第15章半導(dǎo)體二極管和三極管15.3半導(dǎo)體二極管15.4穩(wěn)壓二極管15.5半導(dǎo)體三極管15.2PN結(jié)15.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性第15章半導(dǎo)體二極管和三極管本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會分析含有二極管的電路。

學(xué)會用工程觀點(diǎn)分析問題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。

對電路進(jìn)行分析計(jì)算時，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。

對于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。15.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)15.1.1本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)。空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動（相當(dāng)于正電荷的移動）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動電子電流

(2)價電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。15.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。

在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。動畫15.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。B–硼原子接受一個電子變?yōu)樨?fù)離子空穴動畫無論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對外不顯電性。1.在雜雜質(zhì)質(zhì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中多多子子的的數(shù)數(shù)量量與與（a.摻摻雜雜濃濃度度、、b.溫溫度度））有有關(guān)關(guān)。。2.在在雜雜質(zhì)質(zhì)半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中少少子子的的數(shù)數(shù)量量與與（a.摻摻雜雜濃濃度度、、b.溫溫度度））有有關(guān)關(guān)。。3.當(dāng)當(dāng)溫溫度度升升高高時時，，少少子子的的數(shù)數(shù)量量（a.減減少少、、b.不不變變、、c.增增多多））。。abc4.在在外外加加電電壓壓的的作作用用下下，，P型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的電電流流主要要是是，N型型半半導(dǎo)導(dǎo)體體中中的的電電流流主主要要是是。。（a.電電子子電電流流、、b.空空穴穴電電流流））ba15.2PN結(jié)15.2.1PN結(jié)結(jié)的的形形成成多子子的的擴(kuò)擴(kuò)散散運(yùn)運(yùn)動動內(nèi)電場少子子的的漂漂移移運(yùn)運(yùn)動動濃度度差差P型半半導(dǎo)導(dǎo)體體N型半半導(dǎo)導(dǎo)體體內(nèi)電電場場越越強(qiáng)強(qiáng)，，漂漂移移運(yùn)運(yùn)動動越越強(qiáng)強(qiáng)，，而而漂漂移移使使空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)變變薄薄。。擴(kuò)散散的的結(jié)結(jié)果果使使空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)變變寬寬。?？臻g間電電荷荷區(qū)區(qū)也也稱稱PN結(jié)結(jié)擴(kuò)散散和和漂漂移移這這一一對對相相反反的的運(yùn)運(yùn)動動最最終終達(dá)達(dá)到到動動態(tài)態(tài)平平衡衡，，空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)的的厚厚度度固固定定不不變變。。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫畫形成成空空間間電電荷荷區(qū)區(qū)15.2.2PN結(jié)結(jié)的的單單向向?qū)?dǎo)電電性性1.PN結(jié)結(jié)加加正正向向電電壓壓（正正向向偏偏置置））PN結(jié)結(jié)變變窄窄P接接正正、、N接接負(fù)負(fù)外電場IF內(nèi)電電場場被被削削弱弱，，多多子子的的擴(kuò)擴(kuò)散散加加強(qiáng)強(qiáng)，，形形成成較較大大的的擴(kuò)擴(kuò)散散電電流流。。PN結(jié)結(jié)加加正正向向電電壓壓時時，，PN結(jié)結(jié)變變窄窄，，正正向向電電流流較較大大，，正正向向電電阻阻較較小小，，PN結(jié)結(jié)處處于于導(dǎo)導(dǎo)通通狀狀態(tài)態(tài)。。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫畫+–2.PN結(jié)結(jié)加加反反向向電電壓壓（反反向向偏偏置置））外電場P接接負(fù)負(fù)、、N接接正正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動畫畫–+PN結(jié)結(jié)變變寬寬2.PN結(jié)結(jié)加加反反向向電電壓壓（反反向向偏偏置置））外電場內(nèi)電電場場被被加加強(qiáng)強(qiáng)，，少少子子的的漂漂移移加加強(qiáng)強(qiáng)，，由由于于少少子子數(shù)數(shù)量量很很少少，，形形成成很很小小的的反反向向電電流流。。IRP接接負(fù)負(fù)、、N接接正正溫度度越越高高少少子子的的數(shù)數(shù)目目越越多多，，反反向向電電流流將將隨隨溫溫度度增增加加。。動畫畫–+PN結(jié)結(jié)加加反反向向電電壓壓時時，，PN結(jié)變寬，，反向電流較較小，反向電電阻較大，PN結(jié)處于截截止?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－15.3半導(dǎo)體二極管管15.3.1基本結(jié)結(jié)構(gòu)(a)點(diǎn)接接觸型(b)面接觸觸型結(jié)面積小、結(jié)結(jié)電容小、正正向電流小。。用于檢波和和變頻等高頻頻電路。結(jié)面積大、正正向電流大、、結(jié)電容大，，用于工頻大大電流整流電電路。(c)平面面型用于集成電路路制作工藝中中。PN結(jié)結(jié)結(jié)面積可大可可小，用于高高頻整流和開開關(guān)電路中。。陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12半半導(dǎo)體二極管管的結(jié)構(gòu)和符符號15.3半導(dǎo)體二極管管二極管的結(jié)構(gòu)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D15.3.2伏安特特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降外加電壓大于于死區(qū)電壓二二極管才能導(dǎo)導(dǎo)通。外加電壓大于于反向擊穿電電壓二極管被被擊穿，失去去單向?qū)щ娦孕浴Ｕ蛱匦苑聪蛱匦蕴攸c(diǎn)：非線性性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。15.3.3主要參參數(shù)1.