1、第第 9 章章 二極管和晶體管二極管和晶體管第第 9 章二極管和晶體管章二極管和晶體管9.1半導體的導電特性半導體的導電特性9.2二極管二極管9.3穩(wěn)壓二級管穩(wěn)壓二級管9.4晶體管晶體管9.5光電器件光電器件第第 9 章二極管和晶體管章二極管和晶體管9.1半導體的導電特性半導體的導電特性9.1.1本征半導體本征半導體 本征半導體就是完全純凈的、具有本征半導體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體。晶體結(jié)構(gòu)的半導體。 9.1.1本征半導體本征半導體 自由電子自由電子空穴空穴共價鍵共價鍵SiSiSiSi本征半導體中自由本征半導體中自由電子和空穴的形成電子和空穴的形成用得最多的半導體是硅或鍺用得最多的

2、半導體是硅或鍺, ,它們它們都是四價元素。將硅或鍺材料提純并形都是四價元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價鍵結(jié)構(gòu)。在獲成單晶體后，便形成共價鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量得一定能量( (熱、光等熱、光等) )后，少量價電子后，少量價電子即可掙脫共價鍵的束縛成為即可掙脫共價鍵的束縛成為自由電子自由電子，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴空穴。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn), ,同時又不斷復合。同時又不斷復合。在外電場的作用下，自由在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運動形電子逆著電場方向定向運動形成成電子電流電子電流。帶正電

3、的空穴吸。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補，引相鄰原子中的價電子來填補，而在該原子的共價鍵中產(chǎn)生另而在該原子的共價鍵中產(chǎn)生另一個空穴?？昭ū惶钛a和相繼一個空穴?？昭ū惶钛a和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場方向移動，形成著電場方向移動，形成空穴電空穴電流流?？梢娫诎雽w中有可見在半導體中有自由電自由電子子和和空穴空穴兩種載流子，它們都兩種載流子，它們都能參與導電。能參與導電。（見視頻）（見視頻）空穴移動方向空穴移動方向 電子移動方向電子移動方向 外電場方向外電場方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2N 型半導體和型半導體和 P 型半導體型半導體1N 型半

4、導體型半導體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷，當某一個硅原子被當某一個硅原子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電價鍵，多余的一個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，將這種半導體稱為少數(shù)載流子，將這種半導體稱為 N 型半導體。型半導體。 SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子多余價電子本征半導體中由于載流本征半導體中由于載流子數(shù)量極

5、少，導電能力很低。子數(shù)量極少，導電能力很低。如果在其中摻入微量的如果在其中摻入微量的雜質(zhì)雜質(zhì)( (某種元素某種元素) )將將使其導電能力使其導電能力大大增強。大大增強。2. P 型半導體型半導體在硅或鍺的晶體中摻在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼入三價元素硼，在組成共在組成共價鍵時將因缺少一個電子價鍵時將因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空位，相鄰硅而產(chǎn)生一個空位，相鄰硅原子的價電子很容易填補原子的價電子很容易填補這個空位，而在該原子中這個空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個空穴，使空穴便產(chǎn)生一個空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導體稱

6、為流子，將這種半導體稱為 P 型半導體。型半導體。 SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴價電子填補空位價電子填補空位9.1.3PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?. PN 結(jié)的形成結(jié)的形成用專門的制造工藝在同一塊半導體晶體上用專門的制造工藝在同一塊半導體晶體上，形成形成 P 型半型半導體區(qū)域和導體區(qū)域和 N 型半導體區(qū)域型半導體區(qū)域,在這兩個區(qū)域的交界處就形成了在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為一個特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。結(jié)。 P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合區(qū)擴散并與空穴復合PN結(jié)結(jié)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向P區(qū)空穴區(qū)空穴是多數(shù)載是多數(shù)載

7、流子流子N區(qū)自由區(qū)自由電子是多電子是多數(shù)載流子數(shù)載流子視頻視頻2PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? (1) )外加正向電壓外加正向電壓內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向E外電場方向外電場方向RIP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使 P 區(qū)的空穴進入空間區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷擴散運動增強，形擴散運動增強，形成較大的正向電流成較大的正向電流2PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? (1) )外加正向電壓外加正向電壓內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向E外電場方向外電場方向RIP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)N 區(qū)電子進入空間電荷區(qū)區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷抵消一部分正空間電荷擴散運動

8、增強，形擴散運動增強，形成較大的正向電流成較大的正向電流2PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦? (1) )外加正向電壓外加正向電壓內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向E外電場方向外電場方向RIP 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 擴散運動增強，形擴散運動增強，形成較大的正向電流成較大的正向電流P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向ER外電場方向外電場方向IR2外加反向電壓外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走自由電子移走少數(shù)載流子越過少數(shù)載流子越過 PN 結(jié)結(jié)形成很小的反向電流形成很小的反向電流 多數(shù)載流子的擴散運動難于進行多數(shù)載流子的擴散運動難于進行空

