半導(dǎo)體二極管和三極管

第15章半導(dǎo)體二極管和三極管返回15.3半導(dǎo)體二極管15.4穩(wěn)壓二極管15.5半導(dǎo)體三極管15.2PN結(jié)15.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性返回前一頁后一頁第15章半導(dǎo)體二極管和三極管本章要求：一、了解PN的單向?qū)щ娦?、二極管的特性和主要參數(shù)。二、了解穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓性能和主要參數(shù)。三、了解三極管的電流放大作用、特性和主要參數(shù)。四、會(huì)根據(jù)二極管的單向?qū)щ娦苑治龊卸O管的電路。

對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。前一頁后一頁返回15.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的特性：

(可制成溫度敏感元件，如熱敏電阻)摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使其導(dǎo)電能力明顯改變。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，其導(dǎo)電能力明顯變化。

(可制成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光電池等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)。前一頁后一頁返回15.1.1本征半導(dǎo)體

完全純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。硅和鍺的晶體結(jié)構(gòu)前一頁后一頁返回硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵共用電子對(duì)

共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子。+4+4+4+4前一頁后一頁返回+4+4+4+4自由電子空穴束縛電子

在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。

本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。前一頁后一頁返回本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

在其它力的作用下，空穴吸引臨近的電子來填補(bǔ)，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移。

空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)，因此可以認(rèn)為空穴是載流子。

因常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴很少，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱。

當(dāng)半導(dǎo)體外加電壓時(shí)，在電場(chǎng)的作用下將出現(xiàn)兩部分電流：

1）自由電子作定向移動(dòng)電子電流

2）價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流+4+4+4+4前一頁后一頁返回本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。

溫度越高，載流子的濃度越高，本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。跳轉(zhuǎn)前一頁后一頁返回15.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴濃度。自由電子稱為多數(shù)載流子（多子），空穴稱為少數(shù)載流子（少子）。+4+4+4+4+5多余電子磷原子摻入五價(jià)元素在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子返回前一頁后一頁前一頁后一頁P(yáng)型半導(dǎo)體

摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度，所以，空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度?？昭ǚQ為多數(shù)載流子（多子），自由電子稱為少數(shù)載流子（少子）。+4+4+4+4+3硼原子空穴摻入三價(jià)元素接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子返回雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體前一頁后一頁無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。返回1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是，N型半導(dǎo)體中的電流主要是（a.電子電流、b.空穴電流）ba前一頁后一頁返回15.2PN結(jié)15.2.1PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場(chǎng)E少子的漂移運(yùn)動(dòng)濃度差－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++N型半導(dǎo)體空間電荷區(qū)

內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。

擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)前一頁后一頁返回前一頁后一頁二、

PN結(jié)的單相導(dǎo)電性1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負(fù)－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++U內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)PNIF

內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流。PN結(jié)正向電阻較小，正向電流較大，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。返回2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++U內(nèi)電場(chǎng)外電場(chǎng)PN

內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IRPN結(jié)變寬P接負(fù)、N接正PN結(jié)反向電阻較大，反向電流很小，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。溫度越高少子的數(shù)量越多，反向電流將隨溫度增加前一頁后一頁返回PN結(jié)的單向?qū)щ娦?、PN結(jié)加正向電壓（正向偏置，P接正、N

接負(fù)）時(shí)，PN結(jié)處于正向?qū)顟B(tài)，PN

結(jié)正向電阻較小，正向電流較大。2、PN結(jié)加反向電壓（反向偏置，P接負(fù)、N

接正）時(shí)，PN結(jié)處于反向截止?fàn)顟B(tài)，PN

結(jié)反向電阻較大，反向電流很小。前一頁后一頁返回15.3半導(dǎo)體二極管15.3.1基本結(jié)構(gòu)（a）點(diǎn)接觸型1.結(jié)構(gòu)：按結(jié)構(gòu)可分三類(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。

結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。前一頁后一頁(c)平面型用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。返回15.3半導(dǎo)體二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖2.符號(hào)：PN陽極陰極VD前一頁后一頁返回15.3.1伏安特性前一頁后一頁P(yáng)N+–UI硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降死區(qū)電壓

