1、半导体二极管和晶体管半导体二极管和晶体管第十四章第十四章1电子技术电子技术是研究各种半导体器件的性是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。能、电路及其应用的学科。从本从本学科内容大的方面来划分，可分学科内容大的方面来划分，可分为为模拟电子技术模拟电子技术和和数字电子技术数字电子技术。l模拟电子技术主要讨论模拟电子技术主要讨论连续变化信连续变化信号电路。号电路。l数字电子技术主要讨论数字电子技术主要讨论脉冲信号电路。脉冲信号电路。l电子器件的发展：电子器件的发展：真空电子管真空电子管 晶体管晶体管 集成电路集成电路234本章作业：uP32页14.3.6 14.3.8 14.4.314.5
2、.8 14.5.9514.1 半导体的导电特性半导体的导电特性u几个基本概念：几个基本概念：1、很容易导电的物质称为、很容易导电的物质称为导体导体金属一般都是导体。金属一般都是导体。2、有的物质几乎不导电，称为、有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体 如橡皮、陶瓷、塑料和石英。如橡皮、陶瓷、塑料和石英。3、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，称为称为半导体半导体 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。6323/10cm个个原原子子密密度度：322/105cm个个铜铜的的载载流流子子密密度度：310/105.1cm个个
3、硅硅的的载载流流子子密密度度：313/105.2cm个个锗锗的的载载流流子子密密度度：似似等等于于零零绝绝缘缘体体载载流流子子密密度度：近近一种物质的导电性能取决于一种物质的导电性能取决于 其其载流子载流子密度（浓度）。密度（浓度）。7u半导体的特点：半导体的特点：半导体的优点半导体的优点（与电子真空管相比）1、体积小，重量轻 2、耗电省 3、成本低（特别是大规模生产）缺点：缺点：1、受温度影响大2、参数离散3、半导体器件对静电非常敏感：半导体生产车间对去静电要求非常强，进车间前要去静电、穿防护服89现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（
4、价电子）都是四个。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。GeSi10通过一定的工艺过程，可以将半导体通过一定的工艺过程，可以将半导体制成制成晶体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体，完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为称为本征半导体本征半导体。11硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共价键 共共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子 共价键中的两个电子被紧共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为紧束缚在共价键中，称为束束缚电子缚电子。常温下束缚电子很难脱离常温下束缚电子很难脱离共价键成为共价键成为自由电子自由电子。因此本征半导体中的
5、自由因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很电子很少，导电能力很弱弱。注意：半导体中两种电子：注意：半导体中两种电子：共价键中的共价键中的价电子价电子自由电子自由电子12 在常温下，由于在常温下，由于热激发热激发，使一些价电子，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，称，同时共价键上留下一个空位，称为为空穴空穴。1、本征激发（热激发）、本征激发（热激发）13本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 空穴吸引空穴吸引邻近邻近价电子价电子来填补，这来填补，这样的结果相样的结果相当于空穴的当于空穴的迁移，因
6、此迁移，因此可以认为可以认为空空穴穴是载流子。是载流子。空穴导电：空穴导电：14注意：注意：1、半导体有两种载流子：、半导体有两种载流子：自由电自由电子子 和空穴和空穴；2、自由电子和空穴是成对出现，、自由电子和空穴是成对出现，又不断复合。又不断复合。3、在一定温度下，电子空穴对处、在一定温度下，电子空穴对处于动态平衡，载流子数目便维持一于动态平衡，载流子数目便维持一定。定。4、温度对半导体的导电性能影响、温度对半导体的导电性能影响很大。很大。15+4+4+5+4N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子掺杂浓度为百万分之一，掺杂浓度为百万分之一，则电子浓度就会增加到：则电子浓度就会增加到
7、：317/10cm个2 2、掺杂、掺杂 在本征半导体中掺入某在本征半导体中掺入某些些微微量的杂质，就会使半导量的杂质，就会使半导体的导电性能发生体的导电性能发生显著显著变化。变化。16N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子硅原子硅原子+N型硅表示型硅表示SiPSiSi硅或锗硅或锗+少量磷少量磷 N型半导体型半导体17N型半导体型半导体N型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？结论：结论：1、自由电子和空穴，且掺杂后载流子的浓度远远大于、自由电子和空穴，且掺杂后载流子的浓度远远大于本征半导体中载流子浓度本征半导体中载流子浓度。2、自由电子浓度远远大于空穴浓度。、自由电子浓度远
