第14章二极管和晶体管课件.ppt

1、1第第1414章章 二极管和晶体管二极管和晶体管2第第 14 14 章章 二极管和晶体管二极管和晶体管14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性14.3 14.3 二极管二极管14.4 14.4 稳压二极管稳压二极管14.5 14.5 晶体管晶体管14.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性14.6 14.6 光电器件光电器件314.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性一、一、本征半导体本征半导体二、二、杂质半导体杂质半导体三、半导体中的电流三、半导体中的电流4u物质按导电性能分类物质按导电性能分类 导导 体体(Conductor)半导体半导体(Semico

2、nductor)绝缘体绝缘体(Insulator)u电导率（电导率（Scm-1)导体导体 105 半导体半导体 10-9 102 绝缘体绝缘体 10-22 10-14半导体是构成当代微电子的基础材料。半导体是构成当代微电子的基础材料。u半导体半导体 -硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅等。重掺杂多晶硅等。5一、一、本征半导体本征半导体(Intrinsic Semiconductor)(Intrinsic Semiconductor)本征半导体本征半导体化学成分纯净的半导体化学成分纯净的半导体 v 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到制造半导体器件的半

3、导体材料的纯度要达到 99.9999999%99.9999999%。-硅、锗等。硅、锗等。(1(1）本征半导体的）本征半导体的结构结构 （2 2）本征半导体的）本征半导体的载流子载流子 （3 3）本征半导体中载流子的）本征半导体中载流子的浓度浓度6 (1(1）本征半导体的结构）本征半导体的结构-晶体结构晶体结构四价元素四价元素在原子最外层轨道上的四个在原子最外层轨道上的四个价电子价电子。共共 价价 键键相邻原子共有电子对。相邻原子共有电子对。共价键共共价键共用电子对用电子对7 （2 2）本征半导体的）本征半导体的载流子载流子-电子空穴对电子空穴对l载流子载流子(Carrier)：半导体结构中获

4、得运动能量的带电粒子。：半导体结构中获得运动能量的带电粒子。l有温度环境有温度环境就有载流子。就有载流子。l绝对零度绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。）时晶体中无自由电子。热激发（本征激发）热激发（本征激发）本征激发本征激发 和温度有关和温度有关 会成对产生电子空穴对会成对产生电子空穴对-自由电子自由电子(Free Electron)-空空 穴穴(Hole)两种载流子两种载流子8因热激发而出现的自由电子和空穴是同时因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为成对出现的，称为电子空穴对电子空穴对。9 自由电子的定向运自由电子的定向运动形成了电子电流，动形成了电子电流，空穴的定向

5、运动也可空穴的定向运动也可形成空穴电流，它们形成空穴电流，它们的方向相反。的方向相反。自由电子和空自由电子和空穴称为穴称为载流子载流子。10 （3 3）本征半导体中载流子的浓度）本征半导体中载流子的浓度温度升高温度升高热运动加剧热运动加剧载流子增多载流子增多本征半导体中载流子的浓度很低本征半导体中载流子的浓度很低,导电性能很差。导电性能很差。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。11本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流载流子子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高载流子

6、的载流子的浓度浓度越高越高本征半本征半导体的导体的导电能力越强导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳vvv12二、二、杂质半导体杂质半导体(1)N(1)N型半导体型半导体(2)P(2)P型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体杂质半导体。13多子多子(Majority)：自由电子：自由电子(Free Electron)-由掺杂形成，由掺杂形成，取决于掺杂浓

7、度取决于掺杂浓度少子少子(Minority)：空：空 穴穴(Hole)-由热激发形成，由热激发形成，取决于温度。取决于温度。(1)N N型半导体型半导体(电子型半导体电子型半导体)+4+4+5+4多余电子多余电子磷原子磷原子在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。使自由电子浓度大大增加。14(2)P(2)P型半导体型半导体(空穴型半导体空穴型半导体)+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子多子多子(Majority)：空：空 穴穴(Hole)-由掺杂形成，由掺杂形成，取决于掺杂浓度；取决于掺杂浓度；少子少子(Minority)

