1、电工电子技术基础电工电子技术基础武汉职业技术学院机械工程系武汉职业技术学院机械工程系第第6 6章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管目目 录录1.1 电路和电路模型电路和电路模型1.2 电路基本物理量电路基本物理量1.3 电阻元件、电感元件和电容元件电阻元件、电感元件和电容元件1.4 电压源、电流源及其等效变换电压源、电流源及其等效变换1.5 基尔霍夫定律基尔霍夫定律1.6 复杂电路的分析和计算复杂电路的分析和计算 目目 录录6.1 6.1 半导体基本知识半导体基本知识6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管6.3 6.3 稳压二极管稳压二极管6.4 6.4 发光二极管发光二极管6.5
2、 6.5 半导体三极管半导体三极管第第6 6章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管6.1 半导体基本知识半导体基本知识半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性4惯性核价电子Ge32Si14原子核电子轨道价电子(a)(b)(c)6.1.1 本征半导体本征半导体 本征半导体就是完全纯净的半导体。应用最本征半导体就是完全纯净的半导体。应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素都是四价元素.纯净的
3、半导体纯净的半导体其所有的原子基本上其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也结构，所以半导体也称为晶体称为晶体 晶体管名晶体管名称的由来称的由来 1.本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构6.1.1 本征半导体本征半导体SiiSSiiSiSiS价电子硅原子共价键 共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中留下一同时在共价键中留下一个空穴。个空穴。3.热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由
4、电子和空穴的现象空穴的现象-热激发热激发 自由电子在运动自由电子在运动中遇到空穴后，两中遇到空穴后，两者同时消失，称为者同时消失，称为复合现象复合现象 温度一定时，本征半导体中温度一定时，本征半导体中的自由电子的自由电子空穴对的数目基空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电本不变。温度愈高，自由电子子空穴对数目越多空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴4.半导体导电方式半导体导电方式SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，加上外电压时，自由电子作定向自由电子作定向运动形成电子电运动形成电子电流；而空穴的运流；而空穴的运动相当于正电荷动相当于正电荷的运动的运动 在半
5、导体中，同时存在着电子导电和空穴导在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。导体和金属在导电原理上的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。能的影响很大。4.半导体导电方式半导体导电方式6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体1.N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微
6、量的磷（或掺入微量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子，空穴是少数载流子。少数载流子。电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体-空穴空穴填补硅原子S iS iS iiSS iBP+iSS iiSiSiS价电子硅原子多余电子6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体2.P2.P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。-
7、空穴空穴填补硅原子SiSiSiiSSiBP+iSSiiSiSiS价电子硅原子多余电子6.1.2 N6.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的的。6.1.3 PN6.1.3 PN结结1.PN1.PN结的形成结的形成自由电子PN空穴PN结是由扩散运动形成的结是由扩散运动形成的1.1.PN结的形成结的形成自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴1.PN1.PN结的形成结的形成扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的
8、动态平衡扩散强扩散强漂移运动增强漂移运动增强内电场增强内电场增强两者平衡两者平衡PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定外加外加电压电压平衡平衡破坏破坏扩散强扩散强漂移强漂移强PNPN结导通结导通PNPN结截止结截止2.PN结的单向导电性结的单向导电性(1)(1)外加正向电压使外加正向电压使PNPN结导通结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RI2.PN结的单向导电性结的单向导电性(2)外加反向电压使外加反向电压使PN结截止结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈
9、现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点:受温度影响大受温度影响大原因原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+-变 宽PN内电场 方向外电场方向RI=02.PN结的单向导电性结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。结电阻很高，反向电流很小。返回返回6.2 6.2
10、 半导体二极管半导体二极管6.2.1 基本结构基本结构PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号正向正向O 0.4 0.8 U/VI/A604020-50 -25-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压6.2.2 6.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性 半导体二极管的半导体二极管的伏安特性是非线性伏安特性是非线性的。的。死区电压：死区电压：硅管：硅管：0.5伏左右，锗伏左右，锗管：管：0.1伏左右。伏左右。正向压降：正向压降：硅管：硅管：0.7伏左右，锗伏左右，锗管：管：0.2 0.3伏。伏。1.正向
