1、下一页 上一页 第第14章章 二极管和晶体管二极管和晶体管 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 双极性晶体管 14.2 PN结及其单向导电性 14.1 半导体的导电特性 14.6 光电器件 下一页 上一页 第第14章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。下一页 上一页 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺
2、入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强 下一页 上一页 14.1.1 本征半导体 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（价电子）都是四个。Si 硅原子 Ge 锗原子 下一页 上一页 硅的共价键结构 共价键共 用电子对 Si Si Si Si 完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为 本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。价电子 下一页 上一页 Si Si Si Si 价电子
3、 价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发。空穴 温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。下一页 上一页 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动?电子电流 (2)价电子递补空穴?空穴电流 注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)
4、温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。下一页 上一页 14.1.2 N型半导体和 P 型半导体 掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素 Si Si Si Si p+多余电子 磷原子 在常温下即可变为自由电子 失去一个电子变为正离子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。在N 型半导体中自由电子是多数载流子
5、，空穴是少数载流子。下一页 上一页 14.1.2 N型半导体和 P 型半导体 掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为 空穴半导体或 P型半导体。掺入三价元素 Si Si Si Si 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B硼原子 接受一个电子变为负离子 空穴 无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。下一页 上一页 1.在杂质半导体中多子的数量与 （a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与 （a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量 （a.减少、b.不变、c.增多）。a b c 4.在外加电压的作用下，P
6、 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。（a.电子电流、b.空穴电流）b a 下一页 上一页 14.2 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 多子的扩散运动 内电场 少子的漂移运动 浓度差 P 型半导体 N 型半导体 内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称 PN 结 扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。+形成空间电荷区 下一页 上一页 14.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性 1.PN 结加正向电压（正向偏置）PN 结变窄 P接正、N接负 外电场 IF
7、内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场 P N +扩散?飘移 下一页 上一页 2.PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）外电场 P接负、N接正 内电场 P N+下一页 上一页 PN 结变宽 2.PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）外电场 内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR P接负、N接正 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。+PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场 P N+下一页 上一页
8、14.3 半导体二极管半导体二极管 14.3.1 基本结构(a)点接触型 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。金属触丝 阳极引线 N 型锗片 阴极引线 外壳(a )点接触型 符号:阴极 阳极 D 下一页 上一页 铝合金小球 N 型硅 阳极引线 PN 结 金锑合金 底座 阴极引线(b )面接触型(b)面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P 型硅 N 型硅(c )平面型 下一页 上一页 下一页 上一页 14.3.2 伏安特性伏
9、安特性 硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿 电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性 反向特性 特点：非线性 硅0.60.8V锗0.20.3V U I 死区电压 P N+P N +反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。下一页 上一页 14.3.3 主要参数主要参数 1.最大整流电流 IOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压 URWM 是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压 UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。
10、3.反向峰值电流IRM 指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。下一页 上一页 二极管的单向导电性小结 1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。下一页 上一页
11、 二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态 导通截止 否则，正向管压降 硅0.60.7V锗0.20.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压 UD的正负。若 V阳 V阴或 UD为正(正向偏置)，二极管导通 若 V阳 V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V 否则，UAB低于6V一个管压降，为 6.3或6.7V 例1：取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。D 6V 12V 3k?B A UAB+下一页 上一页 两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳=6 V，V2阳
12、=0 V，V1阴=V2阴=12 V UD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V 例2:D1承受反向电压为 6 V 流过 D2 的电流为 mA43122D?I求：UAB 在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。B D1 6V 12V 3k?A D2 UAB+下一页 上一页 ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui 已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。V sin18itu?8V 例3：二极管的用途：整流、检波、限幅、钳位、开 关、元件保护、温度补偿等。ui t?
13、18V 参考点 二极管阴极电位为 8 V D 8V R uo ui+下一页 上一页 作业：作业：P32 14.3.5 下一页 上一页 14.4 稳压二极管 1.符号 UZ(稳定电压）IZ(稳定电流）IZM(最大稳定电流）?UZ?IZ 2.伏安特性 稳压管正常工作时加反向电压(反向击穿区）稳压管的击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压管又恢复正常。超过IZM,稳压管会被烧毁，_+U I O 动态电阻 ZZ ZIUr?rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。电压温度系数?：环境温度每变化1?C引起稳压值变化的百分数。最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM 下一页 上一页 例：稳压二极管的应用例：稳压二极管