8、：自由电子：自由电子(Free Electron)-由热激发形成，由热激发形成，取决于温度。取决于温度。在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。使空穴浓度大大增加。15问题问题1 1、杂质半导体的导电能力由谁决定？为什么用杂质、杂质半导体的导电能力由谁决定？为什么用杂质半导体制作器件？半导体制作器件？2 2、杂质半导体多子浓度由什么决定？、杂质半导体多子浓度由什么决定？杂质半导体少子浓度由什么决定？杂质半导体少子浓度由什么决定？16归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导

9、体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。17三、半导体中的电流三、半导体中的电流 半导体中有半导体中有 两种电流两种电流 漂移漂移电流电流(Drift Current)由载流子的漂移运动形成的电流由

10、载流子的漂移运动形成的电流 扩散扩散电流电流(Diffusion Current)由载流子的扩散运动形成的电流由载流子的扩散运动形成的电流电流方向电流方向空穴电流的方向与运动方向一致，空穴电流的方向与运动方向一致，电子电流的方向与运动方向相反。电子电流的方向与运动方向相反。-所以总电流方向仍然一致。所以总电流方向仍然一致。漂移运动漂移运动：由电由电场力引起的载流场力引起的载流子定向运动子定向运动扩散运动扩散运动：由由于载流子浓度不于载流子浓度不均匀（浓度梯度）均匀（浓度梯度）造成的运动造成的运动1814.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性一、一、PNPN结的形成结的形成二、

11、二、PNPN结的单向导电性结的单向导电性三、三、PNPN结的伏安特性结的伏安特性19一、一、PNPN结的形成结的形成 在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成分别形成N N型半导体和型半导体和P P型半导体。型半导体。因浓度差因浓度差 多子的扩散运动多子的扩散运动由由杂质离子形成杂质离子形成空间电荷区空间电荷区 空间电荷区形成空间电荷区形成内电场内电场 内电场促使少子漂移内电场促使少子漂移 内电场阻止多子扩散内电场阻止多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡20PN结建立在在结建立在在N型型和和P型半导体的

12、结型半导体的结合处，由于扩散运合处，由于扩散运动，失空穴和电子动，失空穴和电子后形成不能移动的后形成不能移动的负离子和正离子状负离子和正离子状态。态。PN结称为结称为 -空间电荷区空间电荷区 耗尽层耗尽层、阻挡层阻挡层。PN结很窄（几个到结很窄（几个到几十个几十个 m)。21+空间空间电荷电荷区区N型区型区P型区型区 PN结结22vv空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。vv空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场阻碍多子多子（P中的中的 空穴、空穴、N中的电子）中的电子）的的扩散运动。扩散运动。vv P中的电子和中的电子和N中的空穴（中的空穴（都是少子都是少子）数量有限，因此由它们

13、形成的漂移电流数量有限，因此由它们形成的漂移电流 很小。很小。vv空间电荷区中内电场推动空间电荷区中内电场推动少子少子（P中的中的 电子、电子、N中的空穴）中的空穴）的的漂移运动。漂移运动。归纳归纳23二、二、PNPN结的单向导电性结的单向导电性外加电压使外加电压使PNPN结中：结中：P P区的电位高于区的电位高于N N区的电位，称为加区的电位，称为加正向电压正向电压，简称，简称正偏正偏；若外加正向电压，使电流从若外加正向电压，使电流从P P区流到区流到N N区，区，PNPN结呈结呈低阻性，所以电流大；低阻性，所以电流大；P P区的电位低于区的电位低于N N区的电位，称为加区的电位，称为加反向

