1、第14章 二極管和晶體管第14章 二極管和晶體管第14章 二極管和晶體管14.3 半導(dǎo)體二極管14.4 穩(wěn)壓二極管14.5 半導(dǎo)體三極管14.2 PN結(jié)14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 本章要求： 1. PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2. 了解二極管、穩(wěn)壓管的工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義； 會分析含有二極管的電路。 3.三極管的電流分配和電流放大作用；第14章 二極管和晶體管 半導(dǎo)體元器件本質(zhì)上是非線性元件，允許的工程誤差范圍內(nèi)：非線性元件線性元件 對于元器件，重點放在使用， 不要過分追究其內(nèi)部微觀機(jī)理。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體 1、導(dǎo)體:很容易導(dǎo)電，如金屬 2、絕緣體：幾乎

2、不導(dǎo)電，如橡皮、陶瓷、塑料。 3、半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力處于導(dǎo)體和絕緣體之間，如硅、鍺、砷化鎵等。一種物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于它的載流子密度（濃度）。所以，半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力本征半導(dǎo)體的載流子濃度1010 。 2、自由電子濃度空穴濃度，N型半導(dǎo)體顯電中性。 多數(shù)載流子（多子） 自由電子 少數(shù)載流子（少子） 空穴。 3、同樣溫度下，雜質(zhì)半導(dǎo)體和本征半導(dǎo)體的熱激發(fā)效果是否一樣？空穴濃度哪個更大？P型半導(dǎo)體Positive摻入三價元素如硼 Si Si Si SiP 型半導(dǎo)體：空穴是多子，自由電子是少子。+3硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無論N型或P型半導(dǎo)體都為電中性，即對外不顯電性。 1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子

3、的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。 3. 當(dāng)溫度升高時，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多）。abc 4. 在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流） ba練習(xí)與思考14.1電子導(dǎo)電與空穴導(dǎo)電的關(guān)系粒子運動方向相反；形成的電流方向卻相同；自由電子【-】；空穴【+】N型半導(dǎo)體的載流子來源多子：自由電子（由摻雜質(zhì)和熱激發(fā)產(chǎn)生）少子：空穴 （由熱激發(fā)產(chǎn)生）同溫度下，N型半導(dǎo)體和本征半導(dǎo)體，哪一個的空穴濃度低？為什么？N型半導(dǎo)體。大量自由

4、電子的存在，抑制了空穴的產(chǎn)生。練習(xí)與思考14.1判斷題：空穴電流是自由電子遞補(bǔ)空位產(chǎn)生的 價電子定向遞補(bǔ)空位而產(chǎn)生的判斷題：N型半導(dǎo)體中，自由電子數(shù)空穴數(shù)，所以，N型半導(dǎo)體帶負(fù)電。 多出的自由電子與帶正電的磷離子互相一對一的中和電性，所以，N型半導(dǎo)體不帶電14.2 PN結(jié)14.2.1 PN結(jié)的形成初始時刻穩(wěn)定時刻14.2 PN結(jié)14.2.1 PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P 型半導(dǎo)體N 型半導(dǎo)體 內(nèi)電場促進(jìn)反向的少子漂移運動。空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié) 擴(kuò)散和漂移（相反的運動）最終會達(dá)到動態(tài)平衡，此時的空間電荷區(qū)，其厚度固定不變。+多子擴(kuò)散，自由電子和空穴互相中和，只剩下帶

5、電離子，形成空間電荷區(qū)，產(chǎn)生內(nèi)電場。14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN 結(jié)變窄 P接正、N接負(fù) 外電場IF PN 結(jié)外加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向擴(kuò)散電流較大， PN結(jié)體現(xiàn)的電阻很小(導(dǎo)通/閉合) 。內(nèi)電場PN+PN 結(jié)變寬2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場IR P接負(fù)、N接正 溫度越高，少子越多，反向飽和電流越大。+ PN 結(jié)外加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向飄移電流很小， PN結(jié)體現(xiàn)的電阻很大(截止/斷開) 。內(nèi)電場PN+結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娞匦詥蜗驅(qū)щ娦裕篜+ N。 陰極陽極( d ) 符號D14.3 半導(dǎo)體二極管14.3.1 基本結(jié)構(gòu)

6、(a) 點接觸型(b)面接觸型 結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于小功率高頻電路。 結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于大功率工頻電路。陰極陽極( d ) 符號D14.3.2 伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V（截止區(qū)與擊穿區(qū)的分界線）反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降外加電壓死區(qū)電壓二極管導(dǎo)通 外加電壓反向擊穿電壓擊穿二極管（反向擊穿區(qū)）正向特性反向截止區(qū)反向飽和電流小且恒定特點：非線性硅0.7V鍺0.3VUI死區(qū)電壓PN+PN+反向擊穿區(qū)擊穿電流大串R來限流練習(xí)與思考14.3為什么會有死區(qū)電壓削弱PN結(jié)（阻擋層）需要一定的能量硅管、鍺管的死區(qū)電壓值、導(dǎo)通電壓值硅管：0.5V 0.7V鍺管：0.