9、間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 視頻視頻9.2二極管二極管9.2.1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)9.2.1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 將將 PN 結(jié)加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極結(jié)加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點接觸型和面接觸型兩類。管。按結(jié)構(gòu)分，有點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型點接觸型表示符號表示符號正極正極負極負極金銻合金金銻合金面接觸型面接觸型N型鍺型鍺 正極引線正極引線負極引線負極引線 PN 結(jié)結(jié)底座底座鋁合金小球鋁合金小球引線引線觸絲觸絲N 型鍺型鍺外殼外殼9.2.2伏安特性伏安特性二極管和二極管和 PN 結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦裕?/p>

10、伏安特性曲線可見，當外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正線可見，當外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓超過一定數(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)電壓約為向電壓稱為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為 0.5 V。導導通時的正向壓降，硅管約為通時的正向壓降，硅管約為 0.6 0.7 V。 604020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓擊穿電壓擊穿電壓U(BR)反向特性反向特性在二極管上加反向電壓在二

11、極管上加反向電壓時，反向電流很小。但當反時，反向電流很小。但當反向電壓增大至某一數(shù)值時，向電壓增大至某一數(shù)值時，反向電流將突然增大。這種反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為擊穿擊穿，二極管失去，二極管失去單向?qū)щ娦浴．a(chǎn)生擊穿時的單向?qū)щ娦?。產(chǎn)生擊穿時的電 壓 稱 為 反 向 擊 穿 電 壓電 壓 稱 為 反 向 擊 穿 電 壓 U(BR)。 I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性0鍺管死區(qū)電壓為鍺管死區(qū)電壓為 0.1V，導通時的正向壓降為導通時的正向壓降為 0.2 0.3 V。9.2.3主要參數(shù)主要參數(shù)1最大整流電流最大整流電流

12、 IOM最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。管的最大正向平均電流。2反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓 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。是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3反向峰值電流反向峰值電流 IRM它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。 例例 1 在圖中，輸入電位在圖中，輸入電位 VA = +3 V， VB = 0 V， 電阻電阻 R 接負電源接負電源

13、 12 V。求輸出端電位。求輸出端電位 VY。 解解 因為因為 VA 高于高于 VB ，所以所以 DA 優(yōu)先導通。如果二極管優(yōu)先導通。如果二極管的正向壓降是的正向壓降是 0.3 V，則，則 VY = +2.7 V。當。當 DA 導通后導通后，DB 因反因反偏而截止偏而截止。在這里在這里，DA 起鉗位作用起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在將輸出端電位鉗制在 +2.7 V。 二極管的應用范圍很廣二極管的應用范圍很廣, ,主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴Ｖ饕际抢盟膯蜗驅(qū)щ娦?。它可用作它可用作整流、檢波、限幅、元件保護整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作以及在數(shù)字電路中作為為開關(guān)開關(guān)元件。元件。

14、DA 12VYVAVBDBR穩(wěn)壓二級管是一種特殊的面穩(wěn)壓二級管是一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。其表示接觸型半導體硅二極管。其表示符號如下圖所示。符號如下圖所示。 穩(wěn)壓穩(wěn)壓二級二級管管工作于反向擊穿工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，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，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當反向電壓增高反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，增，穩(wěn)壓穩(wěn)壓二級二級管管反向擊穿。此后，反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓穩(wěn)壓二級二級管管兩端的電壓變化很小。兩

15、端的電壓變化很小。利用這一特性，利用這一特性，穩(wěn)壓穩(wěn)壓二級二級管管在電在電路中能起穩(wěn)壓作用。路中能起穩(wěn)壓作用。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ9.3穩(wěn)壓二級管穩(wěn)壓二級管 穩(wěn)壓二級管的主要參數(shù)有下面幾個：穩(wěn)壓二級管的主要參數(shù)有下面幾個：1穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ4穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流 IZ 3動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ2電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U5最大允許耗散功率最大允許耗散功率 PZMZZZIUr I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ 穩(wěn)壓二級管的主要參數(shù)有下面幾個：穩(wěn)壓二級管的主要參數(shù)有下面幾個：1穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ4穩(wěn)定電流穩(wěn)定電

16、流 IZ 3動態(tài)電阻動態(tài)電阻 rZ2電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U5最大允許耗散功率最大允許耗散功率 PZMZZZIUr 例例 1 圖中通過穩(wěn)壓管的電流圖中通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少等于多少？R 是限流電是限流電阻阻，其值是否合適其值是否合適？IZDZ+20 VR = 1.6 k UZ = 12 V IZM = 18 mAIZ例例9.3.1的圖的圖IZ IZM ，電阻值合適。，電阻值合適。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I9.4.1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)N 型硅型硅二氧化硅保護膜二氧化硅保護膜BECN 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型N 型鍺型鍺ECB銦球銦