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性PN+–反向特性非線性

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。硅0.6~0.8V,鍺0.2~0.3V。返回15.3.3主要參數(shù)1、最大整流電流IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2、反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓U(BR)的一半或三分之一。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。3、反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。前一頁后一頁返回二極管的單向?qū)щ娦郧耙豁摵笠豁?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。返回

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽

>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通（正向偏置）若V陽

<V陰或UD為負(fù)，二極管截止（反向偏置）前一頁后一頁

反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開。若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，返回電路如圖，求：UABV陽=－6VV陰=－12VV陽

>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：后一頁取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。跳轉(zhuǎn)D6V12V3kBAUAB+–返回兩個(gè)二極管的陰極接在一起求：UAB取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=

－12VUD1=6V，UD2=12V∵

UD2>UD1∴VD2

優(yōu)先導(dǎo)通，VD1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=0VVD１6V12V3kBAVD2VD1承受反向電壓為－6V流過VD2的電流為例2:前一頁后一頁UAB+–返回ui>8V

二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V

二極管截止，可看作開路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo波形。u218V參考點(diǎn)8V例3二極管的用途：整流、檢波、限幅、箝位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。前一頁后一頁D8VRuoui++––返回15.4穩(wěn)壓二極管前一頁后一頁1.符號(hào)UZIZIZMUZIZUI2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)要加限流電阻+–

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。返回3.主要參數(shù)前一頁后一頁(1)穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓。(2)電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3)動(dòng)態(tài)電阻(4)穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZM愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。返回光電二極管反向電流隨光照強(qiáng)度的增加而上升。IV照度增加符號(hào)前一頁后一頁返回發(fā)光二極管有正向電流流過時(shí)，發(fā)出一定波長(zhǎng)范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾~幾十mA符號(hào)前一頁后一頁返回15.5半導(dǎo)體三極管15.5基本結(jié)構(gòu)BECNNP基極發(fā)射極集電極PNP集電極基極發(fā)射極BCENPN型PNP型后一頁前一頁返回BECNNP基極發(fā)射極集電極后一頁前一頁集電區(qū)：面積最大基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)返回符號(hào)：BECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管型號(hào)：3A、3C是PNP3B、3D是NPN3A、3B是鍺管3C、3D是硅管后一頁前一頁返回15.5.2電流放大原理BECNNPEBRBECRC1.三極管放大的外部條件發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNPVB<VEVC<VB從電位的角度看：

NPN發(fā)射結(jié)正偏VB>VE

集電結(jié)反偏VC>VB后一頁前一頁返回2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.010.020.030.040.050.0010.501.001.702.503.300.0010.511.021.732.543.35結(jié)論1）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）ICIE，IC

IB3）IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。實(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是CCCS器件。跳轉(zhuǎn)后一頁前一頁返回3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPEBRBEC

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。

發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。IE進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。IBE從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。ICE

集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO后一頁前一頁返回3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBOICIBIC=ICE+ICBOICE后一頁前一頁IB=IBE-ICBOIBE返回ICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流溫度ICEO常用公式后一頁前一頁返回15.5.3特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)

2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路

重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線后一頁前一頁返回

實(shí)驗(yàn)線路輸入回路輸出回路發(fā)射極是輸入、輸出回路的公共端EBICmAAVUCEUBERBIBECV共發(fā)射極電路后一頁前一頁返回1.輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：硅UBE0.6~0.7V,

鍺UBE0.2~0.3V。后一頁前一頁返回2.輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，即IC=IB。后一頁前一頁此區(qū)域滿足IC=IB

稱為線性區(qū)（放大區(qū)），具有恒流特性。返回IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A

UCEUBE,集電結(jié)正偏，IBIC，稱為飽和區(qū)。

深度飽和時(shí)硅管UCES0.3V

此區(qū)域中IC受UCE的影響較大后一頁前一頁返回IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A

此區(qū)域中:IB=0,IC

=I