第14章

二極管和晶體管1第14章二極管和晶體管14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.3二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5晶體管14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.6光電器件2物質(zhì)按導(dǎo)電性能分類

導(dǎo)體(Conductor)

半導(dǎo)體(Semiconductor)

絕緣體(Insulator)電導(dǎo)率（S·cm-1)

導(dǎo)體＞105

半導(dǎo)體10-9~102

絕緣體10-22~10-14

半導(dǎo)體是構(gòu)成當(dāng)代微電子的基礎(chǔ)材料。半導(dǎo)體

----硅、鍺、砷化鎵、磷化銦、碳化鎵、重摻雜多晶硅等。14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體和雜質(zhì)半導(dǎo)體3一、本征半導(dǎo)體(IntrinsicSemiconductor)本征半導(dǎo)體——化學(xué)成分純凈的半導(dǎo)體制造半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體材料的純度要達到

99.9999999%。----硅、鍺等。4

(1）本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)---晶體結(jié)構(gòu)共價鍵共用電子對5

（2）本征半導(dǎo)體的載流子---電子空穴對熱激發(fā)（本征激發(fā)）本征激發(fā)和溫度有關(guān)兩種載流子---自由電子(FreeElectron)---空穴(Hole)6因熱激發(fā)而出現(xiàn)的自由電子和空穴是同時成對出現(xiàn)的，稱為電子空穴對。7自由電子的定向運動形成了電子電流，空穴的定向運動形成空穴電流，它們的方向相同。自由電子和空穴稱為載流子8

（3）本征半導(dǎo)體中載流子的濃度溫度升高熱運動加劇載流子增多本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很低,導(dǎo)電性能很差。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與溫度密切相關(guān)。9本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高載流子的濃度越高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。歸納電流：總電流為空穴電流和電子電流之和。10二、雜質(zhì)半導(dǎo)體(1)N型半導(dǎo)體(2)P型半導(dǎo)體

在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量元素作為雜質(zhì)，可使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性發(fā)生顯著變化。摻入雜質(zhì)的本征半導(dǎo)體稱為雜質(zhì)半導(dǎo)體。11+4+4+5+4多子(Majority)：自由電子(FreeElectron)

---由摻雜形成，取決于摻雜濃度少子(Minority)：空穴(Hole)

---由熱激發(fā)形成，取決于溫度。

(1)N型半導(dǎo)體(電子型半導(dǎo)體)多余電子磷原子在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的五價元素磷，使自由電子濃度大大增加。12(2)P型半導(dǎo)體(空穴型半導(dǎo)體)+4+4+3+4空穴硼原子多子(Majority)：空穴(Hole)

---由摻雜形成，取決于摻雜濃度；少子(Minority)：自由電子(FreeElectron)----由熱激發(fā)形成，取決于溫度。在硅或鍺晶體（四價）中摻入少量的三價元素硼，使空穴濃度大大增加。13歸納雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子；P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子、少子）。雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度?！簟簟簟?4一、PN結(jié)的形成

因濃度差多子的擴散運動形成空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場內(nèi)電場促使少子漂移內(nèi)電場阻止多子擴散多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡形成PN結(jié)14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦远嘧訑U散少子漂移15PN結(jié)建立在N型和P型半導(dǎo)體的結(jié)合處，由于擴散運動，使空穴和電子復(fù)合后形成不能移動的負離子和正離子狀態(tài)。PN結(jié)稱為---空間電荷區(qū)耗盡層阻擋層PN結(jié)很窄（幾個到幾十個m)。16空間電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙多子（P中的空穴、N中的電子）的擴散運動。半導(dǎo)體中有兩種電流漂移電流(DriftCurrent)：由載流子的漂移運動形成的電流

擴散電流(DiffusionCurrent)：由載流子的擴散運動形成的電流

空間電荷區(qū)中內(nèi)電場推動少子（P中的電子、N中的空穴）的漂移運動。歸納漂移運動：由電場力引起的載流子定向運動擴散運動：由于載流子濃度不均勻（濃度梯度）造成的運動17

1）PN結(jié)正向偏置特點外電場與內(nèi)電場方向相反（削弱內(nèi)電場），使PN結(jié)變窄。擴散運動＞漂移運動。PN結(jié)電阻小，電流大，正向?qū)?。I的大小與外加電壓有關(guān)正向偏置：陽極P接電源正極，陰極N接電源負極二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?8特點：外電場與內(nèi)電場方向相同（增強內(nèi)電場），使PN結(jié)變寬。擴散運動＜漂移運動結(jié)電阻大，反向電流很小，反向截止I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)。