11、特性正向特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/A604020-50 -25-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压6.2.2 6.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性反向电流：反向电流：很小很小反向饱和电流：反向饱和电流：几乎不随电压而变几乎不随电压而变反向击穿电压反向击穿电压UBR2.反向特性反向特性6.2.2 6.2.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/A604020-50 -25-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压6.2.3 6.2.3 主要参数主要参数1.最大整流电流最大整流电流IOM：二极管长时间使用时，允许流
12、过的最大正向平二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。均电流。2.最大最大 反向工作电压反向工作电压URM:保证二极管不被击穿所允许的最高反向电压。保证二极管不被击穿所允许的最高反向电压。一般为反向击穿电压的一般为反向击穿电压的1/21/3.3 最大反向电流最大反向电流IRM:二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。6V3VDAOG例例6.1 在图在图6.10所示电路中，二极管是导通所示电路中，二极管是导通还是截止？还是截止？解 先将二极管D拿开，比较二极管阳极与阴极的电位高低，若阳极电位高，则二极管D导通；反之截止。设两电源公共端G电位为0
13、，则二极管阳极电位为6V，阴极电位为3V，阳极电位低于阴极电位，故二极管D截止。Ruoiu+_+DE=10V0mUtE=5V54tE=5V0231uoiu例6.2 如图6.11(a)所示电路中，已知E=5V，输入电压ui=10sint，试画出输出电压uo的波形图。解解 如图如图6.11(b)画出输入电压画出输入电压ui和和E的波形。的波形。01段，段，uiE，二极管阳极电位高于阴极电位，二极管阳极电位高于阴极电位，D导通，导通，uo=E23段，段，uiE，二极管阳极电位高于阴极电位，二极管阳极电位高于阴极电位，D导通，导通，uo=E45段，段，uiE，二极管阳极电位低于阴极电位，二极管阳极电位
14、低于阴极电位，D截止，截止，uo=ui由此画出输出电压由此画出输出电压uo的波形图如图的波形图如图6.11(c)所示所示 例例6.3:图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负接负电源电源-12V。VY=+2.3V(二极二极管导通电压管导通电压0.7V)解：解：DA优先导通，优先导通，DA导导通后，通后，DB上加的是上加的是反向电压，因而截止。反向电压，因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用，DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回返回6.3 6.3 稳压管稳压管 稳压管是一
15、种特殊的二极管稳压管是一种特殊的二极管,其结构和其结构和普通二极管相同普通二极管相同,实质上也是一个实质上也是一个PN结结,所所不同的就是它工作在反向击穿状态不同的就是它工作在反向击穿状态.应用时应用时与适当的电阻配合能起稳压作用与适当的电阻配合能起稳压作用.稳压管表示符号稳压管表示符号：正向+-反向+-IZUZ6.3.1 6.3.1 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：稳压管工作于反稳压管工作于反向击穿区。稳压管向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然击穿时，电流虽然在很大范围内变化，在很大范围内变化，但稳压管两端的电但稳压管两端的电压变化很小。利用压变化很小。利用这一特性，稳压管这一特性，稳压管在
16、电路中能起稳压在电路中能起稳压作用。作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿 是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ 6.3.2 6.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1.稳定电压稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。2.稳定电流稳定电流IZ 指稳压管在稳定电压时的工作电流。指稳压管在稳定电压时的工作电流。最小稳定电流最小稳定电流IZmin是指稳压管进入反向是指稳压管进入反向击穿区时的转折点电流击穿区时的转折点电流3.稳定电流稳定电流IZmax指稳压管长期工作时允许通过的最大反向电流指稳压管长期工作时允许通过的最大
17、反向电流6.3.2 6.3.2 稳压管的主要参数稳压管的主要参数5.动态电阻动态电阻4.4.最大允许耗散功率最大允许耗散功率 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值比值管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PM=UZIZmax稳压管应用稳压管应用例题例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ大于时大于时,稳压管稳压管击穿击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZIZmax返回返回R_Z1DRuo+EDZ2Ruo_+DEZ2DZ1Z1DZ2ED+_ouR例例6.3 有两个稳压管有两个稳压管DZ1和和D
18、Z2，其稳定电压分别为，其稳定电压分别为5.5V和和8.5V，正向压降均为正向压降均为0.5V，现分别要得到，现分别要得到3V、6V、14V几种稳压值，几种稳压值，试画出其电路图。试画出其电路图。解解 利用稳压管反向导通时两端电压等于它的稳定电压，利用稳压管反向导通时两端电压等于它的稳定电压，正向导通时两端电压等于它的正向压降，按图正向导通时两端电压等于它的正向压降，按图6.13(a)、（、（b）、（、（c）连接，可分别得到）连接，可分别得到3V、6V、14V几种稳定电压值。图几种稳定电压值。图中中R是限流电阻，不能缺少。假设是限流电阻，不能缺少。假设E大于大于14V。6.4 发光二极管发光二
