1、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,15.2 PN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)會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，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際意義的結(jié)果。 對電路進(jìn)行分析計算時，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

2、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,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

3、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。,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，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運動（相當(dāng)于正電荷的移動）。,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理,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)自由電子作定向運動 電子電流 (2)價電子遞

4、補空穴 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。,15.1.2 N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,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個電子變?yōu)檎x子,在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素

5、）,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,15.1.2 N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,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。,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. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(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）。

6、,a,b,c,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）,b,a,15.2 PN結(jié),15.2.1 PN結(jié)的形成,多子的擴散運動,少子的漂移運動,濃度差,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。,擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。,空間電荷區(qū)也稱 PN 結(jié),擴散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。,動畫,形成空間電荷區(qū),15.2.2 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),IF,內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，

7、形成較大的擴散電流。,PN 結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,動畫,2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）,P接負(fù)、N接正,動畫,PN 結(jié)變寬,2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置）,內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。,IR,P接負(fù)、N接正,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。,動畫,PN 結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。,15.3 半導(dǎo)體二極管,15.3.1 基本結(jié)構(gòu),(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。用于檢波和變頻等高頻電路。,結(jié)面

8、積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。,(c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開關(guān)電路中。,圖 1 12 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號,15.3 半導(dǎo)體二極管,二極管的結(jié)構(gòu)示意圖,15.3.2 伏安特性,硅管0.5V,鍺管0.1V。,反向擊穿 電壓U(BR),導(dǎo)通壓降,外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?正向特性,反向特性,特點：非線性,硅0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流 在一定電壓 范圍內(nèi)保持 常數(shù)。,15.3.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長期使用時

9、，允許流過二極管的最大正向平均電流。,2. 反向工作峰值電壓URWM,是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。,3. 反向峰值電流IRM,指二極管加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM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，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。,二極管的單向?qū)щ娦?1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù) ）時， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。,2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負(fù)

10、、陰極接正 ）時， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。,3. 外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?4. 二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。,二極管電路分析舉例,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止,分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓UD的正負(fù)。,若 V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通 若 V陽 V陰 二極管導(dǎo)通 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V 否則， UAB低于6V一個管壓降，為6.3或6.7V,例1：,取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,在這

11、里，二極管起鉗位作用。,兩個二極管的陰極接在一起 取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。,V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1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：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。,ui 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。,8V,例3：,二極管的

12、用途： 整流、檢波、 限幅、鉗位、開 關(guān)、元件保護、 溫度補償?shù)取?參考點,二極管陰極電位為 8 V,動畫,15.4 穩(wěn)壓二極管,1. 符號,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓,使用時要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。,3. 主要參數(shù),(1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。,(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 IZM,(5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ I

13、ZM,rZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。,光電二極管,反向電流隨光照強度的增加而上升。,符號,發(fā)光二極管,有正向電流流過時，發(fā)出一定波長范圍的光，目前的發(fā)光管可以發(fā)出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極管類似，正向電壓較一般二極管高，電流為幾 幾十mA,光電二極管,發(fā)光二極管,15.5 半導(dǎo)體三極管,15.5.1 基本結(jié)構(gòu),基極,發(fā)射極,集電極,NPN型,符號：,NPN型三極管,PNP型三極管,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),結(jié)構(gòu)特點：,集電區(qū)： 面積最大,15. 5. 2 電流分配和放大原理,1. 三極管放大的外部條件,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,PNP

14、 發(fā)射結(jié)正偏 VBVB,2. 各電極電流關(guān)系及電流放大作用,結(jié)論:,1）三電極電流關(guān)系 IE = IB + IC 2） IC IB ， IC IE 3） IC IB,把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。 實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。,3.三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。,進(jìn)入P 區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴散到集電結(jié)。,從基區(qū)擴散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。,集電結(jié)反

15、偏，有少子形成的反向電流ICBO。,3. 三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 與 IBE 之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù),集射極穿透電流, 溫度ICEO,(常用公式),若IB =0, 則 IC ICE0,15.5.3 特性曲線,即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。,為什么要研究特性曲線： 1）直觀地分析管子的工作狀態(tài) 2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計性能良好的電路,重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線,發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端,共發(fā)射

16、極電路,輸入回路,輸出回路,測量晶體管特性的實驗線路,1. 輸入特性,特點:非線性,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。,正常工作時發(fā)射結(jié)電壓： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型鍺管 UBE 0.2 0.3V,2. 輸出特性,IB=0,20A,放大區(qū),輸出特性曲線通常分三個工作區(qū)：,(1) 放大區(qū),在放大區(qū)有 IC= IB ，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。,在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。,（2）截止區(qū),IB 0 以下區(qū)域為截止區(qū)，有 IC 0 。,在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。,飽和區(qū),截止區(qū),（3

17、）飽和區(qū),當(dāng)UCE UBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。 在飽和區(qū)，IB IC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。 深度飽和時， 硅管UCES 0.3V， 鍺管UCES 0.1V。,15.5.4 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),當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時，,表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計電路、選用晶體管的依據(jù)。,注意：,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。,常用晶體管的 值在20 200之間。,例：在UCE= 6 V時， 在 Q1 點IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 點IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的計算中，一般作近似處理： = 。,Q1,Q2,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ICBO,3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO,ICEO受溫度的影響大。 溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。,4. 集電極最大允許電流 ICM,5. 集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO,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。,當(dāng)集射極之間的電壓UCE 超過一