最大整流電流流IOM二極管長期使使用時，允許許流過二極管管的最大正向向平均電流。。2.反向工作峰值值電壓URWM是保證二極管管不被擊穿而而給出的反向向峰值電壓，，一般是二極極管反向擊穿穿電壓UBR的一半或三分分之二。二極極管擊穿后單單向?qū)щ娦员槐黄茐?，甚至至過熱而燒壞壞。3.反向峰值電流流IRM指二極管加最最高反向工作作電壓時的反反向電流。反反向電流大，，說明管子的的單向?qū)щ娦孕圆睿琁RM受溫度的影響響，溫度越高高反向電流越越大。硅管的的反向電流較較小，鍺管的反向電電流較大，為為硅管的幾十十到幾百倍。。二極管的單向?qū)щ娦孕?.二極極管加正向電電壓（正向偏偏置，陽極接接正、陰極接接負(fù)）時，，二極管處處于正向?qū)ㄍ顟B(tài)，二極極管正向電阻阻較小，正向向電流較大。。2.二極極管加反向電電壓（反向偏偏置，陽極接接負(fù)、陰極接接正）時，，二極管處處于反向截止止?fàn)顟B(tài)，二極極管反向電阻阻較大，反向向電流很小。。3.外加電電壓大于反向向擊穿電壓二二極管被擊穿穿，失去單向向?qū)щ娦浴?.二極管管的反向電流流受溫度的影影響，溫度愈愈高反向電流流愈大。二極管電路分分析舉例定性分析：判斷二極管的的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V分析方法：將二極管斷開開，分析二極極管兩端電位位的高低或所加加電壓UD的正負(fù)。若V陽>V陰或UD為正(正向向偏置)，，二極管導(dǎo)通通若V陽<V陰或UD為負(fù)(反向向偏置)，，二極管截止止若二極管是理理想的，正向?qū)〞r正正向管壓降為為零，反向截截止時二極管管相當(dāng)于斷開開。電路如圖，求求：UABV陽=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導(dǎo)通若忽略管壓降降，二極管可可看作短路，，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一一個管壓降，，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B點(diǎn)作作參考點(diǎn)，斷斷開二極管，，分析二極管管陽極和陰極極的電位。在這里，二極極管起鉗位作作用。D6V12V3kBAUAB+–兩個二極管的的陰極接在一一起取B點(diǎn)作作參考點(diǎn)，斷斷開二極管，，分析二極管管陽極和陰極極的電位。V1陽=－6V，，V2陽=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V∵UD2>UD1∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，D1截止。若忽略管壓降降，二極管可可看作短路，，UAB=0V例2:D1承受反向電壓壓為－6V流過D2的電流為求：UAB在這里，D2起鉗位作用，，D1起隔離作用。。BD16V12V3kAD2UAB+–ui>8V，二二極管導(dǎo)通，，可看作短路路uo=8Vui<8V，二二極管截止，，可看作開路路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途途：整流、檢波、、限幅、鉗位、、開關(guān)、元件保護(hù)護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取?。ui18V參考點(diǎn)二極管陰極電電位為8VD8VRuoui++––動畫15.4穩(wěn)壓二極管1.符號號UZIZIZMUZIZ2.伏安安特性穩(wěn)壓管正常工工作時加反向向電壓使用時要加限限流電阻穩(wěn)壓管反向擊擊穿后，電流流變化很大，，但其兩端電電壓變化很小小，利用此特特性，穩(wěn)壓管管在電路中可可起穩(wěn)壓作用用。_+UIO3.主要要參數(shù)(1)穩(wěn)定定電壓UZ穩(wěn)壓管正常工工作(反向擊擊穿)時管子子兩端的電壓壓。(2)電壓壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變變化1C引起穩(wěn)壓值變化的的百分?jǐn)?shù)。(3)動態(tài)態(tài)電阻(4)穩(wěn)定定電流IZ、最大穩(wěn)定電電流IZM(5)最大大允許耗散功功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈愈陡，穩(wěn)壓性性能愈好。光電二極管反向電流隨光光照強(qiáng)度的增增加而上升。。IU照度增加符號發(fā)光二極管有正向電流流流過時，發(fā)出出一定波長范范圍的光，目目前的發(fā)光管管可以發(fā)出從從紅外到可見見波段的光，，它的電特性性與一般二極極管類似，正正向電壓較一一般二極管高高，電流為幾幾~幾十十mA光電二極管發(fā)光二極管15.5半導(dǎo)體三極管管15.5.1基本本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，，摻雜濃度最低低發(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(diǎn)：集電區(qū)：面積最大15.5.2電電流分配和放放大原理1.三極極管放大的外外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、、集電結(jié)反偏偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度度看：NPN發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB2.各電極極電流關(guān)系及及電流放大作作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:1）三電極電電流關(guān)系IE=IB+IC2）ICIB，ICIE3）ICIB把基極電流的的微小變化能能夠引起集電電極電流較大大變化的特性性稱為晶體管管的電流放大大作用。實(shí)質(zhì):用一個個微小電流的的變化去控制制一個較大電電流的變化，，是CCCS器件。3.三極管內(nèi)內(nèi)部載流子的的運(yùn)動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO基區(qū)空穴向發(fā)發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，，發(fā)射區(qū)電子子不斷向基區(qū)區(qū)擴(kuò)散，形成成發(fā)射極電流流IE。進(jìn)入P區(qū)的的電子少部分分與基區(qū)的空空穴復(fù)合，形形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來來的電子作為為集電結(jié)的少少子，漂移進(jìn)進(jìn)入集電結(jié)而而被收集，形形成ICE。集電結(jié)反偏，，有少子形成成的反向電流流ICBO。3.三極極管內(nèi)部載流流子的運(yùn)動規(guī)規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)發(fā)射極電流放放大倍數(shù)集－射極穿透透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則ICICE015.5.3特性曲曲線即管子子各電電極電電壓與與電為什么么要研研究特特性曲曲線：：1）直直觀地地分析析管子子的工工作狀狀態(tài)2）合合理地地選擇擇偏置置電路路的參參數(shù)，，設(shè)計(jì)計(jì)性能能良好好的電電路重點(diǎn)討討論應(yīng)應(yīng)用最最廣泛泛的共共發(fā)射射極接接法的的特性性曲線線發(fā)射極極是輸輸入回回路、、輸出出回路路的公公共端端共發(fā)射射極電電路輸入回回路輸出回回路測量晶晶體管管特性性的實(shí)實(shí)驗(yàn)線線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.輸入特特性特點(diǎn):非線線性死區(qū)電電壓：：硅管管0.5V，鍺管管0.1V。正常工工作時時發(fā)射射結(jié)電電壓：：NPN

