電工學(xué)簡(jiǎn)明教程第三版課件9章

第9章二極管和晶體管9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性9.2二極管9.3穩(wěn)壓二極管9.4雙極型晶體管9.5光電器件9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體就是完全純潔的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。9.1.1本征半導(dǎo)體自由電子空穴共價(jià)鍵SiSiSiSi本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的形成用得最多的半導(dǎo)體是硅或鍺,它們都是四價(jià)元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量?jī)r(jià)電子即可掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn),同時(shí)又不斷復(fù)合。在外電場(chǎng)的作用下，自由電子逆著電場(chǎng)方向定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生另一個(gè)空穴。空穴被填補(bǔ)和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成空穴電流?？梢?jiàn)在半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電?？昭ㄒ苿?dòng)方向

電子移動(dòng)方向

外電場(chǎng)方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2N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五價(jià)元素磷，當(dāng)某一個(gè)硅原子被磷原子取代時(shí)，磷原子的五個(gè)價(jià)電子中只有四個(gè)用于組成共價(jià)鍵，多余的一個(gè)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，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSiP多余價(jià)電子本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低。如果在其中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。(2)P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼，在組成共價(jià)鍵時(shí)將因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，相鄰硅原子的價(jià)電子很容易填補(bǔ)這個(gè)空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價(jià)電子填補(bǔ)空位9.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?1)PN結(jié)的形成用專門(mén)的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)體區(qū)域,在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)方向(2)PN結(jié)的單向?qū)щ娦酝饧诱螂妷簝?nèi)電場(chǎng)方向E外電場(chǎng)方向RIP區(qū)N區(qū)外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一局部負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一局部正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形成較大的正向電流P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向ER外電場(chǎng)方向IR外加反向電壓外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過(guò)PN結(jié)形成很小的反向電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行空間電荷區(qū)變寬9.2二極管9.2.1根本結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型表示符號(hào)正極負(fù)極金銻合金面接觸型N型鍺正極引線負(fù)極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼9.2.2伏安特性

二極管和

PN

結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線可見(jiàn)，當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過(guò)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

0.5V。導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管約為

0.6~0.7V。

604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性

在二極管上加反向電壓時(shí)，反向電流很小。但當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，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娦浴．a(chǎn)生擊穿時(shí)的電壓稱為反向擊穿電壓

U(BR)。

I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0鍺管死區(qū)電壓為

0.1V，導(dǎo)通時(shí)的正向壓降為

0.2~0.3V。9.2.3主要參數(shù)

(1)

最大整流電流IOM

最大整流電流是指二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。

(2)

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，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。

(3)反向峰值電流IRM

它是指二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。二極管電路分析原那么：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位的上下或所加電壓UD的正負(fù)。假設(shè)V陽(yáng)>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通假設(shè)V陽(yáng)<V陰或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止設(shè)二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)二極管相當(dāng)于短路，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi)。高等教育出版社高等教育電子音像出版社

[例1]

在圖中，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R接負(fù)電源–12V。求輸出端電位VY。[解]因?yàn)閂A高于VB，所以DA優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管的正向壓降是0.3V，那么VY=+2.7V。當(dāng)DA導(dǎo)通后，DB因反偏而截止。在這里，DA起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在+2.7V。二極管的應(yīng)用范圍很廣,主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴Ｋ捎米髡?、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開(kāi)關(guān)元件。DA

–12VYVAVBDBR兩個(gè)二極管的陰極接在一起取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)=－6V，V2陽(yáng)=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2>UD1∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。假設(shè)忽略管壓降,二極管可看作短路,UAB=0V[例2]D1承受反向電壓為－6V流過(guò)D2

的電流為求：UABD2起鉗位作用，D1起隔離作用。穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號(hào)如以下圖所示。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)。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(shí)，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時(shí)，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓二極管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓二極管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓二極管在電路中能起穩(wěn)壓作用。I/mAU/VOUZIZIZM+

正向

+反向

UZ

IZ9.3穩(wěn)壓二極管

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)有下面幾個(gè)：9.3.1穩(wěn)定電壓UZ9.3.4穩(wěn)定電流IZ

9.3.3動(dòng)態(tài)電阻rZ9.3.2電壓溫度系數(shù)