7、1V 0.3V練習(xí)與思考14.3判斷題：反向電流IR與反向電壓UR無關(guān)反向電壓反向擊穿電壓UBR時，反向電流IR猛然增大，因為半導(dǎo)體中發(fā)生雪崩擊穿與齊納擊穿，使得載流子數(shù)量急劇增大判斷題：反向飽和電流IBS隨溫度升高而增大構(gòu)成反向飽和電流的少子數(shù)量會隨溫度升高而增多（熱激發(fā)）14.3.3 主要參數(shù)1. 最大整流電流 IOM長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2. 反向擊穿電壓UBR反向截止區(qū)與反向擊穿區(qū)的分界線。反向峰值電壓URWM=0.5*反向擊穿電壓UBR3. 反向峰值電流IRM二極管處反向截止區(qū)時，所流經(jīng)的反向飽和電流IBS。溫度高反向飽和電流大單向?qū)щ娦圆罟韫艿姆聪螂娏餍。N

8、管的反向電流大。大信號的二極管電路分析: 分析關(guān)鍵：判斷二極管的狀態(tài)導(dǎo)通還是截止？導(dǎo)通下的電路分析；截止下的電路分析要分析兩次否則，正向管壓降硅0.7V鍺0.3V 分析方法: (假設(shè)法)假定二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低。若 V陽 V陰( 正向偏置 )，則二極管導(dǎo)通需重新分析若 V陽 5時D通；uo=ui（保留波形ui）；ud=0uR=ui-5;uiV陰 二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V若考慮0.7V管壓降，為6.7例1： 解：首先要確定D管的實際狀態(tài)-假定二極管斷開，計算二極管兩端的電位（取 B 點作參考電位點 ）。 導(dǎo)通的二極管-鉗位作用。 D6V12V3k

9、BAUAB+解：確定D管的實際狀態(tài)。 假定D1D2斷開，分析二極管兩端的電位。(取 B 點作參考點：)V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1隨后反向截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向電壓為6 V流過 D2 的電流為求：UABD2 ：（導(dǎo)通）鉗位 D1：（截止）隔離BD16V12V3kAD2UAB+ui 8V，二極管導(dǎo)通（短路 ）uo = 8V；即畫水平線 ui 5;則uo=5（畫水平線）2）D通;ui5;則uo=ui（保留輸入波形）第2小問：VA=6,VB

10、=5.8時的電路狀況？ 假定DA/DB均斷開，則兩管同時處正向電壓，但DA的正向壓降更大，所以，DA優(yōu)先導(dǎo)通。 過渡狀態(tài)1： DA通DB斷VO=6*0.9=5.4由于電阻存在，DB并沒有因動作慢而被阻斷，仍承受正向電壓， DB也導(dǎo)通。所以，最終穩(wěn)定狀態(tài)： DA通DB通節(jié)點電壓法求VO=（6+5.8）/(1+1+1/9)=5.5914.3.5假定D斷開，則二極管承受壓降為：uD=E+e=10+30sinwt（原始輸入波形）若u =10+30sinwt 0， 正向偏置D導(dǎo)通, u D=0（波形被砍，代以0軸線） 14.4 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管正常工作時處反向擊穿區(qū) 穩(wěn)壓管正常工作時， 承受大的反向擊穿

11、電流，故要串聯(lián)限流電阻R 正常工作的穩(wěn)壓管，其電流變化很大， 其電壓變化很小0，可起穩(wěn)壓作用。1. 符號 _+UZIZ UZ IZ2. 伏安特性UIOIZminIZmax熱擊穿反向擊穿區(qū)（電擊穿）反向截止區(qū)3. 主要參數(shù)（關(guān)注發(fā)熱安全和穩(wěn)壓效果）(1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時的兩端電壓。(2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù)。(3) 動態(tài)電阻(4) 穩(wěn)定電流 IZ ：最大穩(wěn)定電流 IZmax最小穩(wěn)定電流 IZmin(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。練習(xí)與思考14.4判斷題：動態(tài)電阻rz越小，穩(wěn)壓管質(zhì)量