14、的应用 RL ui uO R DZ i iz iL UZ 稳压二极管技术数据为：稳压电压 UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k?，输入电压ui=12V，限流电阻R=200?。若负载电阻变化范围为1.5 k?4 k?，是否还能稳压？下一页 上一页 RL ui uO R DZ i iz iL UZ UZ=10V ui=12V R=200?Izmax=12mA Izmin=2mA RL=2k?(1.5 k?4 k?)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）R
15、L=1.5 k?,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4 k?,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用 下一页 上一页 光电二极管 反向电流随光照强度的增加而上升。I U 照度增加 符号 光电二极管 下一页 上一页 发光二极管发光二极管 有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA 发光二极管 下一页 上一页 14.5 半导体三极管（双极型晶体管）14.5
16、.1 基本结构 N N P 基极 发射极 集电极 NPN型 B E C B E C PNP型 P P N 基极 发射极 集电极 符号：B E C IB IE IC B E C IB IE IC NPN型三极管 PNP型三极管 下一页 上一页 基区：最薄，掺杂浓度最低 发射区：掺 杂浓度最高 发射结 集电结 B E C N N P 基极 发射极 集电极 结构特点：集电区：面积最大 下一页 上一页 14.5.2 电流分配和放大原理 1.三极管放大的外部条件 B E C N N P EB RB EC RC 发射结正偏、集电结反偏 PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVE 集电结反偏 VCV
17、B 下一页 上一页 2.各电极电流关系及电流放大作用 IB(mA)IC(mA)IE(mA)0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 结论结论:1）三电极电流关系）三电极电流关系 IE=IB+IC 2）IC?IB，IC?IE 3）?IC?IB 把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS（电流控制电流源）器件。下一页 上一页 3.三极管内部载流子的运动规律 B E C
18、 N N P EB RB EC IE iBE ICE ICBO 基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流iBE，多数扩散到集电结。从发射区扩散到基区并到达集电区边缘的电子被拉入集电区而被收集，形成iCE。集电结反偏，集电区的空穴和基区的电子向对方运动形成的反向电流iCBO。下一页 上一页 3.三极管内部载流子的运动规律 IC=ICE+ICBO?ICE IC IB B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO IB=IBE-ICBO?IBE ICE 与 IBE 之比称为共发
19、射极电流放大倍数 BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII?CEOBCBOBC)(1 IIIII?BC CEO III?，有忽略集射极穿透电流,温度?ICEO?(常用公式)若IB=0,则 IC?ICEO 下一页 上一页 14.5.3 特性曲线特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路 重点讨论应用最广泛的 共发射极接法的特性曲线 输入特性曲线和输出特性曲线 下一页 上一页 发射极是输入回路、输出回路的公共端 共发射极
20、电路 输入回路 输出回路 测量晶体管特性的实验线路 IC EB mA?A V UCE UBE RB IB EC V+下一页 上一页 1.输入特性 常数?CE)(BEBUUfI特点:非线性 死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管 UBE?0.60.7V PNP型锗管 UBE?0.2?0.3V IB(?A)UBE(V)20 40 60 80 0.4 0.8 UCE?1V O IC EB mA?A V UCE UBE RB IB ECV+下一页 上一页 2.输出特性输出特性 IB=0 20?A 40?A 60?A 80?A 100?A 常数?B)(CECIUfI3
21、6 IC(mA )1 2 3 4 UCE(V)9 12 O 放大区 输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区 在放大区有 IC=?IB，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IC EB mA?A V UCE UBE RB IB EC V+下一页 上一页 IB=0 20?A 40?A 60?A 80?A 100?A 3 6 IC(mA )1 2 3 4 UCE(V)9 12 O（2）截止区 IB 0 以下区域为截止区，有 IC?0。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区 截止区（3）饱和区 当U
22、CE?UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，?IB?IC，深度饱和时，硅管UCES?0.3V，锗管UCES?0.1V。发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。集电结也处于正偏。下一页 上一页+UBC0 UCE+_+UBC0 _ IBIB ICUCC/RC+_ UBE0 UCE0+_ 晶体管的开关作用：当晶体管饱和时，UCE0V，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC0。发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大。晶体管三种工作状态的电压和电流 （a）放大（b）截止（c）饱和 IB：晶体管刚刚饱和时的电流 下一页 上一页 RC RB EC=UCC IC
23、 IB T+_ U1 例：已知UCC=6V，RC=3k，RB=10k，?=25，当输入电压U1分别为3V，1V和-1V时，试问晶体管处于何种工作状态？解：晶体管饱和时有 3362 123 10CCCCUIAAmAR?晶体管刚饱和时的基极电流为 20.088025CBIImAmAA?（1）当U1=3V时，晶体管已处于深度饱和状态。（2）当U1=1V时，晶体管处于放大状态。61330.7230 1023010 10BEBBBUUIAAAIR?61310.730 103010 10BEBBBUUIAAAIR?（3）当U1=-1V时，晶体管可靠截止。0BI?BBII?0BBII?晶体管处于放大状态 晶
24、体管深度饱和 晶体管截止晶体管截止 下一页 上一页 14.5.4 主要参数 1.电流放大系数:?,?静态电流（直流）放大系数 BCII_?BCII?动态电流（交流）放大系数 当晶体管接成发射极电路时，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和?的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO 较小的情况下，两者数值接近。?常用晶体管的?值在20 200之间。下一页 上一页 例：在例：在UCE=6 V时，时，在在 Q1 点点IB=40?A,IC=1.5mA；在 Q2 点IB=60?A,IC=2.3mA,求电路放大系数。53704051BC.II?4
25、00400605132BC?.II?在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：?=。?IB=0 20?A 40?A 60?A 80?A 100?A 3 6 IC(mA )1 2 3 4 UCE(V)9 12 0 Q1 Q2 在 Q1 点，有 由 Q1 和Q2点，得 下一页 上一页 2.集-基极反向截止电流 ICBO ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度?ICBO?ICBO?A+EC 3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO?A ICEO IB=0+ICEO受温度的影响大。温度?ICEO?，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。反偏 反
26、偏 正偏 下一页 上一页 4.集电极最大允许电流 ICM 5.集-射极反向击穿电压 U(BR)CEO 集电极电流 IC上升会导致三极管的?值的下降，当?值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是 25?C、基极开路时的击穿电压 U(BR)CEO。6.集电极最大允许耗散功耗 PCM PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC?PCM=IC UCE 硅管允许结温约为 150?C，锗管约为70?90?C。下一页 上一页 ICUCE=PCM ICM U(BR)CEO 安全工作区 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 IC UCE O 下一页 上一页 晶体管参数与温度的关系 1、温度每增加10?C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。2、温度每升高 1?C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。3、温度每升高 1?C，?增加 0.5%1.0%。下一页 上一页 作业：作业：P34 14.4.3 14.5.9 P32 14.3.5
