)（線性區(qū)）132436912IC/mA10080604020μAIB=00UCE/V

輸出特性曲線的近似水平部分。

特點(diǎn)：等效：BECβIB條件：E結(jié)正偏、C結(jié)反偏第45頁/共56頁15.5.3

特性曲線（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(duì)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。132436912IC/mA10080604020μAIB=00UCE/V特點(diǎn)：IB=0，IC=0等效：BEC條件：E結(jié)反偏第46頁/共56頁（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(duì)IC的影響較小，兩者不成比例13436912IC/mA10080604020μAIB=002UCE/V15.5.3

特性曲線條件：E結(jié)正偏、C結(jié)正偏等效：BEC特點(diǎn)：UCE=UCES≈0，IC≠βIB第47頁/共56頁例1:測(cè)得各晶體管在無信號(hào)輸入時(shí),三個(gè)電極相對(duì)于”地”的電壓如圖所示。問哪些管子工作于放大狀態(tài),哪些處于截止、飽和狀態(tài)，哪些管子已經(jīng)損壞？ecb硅管-3V0V-2.7Vecb鍺管-0.3V-3V0Vecb鍺管1.3V1.1V1Vecb硅管-2.8V-1.4V-3.5V截止放大飽和放大15.5.3

特性曲線第48頁/共56頁ecb鍺管1.2V1.3V1.5Vecb鍺管1.8V3.7V1.5Vecb硅管2V12V-0.7V飽和放大已損壞ecb鍺管0V0.7V-3.5V倒置15.5.3

特性曲線第49頁/共56頁15.5.4

主要參數(shù)1電流放大系數(shù)