19、极管 发光二极管（发光二极管（Light EmitingLight Emiting Diode Diode），简称），简称LEDLED，是一种将直接把电能转换成光能的器件，没有热交，是一种将直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程。它在正向导通时会发光，导通电流增大时，换过程。它在正向导通时会发光，导通电流增大时，发光亮度增强。其外形和电路符号分别如图发光亮度增强。其外形和电路符号分别如图6.14(a)6.14(a)、（、（b b）所示。）所示。阴极阳极_+6.5.1 6.5.1 基本结构基本结构 三极管的结构，最常见的有平面型和合金型两类。三极管的结构，最常见的有平面型和合金型两类。图图6
20、.16(a)6.16(a)为平面型（主要为硅管），图为平面型（主要为硅管），图6.16(b)6.16(b)为合金型为合金型（主要为锗管）。都是通过一定的工艺在一块半导体基片（主要为锗管）。都是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个上制成两个PNPN结，再引出三个电极，然后用管壳封装而成。结，再引出三个电极，然后用管壳封装而成。(a)(a)(b)(b)6.5 6.5 半导体三极管半导体三极管6.5.1 6.5.1 基本结构基本结构(NPN(NPN型型)发射结集电结发射区基区集电区CNNPBECCEB基极集电极发射极BNNPE发射结集电结BPPN发射区基区 集电区ECPPNBECCEB6.5.1
21、 6.5.1 基本结构基本结构(PNP(PNP型型)集电极发射极基极6.5.2 6.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG6共发射极接法共发射极接法晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05由此实验及测量结果可得出如下结论：由此实验及测量结果可得出如下结论：（1）IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和和I
22、C比比IB 大的多。大的多。（3）当）当IB=0（将基极开路）时，（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1CCECB|)(IUfI 晶体管的输晶体管的输出特性曲线是出特性曲线是一组曲线。一组曲线。2 输出特性曲线输出特性曲线3691201324IC/mA10080604020AIB=0UCE/V输出特性曲线上的三个工作区输出特性曲线上的三个工作区3691201324IC/mA10080604020AIB=0UCE/V（1）放大区）放大区（2）截止区）截止区（3）饱和区）饱和区输出特性曲线上的三个工作区输出特性曲线上的三个工作区3691201324
23、IC/mA10080604020AIB=0UCE/V（1）放大区）放大区输出特性曲线输出特性曲线近似于水平。近似于水平。BCII发射结正向发射结正向偏置，集电结偏置，集电结反向偏置。反向偏置。放放大大区区输出特性曲线上的三个工作区输出特性曲线上的三个工作区3691201324IC/mA10080604020AIB=0UCE/V（2）截止区）截止区I IB B=0=0曲线以下的曲线以下的区域为截止区区域为截止区IB=0 时，时，IC=ICEO0.001mA 对对NPN型硅管而言，型硅管而言，当当UBE0.5V时，即已开时，即已开始截止，为了截止可靠，始截止，为了截止可靠，常使常使UBE小于等于零
24、。小于等于零。截止区截止区发射结反向偏置，集电结反向偏置。发射结反向偏置，集电结反向偏置。输出特性曲线上的三个工作区输出特性曲线上的三个工作区3691201324IC/mA10080604020AIB=0UCE/V（3）饱和区）饱和区 当当U UCECEU UBEBE时，集电结时，集电结处于正向偏置，晶体管处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态工作处于饱和状态 在饱和区，在饱和区，I IB B的的变化对变化对I IC C的影响较的影响较小，两者不成比例小，两者不成比例发射结正向偏置，集发射结正向偏置，集电结也正向偏置。电结也正向偏置。饱和区饱和区6.5.4 6.5.4 三极管的主要参数三极管的主
25、要参数1 电流放大系数电流放大系数,_：静态电流（直流）放大系数静态电流（直流）放大系数BC_II：动态电流（交流）放大系数动态电流（交流）放大系数BCII注意：注意：,_两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用近。在估算时，常用 _近似关系近似关系（1）（2）对于同一型号的晶体管，对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的值有差别，常用晶体管的值在值在20-100之间。之间。6.5.4 6.5.4 主要参数主要参数2 2 集集基极反向截止电流基极反向截止
26、电流I ICBOCBOICBO=IC|IE=0 ICBO受温度的影响大。受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。越小越好。EC A+_T+_ICB06.5.4 6.5.4 主要参数主要参数3 集集射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO=IC|IB=0穿透电流穿透电流ICEO与与ICBO的关系：的关系：CEOB_CBOCBOB_CCBO_CBOCBO_CEOCBOCBOCEO0CBOBCBOCEBEC_)()(1|BIIIIIIIIIIIIIIIII
27、IIIICBO愈大，愈大，_愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子时，要求时，要求ICBO尽可能小些，而尽可能小些，而_以不超过以不超过100100为宜。为宜。6.5.4 6.5.4 主要参数主要参数4 4 集电极最大允许电流集电极最大允许电流I ICMCM集电极电流集电极电流IC超过一定值时，晶体管的超过一定值时，晶体管的_值要下降。当值要下降。当_值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。在使用晶体管时，在使用晶体管时，IC超过超过ICM并不一定会使晶体管损坏，并不一定会使晶体管损坏，但以降低但以降低 为代价。为代
28、价。_5 集集射极反向击穿电压射极反向击穿电压U（BR）CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。6.5.4 6.5.4 主要参数主要参数6 集电极最大允许耗散功集电极最大允许耗散功PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。极所消耗的最大功率。PCM=ICUCEIC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作区安全工作区6.5.4 6.5.4 主要参数主要参数