14、电压反向电压，简称，简称反偏反偏。若外加反向电压，若外加反向电压，PNPN结呈高阻性，所以电流小；结呈高阻性，所以电流小；24 1 1）PNPN结加正向电压时的导电情况结加正向电压时的导电情况 正向偏置正向偏置 P接电源正，接电源正，N接电源负接电源负 外电场与内电场方向相反外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使（削弱内电场），使 PN结结变窄。变窄。扩散运动漂移运动。扩散运动漂移运动。称为称为“正向导通正向导通”。25 反向偏置反向偏置 P接电源负，接电源负，N接接电源正电源正 外电场与内电场方向外电场与内电场方向相同（增强内电场），相同（增强内电场），使使PN结变宽。结变宽。扩散运动漂移

15、运动扩散运动漂移运动 称为称为“反向截止反向截止”2).PN2).PN结加反向电压时的导电情况结加反向电压时的导电情况 在一定的温度条件下在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的基本上与所加反向电压的大小无关大小无关，这个电流也称这个电流也称为为反向饱和电流反向饱和电流。26PNPN结的单向导电性结的单向导电性正向特性正向特性反向特性反向特性归纳归纳外电场削弱内电场，外电场削弱内电场，PN结电阻小，结电阻小，电流大，导通；电流大，导通；I的大小与外加电压有关；的大

16、小与外加电压有关；外电场增强内电场，结电阻大，反向电流很小，截止；外电场增强内电场，结电阻大，反向电流很小，截止；I反反的大小与少子的数量有关，与温度有关。的大小与少子的数量有关，与温度有关。P（+），），N（-）P（-），），N（+）27三、三、PNPN结的伏安特性结的伏安特性uiU(BR)0u0，ui正向特性正向特性反向特性反向特性|u|U（BR），），反向击穿反向击穿u0，i-IS，恒，恒定不变定不变按指数规律按指数规律快速增加快速增加2814.3 14.3 二极管二极管一、一、基本结构基本结构二、二、伏安特性伏安特性三、三、主要参数主要参数四、四、应用举例应用举例29小功率小功率二极管

17、二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管PNPN结结 +引线引线 +封装封装 =二极管。二极管。PN阳极阳极阴极阴极D14.3 二极管二极管一、一、基本结构基本结构30二极管结构类型二极管结构类型(1)(1)点接触型二极管点接触型二极管PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(2)(2)面接触型二极管面接触型二极管(3)(3)平面型二极管平面型二极管PN结面积大，用于工频大电流整流电路。结面积大，用于工频大电流整流电路。PN 结面积可大可小，用于集成电路制造工艺中。结面积可大可小，用于集成电路制造工艺中。31

18、二、二、伏安特性伏安特性uiU(BR)0UonIS20开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si Si0.5V0.5V0.50.8V0.50.8V1 1A A以下以下锗锗GeGe0.1V0.1V0.10.3V0.10.3V几十几十A A322.2.反向特性反向特性硅：硅：Is0，D导通；导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一取决于外电路；相当于一个闭合的开关个闭合的开关EDIUDEIUU 0，D截止；截止；I=0，UD（负值）取决于外电路；（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关相当于一个断开的开关EDI

19、反反UDEI反反U四、四、应用举例应用举例362.二极管的应用二极管的应用电路如图示：已知电路如图示：已知E=5V，ui=10sin t VRDEuiuO解：解：此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：当当D的阳极电位高于阴极电位时，的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将导通，将D作为一短路线；作为一短路线；当当D的阳极电位低于阴极电位时，的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将截止，将D作为一断开的开关；作为一断开的开关；将二极管看成理想二极管将二极管看成理想二极管ui tuO t10V5V5V削波削波例例1求：求：uO的波形的波形37RRLuiuRuotttuiuRuo设设=RC tp，求求uo

20、的波形的波形tp例例2 238电路如图示：已知电路如图示：已知 VA=3VVB=0V 求求：VF=？解：解：此类电路的分析方法：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。正向电压高的二极管先导通。DB通通，VF=0VRDAADBB+12VF箝位箝位隔离隔离例例3 339二极管的特点二极管的特点单向导电性单向导电性二极管的应用二极管的应用开关、箝位、隔离、检波、整流等开关、箝位、隔离、检波、整流等4014.4 14.4 稳压二极管稳压二极管一、一、基本结构基本结构二、二