12、越好電壓變化量0，穩(wěn)壓管兩端電壓保持不變。判斷題：穩(wěn)壓二極管可獲得0.7V的穩(wěn)定電壓穩(wěn)壓管由硅材料做成，利用其正向壓降，可獲得0.7V的穩(wěn)定電壓。2.5.1 穩(wěn)壓二極管3. 穩(wěn)壓電路正常穩(wěn)壓時 VO =VZ# 穩(wěn)壓條件是什么？IZmin IZ IZmax# 不加R可以嗎？# 上述電路VI為正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎樣的？end 反向擊穿區(qū)，UDZ=UZ反向截止區(qū)，UDZ=VI正向?qū)▍^(qū)，UDZ=0.7VUO=5.5+0.5=6VUO=0.5+0.5=1VUO=8.5+5.5=14VUO=5.5VUO=8.5VUO=0.5VUO=5.5-0.5=5VUO=5.5-0.5=5VUO

13、=5.5-8.5=-3VUO=5.5V14.5 半導(dǎo)體三極管(晶體管)14.5.1 基本結(jié)構(gòu)14.5 半導(dǎo)體三極管晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(a)NPN型晶體管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEIC(b)PNP型晶體管CE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)NNP基極發(fā)射極集電極BCE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P發(fā)射結(jié)P集電結(jié)N集電極發(fā)射極基極B基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大兩個二極管串聯(lián)可形成三極管？集電極C和發(fā)射極E可互相調(diào)換？14. 5. 2 電流分配和放大原理1. 三極管放大的外部條

14、件BECNNP發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏 VBVE集電結(jié)反偏 VCVE集電結(jié)反偏 VCVB EBRBECRC所以：NPN管為VCVBVE PNP管為VCVBVBVE PNP管為VCVBVE ， NPN管；VB VB VEVB居中。 Q2Q1大放區(qū)IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0(2)截止區(qū)截止區(qū)：獨有 UBE 0（NPN為例）。集電結(jié)反偏,發(fā)射結(jié)反偏,此時, IC 0。IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA)截止區(qū)NP

15、N 管：VB VE 且VB VE 且VB VC VB最大晶體管三種工作狀態(tài)：(a)放大（模擬電子）+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止（數(shù)字電子）IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+飽和狀態(tài)： UCE 0，發(fā)射極E與集電極C之間如同一個閉合的閘刀，電阻很小;截止?fàn)顟B(tài)：IC 0 ，發(fā)射極E與集電極C之間如同一個斷開的閘刀，電阻很大;放大狀態(tài)則介于兩者之間。14.5.4 晶體管的主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)注意： 特性曲線近于平行等距并且ICE0 較小時，兩者相近。 常用晶體管的 值在20 200

16、之間。 僅在特性曲線的水平部分（放大區(qū)）， 值才是常數(shù)。例：在UCE= 6 V時， Q1 點IB=40A, IC=1.5mA； Q2 點IB=60 A, IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理： = 。IB=020A40A60A80A100A36IC / mA1234UCE /V9120Q1Q2在 Q1 點，有由 Q1 和Q2點，得2.集-基極反向截止電流 ICBO ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBOICBOA+EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+ ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極

17、管的溫度特性較差。AICEOIB=0+4. 集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO25C下，基極開路時，集-射間擊穿電壓U(BR) CEO5.集電極最大允許電流 ICM 集電極電流 IC上升值的下降，當(dāng)值下降到正常值的2/3時,此時集電極電流即為 ICM,超過最大電流ICM ，并不燒壞管子。6.集電極最大允許耗散功耗PCM超過PCM會燒壞三極管。 PC PCM =IC UCE晶體管參數(shù)與溫度的定性關(guān)系溫度升高，ICBO增大， 增加， UBE將減小。練習(xí)與思考14.5判斷題：晶體管的發(fā)射極E與集電極C可互相調(diào)換發(fā)射區(qū)摻雜濃度最大；集電區(qū)摻雜濃度居次，而體積最大。構(gòu)造不同，不能互換。判斷題：晶體管在飽和區(qū)和放大區(qū)工作時，其電流放大系數(shù)一樣。飽和區(qū)的更低，放大性能受到破壞。晶體管具有電流放大作用，需要什么條件？內(nèi)部條件：基區(qū)薄且摻雜少復(fù)合機(jī)會少，IB小而IC大，有較大的；發(fā)射區(qū)摻雜多能輸