8、远大于空穴浓度。多数载流子多数载流子（多子多子）自由电子自由电子 少数载流子少数载流子（少子少子）空穴。空穴。18+4+4+3+4空穴空穴P型半导体型半导体硼原子硼原子19P型半导体特点：型半导体特点：1、在本征半导体中掺入三价元素。、在本征半导体中掺入三价元素。2、P型半导体中载流子是自由电子和空穴型半导体中载流子是自由电子和空穴 多子：多子：空穴空穴 少子少子：自由电子自由电子20总总 结结掺杂半导体导电性能大大增强的原因是：掺杂半导体导电性能大大增强的原因是：掺杂半导体的某种掺杂半导体的某种载流子浓度载流子浓度大大增加！大大增加！半导体类型半导体类型掺入杂质掺入杂质主要载流子主要载流子
9、别称别称N型型半导体半导体五价元素，如五价元素，如P自由电子自由电子-电子半导体电子半导体P型型半导体半导体三价元素，如三价元素，如B空穴空穴+空穴半导体空穴半导体212214.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性14.2.1 PN 结的形成结的形成l先将基片做成先将基片做成P型，然后在另一边掺入五价元素，型，然后在另一边掺入五价元素，使其成为使其成为N型半导体。型半导体。l先将基片做成先将基片做成N型，然后在另一边掺入三价元素，型，然后在另一边掺入三价元素，使其成为使其成为P型半导体。型半导体。23P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体扩散运动漂移运动+内电场E空间电荷区空间电荷区
10、24一、一、PN 结结的的形形成成251、空间电荷区中几乎没有载流子。、空间电荷区中几乎没有载流子。(故空间电荷区的电阻率很高故空间电荷区的电阻率很高)2、空间电荷区中内电场、空间电荷区中内电场阻碍阻碍多子的扩散多子的扩散运动运动，促进促进少子的漂移运动少子的漂移运动。3、P区中的电子和区中的电子和N区中的空穴（区中的空穴（都是少都是少子子），数量有限，因此由它们形成的电），数量有限，因此由它们形成的电流很小即漂移电流很小，流很小即漂移电流很小，nA级。级。请注意请注意4、扩散与漂移达到动态平衡时、扩散与漂移达到动态平衡时,空间电荷区空间电荷区的宽度基本稳定，的宽度基本稳定，PN结处于相对稳定
11、状态。结处于相对稳定状态。26 P区接外电源的正极、区接外电源的正极、N区接负极：区接负极：PN结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置 14.2.2 PN 结的单向导电性结的单向导电性27PN结反向偏置结反向偏置PN结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是：P区接外电源负极、区接外电源负极、N区接正极。区接正极。28PN结正向偏置结正向偏置PN结反向偏置结反向偏置空间电荷区（空间电荷区（PN结）结）变窄变窄变宽变宽内电场内电场扩散或漂移扩散或漂移多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移电流电流正向正向电流电流大大反向反向电流电流小小电阻电阻正向电阻正向电阻小小反向电
12、阻反向电阻大大PN 结结导通导通截止截止结论：结论：2930阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型硅型硅N型硅型硅(c)平面型平面型金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型图图 1 12 半导体二极管的结构和符号半导体二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极(d )符号符号D31二二极极管管实实际际外外形形32反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+电流的正半部分单位为电流的正
13、半部分单位为mA，负半部分为，负半部分为A333435考点考点l定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止非理想非理想l定量分析：若二极管是定量分析：若二极管是理想理想的，的，36例例1：D6V12V3k BAUAB+37例例2:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+共阴连接共阴连接38BD16V12V3k AD2UAB+共阳共阳连接连接39V sin18itu t 40例例4：二极管的应用：二极管的应用RRLuiuRuotttuiuRuo41PN结高频小信号时的等效电路：结高频小信号时的等效电路：势垒电容和扩散势垒电容和扩散电容的综合效应电
14、容的综合效应rd（2）二极管的极间电容（）二极管的极间电容（了解了解）42一、工作区域一、工作区域UIUZIZIZmax UZ IZ曲线越曲线越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。+-稳压管工作在稳压管工作在反反向击穿区向击穿区稳压管反向击穿后，电稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中特性，稳压管在电路中可起稳压作用。可起稳压作用。43二、工作特点：二、工作特点：（1）在）在反向击穿区反向击穿区处于稳压状态；处于稳压状态；（3）工作在其它区域与一般二极管相同。）工作在其它区域与一般二极管相同。（2）其反向击穿是）其反