21、、伏安特性伏安特性三、三、主要参数主要参数四、四、应用电路应用电路41UIUZIZIZmax UZ IZ曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。结构：结构：结构同二极管（击穿可逆）结构同二极管（击穿可逆）二、伏安特性：二、伏安特性：稳压值稳压值 基本同二极管基本同二极管稳压稳压误差误差+-+-一、一、基本结构基本结构DZ符号：符号：421.1.稳定电压稳定电压UZ2.2.稳定电流稳定电流IZ稳压管中的电流为规定电流时，稳压管中的电流为规定电流时，稳压管两端的电压值。稳压管两端的电压值。稳压管正常工作时的参考电稳压管正常工作时的参考电流值，对应流值，对应UZ的值。的值。三、主要参数三、主要参

22、数UIUZIZminIZmax4）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP 434.4.动态电阻动态电阻rZ类似二极管的动态电阻，反映了稳压区电压变化量与电流变类似二极管的动态电阻，反映了稳压区电压变化量与电流变化量之比，越小越好。一般为几欧到几十欧。化量之比，越小越好。一般为几欧到几十欧。5.5.温度系数温度系数温度升高，温度升高，UZ增加，正温度系数。温度升高，增加，正温度系数。温度升高，UZ减小，负温减小，负温度系数。度系数。ZZIUZr （%/%/）44稳压管与二极管的主要区别稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区，稳压管运用在反向击穿区，二极管运用在正向区；二极管运用在

23、正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压管比二极管的反向特性更陡。45 稳压二极管在工作时应稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。反接，并串入一只电阻。电阻的作用：一是起电阻的作用：一是起限流限流作用，以保护稳压管；作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管调节稳压管的工作电流的工作电流，从而起到稳压作用。，从而起到稳压作用。UODZRRL+R-串联在稳压电路中；串联在稳压电路中；-必不可少！必不可少！-取值合适（使稳压管取值合适（使稳压管 工作在击穿区

24、）工作在击穿区）R-限流限流电阻电阻 -调整电阻调整电阻四、四、应用电路应用电路46已知图示电路中，已知图示电路中，UZ=6V，最，最小稳定电流小稳定电流IZmin=5mA，最大，最大稳定电流稳定电流IZmax=25mA，负载电负载电阻阻RL=600，求限流电阻，求限流电阻R的的取值范围。取值范围。RIRUODZRLILIDZ+UI=10V解解：1046.064 RRRURUUIIILZZILRDZ由由：maxmin104ZZIRI得得：227R114RuiOuiIZUZIZM例例4 447一、一、晶体管的结构及类型晶体管的结构及类型二、二、晶体管的电流分配和放大作用晶体管的电流分配和放大作用

25、三、三、晶体管的共射特性曲线晶体管的共射特性曲线四、四、晶体管的主要参数晶体管的主要参数14.5 14.5 晶体管晶体管48 Bipolar Junction Transistor-BJT 简称晶体管或三极管简称晶体管或三极管 双极型双极型 器件器件 两种载流子（多子、少子）两种载流子（多子、少子）双极型晶体管双极型晶体管 晶体管具有的能力晶体管具有的能力 电流控制（电流控制（current control）电流放大（电流放大（current amplify）49一、一、结构及类型结构及类型N NP PN N集电区集电区发射区发射区基区基区发射极发射极集电极集电极基极基极e ec cb b发射

26、结发射结集电结集电结1.1.基区很薄基区很薄2.2.发射区掺杂浓度发射区掺杂浓度基区掺杂浓度基区掺杂浓度3.3.集电区尺寸集电区尺寸 发射区尺寸，集电发射区尺寸，集电区掺杂浓度区掺杂浓度 VB VEVCVB UBE)条件：发射结正偏，集电结正偏条件：发射结正偏，集电结正偏(UCE 0，UCE UBE 发射结正偏，集电结反偏发射结正偏，集电结反偏IC =IB 电流放大作用电流放大作用UBE0，UCE UT，集电结反偏；放大，集电结反偏；放大 发射结正偏，集电结正偏；发射结正偏，集电结正偏；饱和饱和 发射结反偏，或发射结反偏，或UBEUon，集电结反偏；截止，集电结反偏；截止69例例6：在一个单管