2)PN結(jié)反向偏置

反向偏置：陽極P接電源負極，陰極N接電源陽極19三、PN結(jié)的伏安特性u>0，u↑→i↑正向特性反向特性|u|↑>UBR，－反向擊穿u<0，i≈-IS，恒定不變按指數(shù)規(guī)律快速增加uiU(BR)0IS20小功率二極管大功率二極管穩(wěn)壓二極管發(fā)光二極管PN結(jié)+引線+封裝=二極管。PN陽極陰極D14.3二極管一、基本結(jié)構(gòu)21二極管結(jié)構(gòu)類型(1)點接觸型二極管—PN結(jié)面積小，結(jié)電容小，用于檢波和變頻等高頻電路。(2)面接觸型二極管—(3)平面型二極管—PN結(jié)面積大，用于工頻大電流整流電路。PN結(jié)面積可大可小，用于集成電路制造工藝中。22二、伏安特性u(V)i(mA)UBR0UonIS20℃開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.5~0.8V1μA以下鍺Ge0.1V0.1~0.3V幾十μA232.反向特性硅：Is<0.1A，鍺：Is＝幾十A。UBR=幾十伏uiUBR0UTIS20℃1.正向特性死區(qū)電壓UT：正向電壓超過某一數(shù)值后，才有明顯的正向電流。硅：UT=0.5V；鍺：UT=0.1V正向?qū)妷篣范圍：

硅：0.6~0.8V（計算時取0.7V），U=0.7鍺：0.1~0.3V（計算時取0.2V），U=0.2使用時應(yīng)加限流電阻。反向電流很小，與溫度有關(guān)；|U|

擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通，反向電流急劇增加；EDED24溫度對二極管伏安特性的影響0uiUBRUonIS20℃80℃溫度增加，Uon減小，IS增加。正向曲線左移，反向曲線下移。T（℃）↑→在電流不變情況下管壓降u↓→反向飽和電流IS↑，UBR↓25三、主要參數(shù)1.最大整流電流IOM2.最大反向工作電壓URM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。二極管正常工作時允許承受的最大反向工作電壓。手冊上給出的最高反向工作電壓URM一般是UBR的一半。3.最大反向電流IRM指二極管加反向工作峰值電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。261.理想二極管U>0，D導(dǎo)通；UD=0，I取決于外電路；相當(dāng)于一個閉合的開關(guān)EDIUDEIUU

0，D截止；I=0，UD（負值）取決于外電路；相當(dāng)于一個斷開的開關(guān)EDI反UDEI反U四、應(yīng)用舉例272.二極管的應(yīng)用電路如圖示：已知E=5V，ui=10sintVRDEuiuO解：此類電路的分析方法：當(dāng)D的陽極電位高于陰極電位時，D導(dǎo)通，將D作為一短路線；當(dāng)D的陽極電位低于陰極電位時，D截止，將D作為一斷開的開關(guān)；將二極管看成理想二極管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形28RRLuiuRuotttuiuRuo設(shè)=RCtp，求uo的波形tp例2D起檢波作用，除去正尖脈沖29電路如圖示：已知

VA=3VVB=0V求：VF=？解：此類電路的分析方法：將二極管看成理想二極管。當(dāng)幾個二極管共陽極或共陰極連接時，承受正向電壓高的二極管先導(dǎo)通。DB通，VF=0VRDAADBB+12VF鉗位隔離例330二極管的特點單向?qū)щ娦远O管的應(yīng)用開關(guān)、鉗位、隔離、檢波、整流等歸納31UIUZIZIZmaxUZIZ曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)同二極管（擊穿可逆）二、伏安特性：穩(wěn)壓值穩(wěn)壓誤差+-+-一、基本結(jié)構(gòu)DZ符號：14.4穩(wěn)壓二極管321.穩(wěn)定電壓UZ2.穩(wěn)定電流IZ穩(wěn)壓管中的電流為規(guī)定電流時，穩(wěn)壓管兩端的電壓值。穩(wěn)壓管正常工作時的參考電流值，對應(yīng)UZ的值。三、主要參數(shù)UIUZIZminIZmax3）最大允許功耗334.動態(tài)電阻rZ類似二極管的動態(tài)電阻，反映了穩(wěn)壓區(qū)電壓變化量與電流變化量之比，越小越好。一般為幾歐到幾十歐。5.溫度系數(shù)α溫度升高，UZ增加，正溫度系數(shù)。溫度升高，UZ減小，負溫度系數(shù)。（%/℃）34穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)，二極管工作在正向?qū)ê徒刂箙^(qū)；穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡。35

穩(wěn)壓二極管在工作時應(yīng)反接，并串入一只電阻。電阻的作用：一是起限流作用，以保護穩(wěn)壓管；其次是當(dāng)輸入電壓或負載電流變化時，通過該電阻上電壓降的變化，取出誤差信號以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓管的工作電流，從而起到穩(wěn)壓作用。UODZRRL+－R---串聯(lián)在穩(wěn)壓電路中；---必不可少！