U9.3.5最大允許耗散功率PZM[例1]圖中通過(guò)穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？R是限流電阻，其值是否適宜？IZDZ+20VR=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例9.3.1的圖IZ<IZM，電阻值適宜。[解]9.4.1根本結(jié)構(gòu)N型硅二氧化硅保護(hù)膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型鍺ECB銦球銦球PP(b)合金型9.4雙極型晶體管(1)NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EP不管平面型或合金型，都分成NPN或PNP三層，因此又把晶體管分為NPN型和PNP型兩類。ECB符號(hào)T集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)N集電極C發(fā)射極E基極BNPPN(2)PNP型三極管

CBET符號(hào)9.4.2電流分配和放大原理我們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中用的是NPN

型管，為了使晶體管具有放大作用，電源EB

和EC

的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電壓(正向偏置)，集電結(jié)加反向電壓(反向偏置)。mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100設(shè)EC=6V；改變可變電阻RB，那么基極電流IB、集電極電流IC和發(fā)射極電流IE都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表：基極電路集電極電路mA

AVVmAICECIBIERB+UBE

+UCE

EBCEB3DG100基極電路集電極電路IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)論：(1)符合基爾霍夫定律(2)

IC

和IE

比IB

大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得這就是晶體管的電流放大作用。稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化

IB可以引起集電極電流較大的變化

IC。式中，

稱為動(dòng)態(tài)電流(交流)放大系數(shù)。

(3)

當(dāng)IB=0(將基極開(kāi)路)時(shí)，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。

(4)要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，發(fā)射區(qū)才可向基區(qū)發(fā)射電子；而集電結(jié)必須反向偏置,集電區(qū)才可收集從發(fā)射區(qū)發(fā)射過(guò)來(lái)的電子。以下圖給出了起放大作用時(shí)晶體管中電流實(shí)際方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的實(shí)際極性。NPN型晶體管+UBE

CTEB

IEIBIC+UCE

+UBE

IBIEIC

CTEB

+UCE

PNP型晶體管對(duì)于

NPN型晶體管應(yīng)滿足：

UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對(duì)于

PNP型晶體管應(yīng)滿足：

UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE(1)輸入特性曲線輸入特性曲線是指當(dāng)集-射極電壓UCE

為常數(shù)時(shí)，輸入電路(基極電路)中，基極電流IB

與基-射極電壓UBE

之間的關(guān)系曲線IB

=f(UBE)。00.40.8IB

/

AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100晶體管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生IB。9.4.3特性曲線(2)輸出特性曲線輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IB

為常數(shù)時(shí)，輸出電路(集電極電路)中集電極電流IC

與集-射極電壓UCE

之間的關(guān)系曲線IC

=f(UCE)。在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲組分為三個(gè)工作區(qū)ICEC=UCCIBRB+UBE

+UCE

EBCEB共發(fā)射極電路IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=003691243212.31.5放大區(qū)(2)輸出特性曲線IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=003691243212.31.5放大區(qū)放大區(qū)輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因?yàn)镮C

和IB

成正比的關(guān)系。對(duì)NPN型管而言，應(yīng)使UBE

>0，UBC

<

0，此時(shí)，UCE

>UBE。飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)

IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB=0時(shí)，IC=ICEO(很小)。對(duì)NPN型硅管，當(dāng)UBE<

0.5V時(shí)，即已開(kāi)始截止，但為了使晶體管可靠截止，常使UBE

≤

0，截止時(shí)集電結(jié)也處于反向偏置(UBC

<

0)，此時(shí)，IC

0，UCE

UCC。飽和區(qū)當(dāng)UCE

<

UBE

時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置(UBC

>

0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC

和IB

不成正比。此時(shí)，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區(qū)當(dāng)晶體管飽和時(shí)，UCE

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的接通，其間電阻很小；當(dāng)晶體管截止時(shí)，IC

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，其間電阻很大，可見(jiàn)，晶體管除了有放大作用外，還有開(kāi)關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如以下圖所示。+

UBE>0

ICIB+UCE

(a)放大

UBC<0+IC

0IB=0+UCE

UCC

(b)截止

UBC<0++UBE≤

0

+UBE>

0

IB+UCE

0

(c)飽和

UBC>0+

管型

工作狀態(tài)

飽和

放大

截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V開(kāi)始截止可靠截止硅管(NPN)鍺管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

≤

0

0.1晶體管結(jié)電壓的典