27、：在一个单管放大放大电路中，电源电压为电路中，电源电压为30V，已知三只管子的，已知三只管子的 参数如表所示，请选用一只管子。参数如表所示，请选用一只管子。晶晶体体管管参参数数T1T2T3ICBO0.010.10.05UCEO50502015100100解：选用管子的依据：兼顾解：选用管子的依据：兼顾ICBO小，小，大，安全大，安全 T1值小，值小，T3UCEO小，小，T2 值较大，值较大，ICBO较小较小,UCEO大于电源电压。故应选大于电源电压。故应选T270例例7 7：关于：关于PNPPNP型管子及其电路型管子及其电路要满足发射结正偏，集电结反偏的条件，要满足发射结正偏，集电结反偏的条件

28、，VBB、VCC的极性应如图的极性应如图所示所示电流实际方向如图所示电流实际方向如图所示电位高低如图所示电位高低如图所示ecbe(N)c(N)b(P)+-uOuI-VBBRbRcVCCiCiBiE高高中中低低7114.6 光电器件光电器件1.发光二极管与光电二极管发光二极管与光电二极管1）发光二极管发光二极管LED 发光器件发光器件结构结构：由能发光的化合物半导体材料制作成：由能发光的化合物半导体材料制作成PN结结功能功能：将电能转换成光能。：将电能转换成光能。工作原理工作原理：PN结加正向电压导通时，发光；结加正向电压导通时，发光；PN结加反向电压截止时，不发光。结加反向电压截止时，不发光。

29、导通电压导通电压：1 2V导通电流导通电流：几：几 几十毫安，须接限流电阻几十毫安，须接限流电阻72注意：光电二极管工作在反向状态！注意：光电二极管工作在反向状态！2）光电二极管光电二极管受光器件受光器件功能功能：将光能转换成电能。：将光能转换成电能。工作原理工作原理：光照时，产生随光照强度而增加的反向电流；：光照时，产生随光照强度而增加的反向电流；无光照时，反向电流很小。无光照时，反向电流很小。73注意：光电三极管工作时，发射结正偏，注意：光电三极管工作时，发射结正偏，集电结反偏！集电结反偏！3）光电三极管光电三极管受光器件受光器件功能功能：将光能转换成电能，且有电流放大作用。：将光能转换成

30、电能，且有电流放大作用。工作原理工作原理：无光照时，暗电流为：无光照时，暗电流为 IC=（1+）ICBO；有光照时，光电流为有光照时，光电流为 IC=（1+）IL。IL为光照时流过集电结的反向电流。为光照时流过集电结的反向电流。E（-）C（+）74特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强；特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强；传输信号失真小，工作稳定可靠。传输信号失真小，工作稳定可靠。4）光电耦合器光电耦合器功能功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。：由光将输入端的电信号传递到输出端。工作原理工作原理：输入端加电信号输入端加电信号 发光二极管发光发光二极管发光光电三极管受光产生电流输出光电三极管受光产生电流输出+-CE75第第1414章章 小结提纲小结提纲一、一、PNPN结的单向导电性结的单向导电性二、二极管二、二极管三、稳压管三、稳压管四、三极管四、三极管五、光电器件五、光电器件正向导通：正向导通：反向截止：反向截止：结构、伏安特性、主要参数、特点、应用结构、伏安特性、主要参数、特点、应用结构、伏安特性、主要参数、特点、应用结构、伏安特性、主要参数、特点、应用结构、伏安特性、主要参数、特点、应用结构、伏安特性、主要参数、特点、应用特点、应用特点、应用76习题 P28 14.3.1,14.3.2(a),(b),14.3.5,14.3.6,14.5.1,14.5.2