15、向击穿是可逆的可逆的；44 45ZZ ZIUr46NNP基极基极BEC发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP型型基极基极BECPPN发射极发射极集电极集电极47BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结48BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，1um以下，掺杂以下，掺杂浓度低浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高结构特点结构特点49三极管结构特点（三极管结构特点（工作的内部条件工作的内部条件）：）：1、集电区：面积最大，掺杂浓度大于基区掺杂浓度（收集、集电区：面积最大，掺杂浓度大于基区掺杂浓度（收
16、集电子的作用）电子的作用）2、基区：最薄，掺杂浓度最低（过渡电子的作用）、基区：最薄，掺杂浓度最低（过渡电子的作用）3、发射区：掺杂浓度最高，远远大于集电区的掺杂浓度、发射区：掺杂浓度最高，远远大于集电区的掺杂浓度（发射电子的作用）（发射电子的作用）三三极极管管三个区三个区发射区发射区基区基区集电区集电区两个结两个结发射结发射结集电结集电结三根引线三根引线发射极发射极E基极基极B集电极集电极C501BECNNPEBRBEc发射结正偏，发发射结正偏，发射区电子不断向射区电子不断向基区扩散，形成基区扩散，形成发射极电流发射极电流IE。IE基区空穴基区空穴向发射区向发射区的扩散可的扩散可忽略。忽略。
17、IBE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE，多数扩，多数扩散到集电结。散到集电结。51BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，集电结反偏，有少子形成的有少子形成的反向电流反向电流ICBO。ICBO从发射区扩从发射区扩散来的电子散来的电子与基区的少与基区的少子漂移进入子漂移进入集电结而被集电结而被集电区收集，集电区收集，形成形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEIBE2ICE多子的运动多子的运动少子的运动少子的运动52IB=IBE-ICBO IBEIB3BECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBEI
18、CE与与IBE之比称为之比称为电流放大倍数电流放大倍数534BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII 54ICE与与IBE之比称为之比称为电流放大倍数电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。射结正偏，集电结反偏。CECCBOCCCBEBCBOBBBIIIIneVnIIIIneVn的物理意义：在基区每有一个电子中和，则有 个电子到达集电区。(1)EBCBIIII电流关系式：电流关系式：三极管放大的实质：小电流控制大电流。三极管放大的实质：小电流控制大电流。55BECIBIEICNPN型三极管型三极管TBECIBIEICPNP型三极管型三极
19、管T三极管工作于放大区时，各电极电位关系：三极管工作于放大区时，各电极电位关系：EBCVVVCBEVVV56ICmA AVVUCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路2.各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作用57符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律58发射极是输入回路、输出回路的公共端发射极是输入回路、输出回路的公共端 共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路 测量晶体管特性的实验线路测量晶体管特性的实验线路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+14.5.3 特性曲线特性曲线591、输入特性、输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8U
20、CE 1V 死区电死区电压，硅管压，硅管0.5V，锗锗管管0.1V。工作压降：工作压降：硅硅管管UBE 0.60.7V锗锗管管UBE 0.20.3V常常数数 CE)(BEBUUfI602.输出特性输出特性IB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区输出特性曲线通常分三个工作区：输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区放大区 在放大区有在放大区有 IC=IB ，也也称为线性区，具有恒称为线性区，具有恒流特性。流特性。在放大区，在放大区，发射结处发射结处于正向偏置、集电结处于正向偏置、集电结处于反向偏置