17、球銦球銦球PP( (b) )合金型合金型9.4晶體管晶體管9.4.1基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)1NPN 型三極管型三極管集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)NN集電極集電極 C基極基極 B發(fā)射極發(fā)射極 EP不論平面型或合金型，都分成不論平面型或合金型，都分成 NPN 或或 PNP 三層，因此三層，因此又把晶體管分為又把晶體管分為 NPN 型和型和 PNP 型兩類。型兩類。ECB符號符號T集電區(qū)集電區(qū)集電結(jié)集電結(jié)基區(qū)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)發(fā)射區(qū)N集電極集電極 C發(fā)射極發(fā)射極 E基極基極 BNPPN2PNP 型三極管型三極管CBET符號符號9.4.2電流分配和放大原理電流分配和放大原理我

18、們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實驗中用的是極電路的公共端。實驗中用的是 NPN 型管型管，為了使晶體管具為了使晶體管具有放大作用，電源有放大作用，電源 EB 和和 EC 的極性必須使的極性必須使發(fā)射結(jié)上發(fā)射結(jié)上加正向電加正向電壓壓( (正向偏置正向偏置) )，集電結(jié)加反向電壓，集電結(jié)加反向電壓( (反向偏置反向偏置) )。mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100設(shè)設(shè)EC =

19、6 V；改變可變電阻改變可變電阻 RB ，則，則基極電流基極電流 IB、集電極電、集電極電流流 IC 和發(fā)射極電流和發(fā)射極電流 IE都發(fā)生變化，測量結(jié)果都發(fā)生變化，測量結(jié)果如下表：如下表：基極電路基極電路集電極電路集電極電路mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100基極電路基極電路集電極電路集電極電路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶體管電流測量數(shù)據(jù)晶體管電流測量數(shù)據(jù)結(jié)論結(jié)論：( (1)

20、)BCEIII 符合基爾霍夫定律符合基爾霍夫定律IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶體管電流測量數(shù)據(jù)晶體管電流測量數(shù)據(jù)(2)(2) 當當 IB = 0( (將基極開路將基極開路) )時時，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0.001 mA = 1 A。結(jié)論結(jié)論：( (3) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。從第三列和第四列的數(shù)大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得據(jù)可得3 .3806. 030. 2BC II 這就

21、是晶體管的電流放大作用。這就是晶體管的電流放大作用。 稱為共發(fā)射極靜態(tài)稱為共發(fā)射極靜態(tài)電電流流( (直流直流) )放大放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化變化 IB 可以引起集電極電流較大的變化可以引起集電極電流較大的變化 IC 。 4002. 080. 004. 006. 050. 130. 2BC II 式中，式中， 稱為稱為動態(tài)動態(tài)電流電流( (交流交流) )放大放大系數(shù)。系數(shù)。，5 .3704. 050. 1BCIIIB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA0.001 0.70 1.50 2.30 3.

22、10 3.95IE/mA 0UBC VB VE對于對于PNP型晶體管應滿足型晶體管應滿足: UEB 0UCB 0即即 VC VB 0，UBC UBE。BCII IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)( (2) )截止區(qū)截止區(qū) IB = 0 的曲線以下的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時時，IC = ICEO( (很小很小) )。對對 NPN 型硅管，當型硅管，當 UBE 0.5 V 時時，即已開始截即已開始截止止，但為了使晶體管可但為了使晶體管可靠截

23、止靠截止，常使常使 UBE 0，截止時集電結(jié)也處于反截止時集電結(jié)也處于反向偏置向偏置( (UBC 0) )，此時此時，IC 0 ，UCE UCC 。IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)( (3) )飽和區(qū)飽和區(qū)當當 UCE 0) )，晶體晶體管工作于飽和狀態(tài)。管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，IC 和和 IB 不成正比。此時，不成正比。此時，發(fā)射結(jié)也處于正向發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80A60

24、A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 當晶體管飽和時，當晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很小；當晶體管截止時，個開關(guān)的接通，其間電阻很??；當晶體管截止時，IC 0 ，發(fā)，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示。+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 U

25、BC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0 IB+ UCE 0 ( (c) )飽和飽和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 飽和飽和 放大放大 截止截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V開始截止開始截止可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )鍺管鍺管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶體管結(jié)電壓的典型值晶體管結(jié)電壓的典型值當晶體管接成共發(fā)射極電路時當晶體管接成共發(fā)射極電路時, ,在靜態(tài)在靜態(tài)( (無輸入信號無輸入信號) )時集時集電極電流與基極電流的比值稱為電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流靜態(tài)電流( (直流直流) )放大系數(shù)放大系數(shù) BCII 9.4.4主要參數(shù)主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) ， 當晶體管工作在當晶體管工作在動態(tài)動態(tài)( (有輸入信號有輸入信號) )時，基極電流的變化