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)區(qū)輸出特特性曲曲線通通常分分三個個工作作區(qū)：：(1)放放大大區(qū)在放大大區(qū)有有IC=IB，也稱為線線性區(qū)區(qū)，具具有恒恒流特特性。。在放大大區(qū)，，發(fā)射結(jié)結(jié)處于于正向向偏置置、集集電結(jié)結(jié)處于于反向向偏置置，晶晶體管管工作作于放放大狀狀態(tài)。。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2））截止止區(qū)IB<0以以下區(qū)區(qū)域?yàn)闉榻刂箙^(qū)區(qū)，有有IC0。在截止止區(qū)發(fā)發(fā)射結(jié)結(jié)處于于反向向偏置置，集集電結(jié)結(jié)處于于反向向偏置置，晶晶體管管工作作于截截止?fàn)顮顟B(tài)。。飽和區(qū)區(qū)截止區(qū)區(qū)（3））飽和和區(qū)當(dāng)UCEUBE時，晶體管管工作作于飽飽和狀狀態(tài)。。在飽和和區(qū)，，IBIC，發(fā)射結(jié)結(jié)處于于正向向偏置置，集電結(jié)結(jié)也處處于正正偏。深度飽飽和時時，硅管UCES0.3V，，鍺管UCES0.1V。。15.5.4主要參參數(shù)1.電流放放大系系數(shù)，直流電電流放放大系系數(shù)交流電電流放放大系系數(shù)當(dāng)晶體體管接接成發(fā)發(fā)射極極電路路時，，表示示晶晶體體管管特特性性的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)稱稱為為晶晶體體管管的的參參數(shù)數(shù)，，晶晶體體管管的的參參數(shù)數(shù)也也是是設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)電電路路、、選選用用晶晶體體管管的的依依據(jù)據(jù)。。注意意：：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用用晶晶體體管管的的值在在20~200之之間間。。例：：在在UCE=6V時，，在在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5mA；；在Q2點(diǎn)IB=60A,IC=2.3mA。。在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，，有有由Q1和Q2點(diǎn)，，得得2.集-基基極極反反向向截截止止電電流流ICBOICBO是由