21、，晶体管工于反向偏置，晶体管工作于放大状态。作于放大状态。61IB=020 A40 A60 A80 A100 A36IC(mA )1234UCE(V)912O（2）截止区）截止区IB 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB=0+UCE UCC UBC 0 IB+UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时，UCE 0，发射极与集电极之发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，当晶体管截止时，IC 0，发射极与集电极之间发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大。如同一个开关的
22、断开，其间电阻很大。所以所以晶体管除了有放大作用外，还有开关作用晶体管除了有放大作用外，还有开关作用63 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管硅管(NPN)锗管锗管(PNP)可靠截止可靠截止开始截止开始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 饱和饱和 工工 作作 状状 态态 管管 型型晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值四四 主要参数主要参数 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。作用：表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。作用：1.1.表示晶体管各项性能的指标；表示晶体管各项性能的指标；2.2.设
23、计、计算和调整晶体管电路不可缺少的依据；设计、计算和调整晶体管电路不可缺少的依据；3.3.评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据。评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据。64 BCII_ BCII 6553704051BC.II 400400605132BC .II 66ICBO A+EC673.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流(穿透电流穿透电流)ICEO=0ICEO=（1+）6869三极管正常工作要同时满足三个条件：三极管正常工作要同时满足三个条件：CMCII CMCPP(BR)CEOCEUU注：瞬时超过未必损坏注：瞬时超过未必损坏瞬时超过损坏瞬时超过损坏70ICMU(BR)CEOICUCEO
24、安全工作区安全工作区7172u晶体管的放大作用：晶体管的放大作用：本质：电流控制作用，即本质：电流控制作用，即 iB对对iC或或iE的控制作用。的控制作用。基极电流基极电流iB是由发射结间电压是由发射结间电压uBE控制的。控制的。ui uBE iB iC 在集电极回路中串接一个负载电阻，就可以在负在集电极回路中串接一个负载电阻，就可以在负载电阻两端得到相应的幅度较大的变化电压。载电阻两端得到相应的幅度较大的变化电压。半导体晶体管总结（1）73u三极管三种工作状态三极管三种工作状态注：注：+表示表示“正偏正偏”；-表示表示“反偏反偏”CI1截止区-0放大区+-饱和区+0CCCRVBICCVBEU
25、CEUEJCJ74三三极极管管的的实实际际结结构构75三三极极管管的的类类型型判判定定76例：说明图示电路中的开关例：说明图示电路中的开关S分别处于分别处于a、b、c三个位置时三个位置时,三极管分别工作于什么三极管分别工作于什么区区;并计算并计算IB,IC及及UCE分别为多少分别为多少?20K10K1K+12VabcSCEB3V3VIC=10077解：解：a位置：位置：UBE=0故故IB=0 IC=0 UCE=12V 工作于截止区。工作于截止区。b位置：位置：UBE=0.7V故故IB=(3-0.7)/10*103=0.23mAIB=100*0.23=23mAmARUCCC12101123 (I
26、Csat)故故IC=12mA UCE=0 工作于饱和区工作于饱和区c位置：位置：UBE=0.7V故故IB=(3-0.7)/(20+10)*103=0.0767mAIB=100*0.0767=7.67mA ICsat=12mA故故IC=7.67mA UCE=12-IC*1K=4.33V 工作于放大区工作于放大区78晶体管的三种工作状态对比总结（2）工作状态定义特点电流特征解说工作状态分析截止状态C与E之间内阻很大发射结反偏发射结反偏集电结反偏集电结反偏UBC 0UBCUBEICIB，IE（1）IB每个基极电流就对应相应的集电极与发射极电流，并且可以有效的控制集电极与发射极电流信号不会出现非线性失真饱和状态C与E之间内阻很小发射结正偏发射结正偏集电结正偏集电结正偏UBC0UCE=0IC=UCC/RCIB IC电流放大倍数很小，甚至小于1,IB 无法控制IC的大小信号失真，加在B的信号的正半周进入饱和区，在C输出的信号是负半周被部分截掉7980E=0E1E2E2 E18182本章知识点小结 本征半导体 N型、P型半导体 PN结以及多子少子概念结以及多子少子概念 二极管的曲线、死区电压、UBR、导通压降 二极管电路的分析二极管电路的分析 晶体管的输入曲线、输出曲线 晶体管主要参数的意义 二极管：单向导电二极管：单向导电 三极管：电流放大（内、外条件）三极管：电流放大（内、外条件）83