---取值合適（使穩(wěn)壓管工作在擊穿區(qū)）R---限流電阻---調(diào)整電阻四、應(yīng)用電路36已知圖示電路中，UZ=6V，最小穩(wěn)定電流IZmin=5mA，最大穩(wěn)定電流IZmax=25mA，負載電阻RL=600Ω，求限流電阻R的取值范圍。RIRUODZRLILIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM例43714.5晶體管NPN型PNP型BECNNP基極發(fā)射極集電極PNP集電極基極發(fā)射極BCEBipolarJunctionTransistor------BJT簡稱晶體管或三極管雙極型晶體管晶體管的作用電流控制和電流放大開關(guān)作用晶體管的類型38小功率管中功率管大功率管

一、晶體管的結(jié)構(gòu)和符號摻雜濃度高摻雜濃度很低，且很薄面積大39二、晶體管的電流分配及放大作用多子擴散少子漂移擴散運動漂移運動40共射放大電路1、電流形成宏觀電流：IE＝IB＋IC

IE－擴散運動形成發(fā)射極電流

IB－復(fù)合運動形成基極電流IC－漂移運動形成集電極電流因基區(qū)薄且多子濃度低，使極少數(shù)擴散到基區(qū)的電子與空穴復(fù)合因發(fā)射區(qū)多子濃度高使大量電子從發(fā)射區(qū)擴散到基區(qū)因集電區(qū)面積大，在外電場作用下大部分?jǐn)U散到基區(qū)的電子漂移到集電區(qū)41直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)定義：2、共射電流放大系數(shù)共射放大電路42B/mA00.020.040.060.080.10C/mA<0.0010.701.502.303.103.95E/mA<0.0010.721.542.363.184.05++__++__3DG100D測試電路VV43

輸入特性：

輸出特性：發(fā)射結(jié)電壓uBE與基極電流iB的關(guān)系；集電極電流iC與管壓降uCE的關(guān)系。三、晶體管的共射特性曲線++__++__3DG100D測試電路VV44PN結(jié)的正向伏安特性UCE增大曲線右移UCE增大到一定值曲線右移就不明顯了1.輸入特性ECBiBuBE+-

對于小功率晶體管，UCE大于1V時輸入特性穩(wěn)定45飽和區(qū)放大區(qū)截止區(qū)為什么uCE較小時iC隨uCE變化很大？為什么進入放大狀態(tài)曲線幾乎是橫軸的平行線？特點：②曲線起始部分很陡，

UCE≥1V后，較平坦。①取不同的IB得曲線族，IB增加，曲線上移。1.輸出特性iCuCEECB+-B)(CECIufi=46晶體管的三個工作區(qū)域②放大區(qū)：線性區(qū)特點：IC=βIB；特點：IB≤0，

IC≤

ICEO≈0③飽和區(qū)：特點：IC≦βIB。飽和壓降：UCES≈0.1V，IC取決于外電路。

uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB5放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)反偏(UBE

≤UT)。①截止區(qū)：的區(qū)域。條件：發(fā)射結(jié)正偏(UBE≤UT)

，集電結(jié)反偏(UCE>UBE)

條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏(UCE<UBE)

47iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A48iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A49iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A50四、主要參數(shù)直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)交流電流放大倍數(shù)：兩者非常接近，通常用作：一般為20~200512.集-射極反向截止電流ICEOAICEO基極開路時的集電極電流。所以集電極電流應(yīng)為：IC=

IB+ICEOICEO受溫度影響很大，當(dāng)溫度上升時，ICEO增加很快，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。523.集電極最大電流ICM集電極電流IC上升會導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為ICM。4.集電極最大允許功耗PCMPC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC有限制。PCPCM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO5354例5測得電路中各NPN型晶體管各極的電位，判斷各管的工作狀態(tài)T1發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大T2發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)正偏飽和T3發(fā)射結(jié)正偏集電結(jié)反偏放大T4發(fā)射結(jié)零偏集電結(jié)反偏截止解：判據(jù)：發(fā)射結(jié)正偏，且UBE>UT，集電結(jié)反偏；放大發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；飽和發(fā)射結(jié)反偏，或UBE<Uon，集電結(jié)反偏；截止55例6：在一個單管放大電路中，電源電壓為30V，已知三只管子的參數(shù)如表所示，請選用一只管子。解：選用管子的依據(jù)：兼顧ICBO小，β大，安全T1β值小，T3UCEO小，T2β值較大，ICBO較小,

UCEO大于電源電壓。故應(yīng)選T256例7：關(guān)于PNP型管子及其電路要滿足發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏的條件