1、第四章 半導(dǎo)體二極管和晶體管,4.1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),4.2 半導(dǎo)體二極管,4.3 晶體管,1 半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識(shí),半導(dǎo)體硅（Si）、鍺（Ge），均為四價(jià)元素，它們?cè)拥淖钔鈱与娮邮茉雍说氖`力介于導(dǎo)體與絕緣體之間。,4.1.1、本征半導(dǎo)體,導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間的物質(zhì)稱為半導(dǎo)體。,本征半導(dǎo)體是純凈的晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。,1、本征半導(dǎo)體,導(dǎo)體鐵、鋁、銅等金屬元素等低價(jià)元素，其最外層電子在外電場(chǎng)作用下很容易產(chǎn)生定向移動(dòng)，形成電流。,絕緣體惰性氣體、橡膠等，其原子的最外層電子受原子核的束縛力很強(qiáng)，只有在外電場(chǎng)強(qiáng)到一定程度時(shí)才可能導(dǎo)電。,導(dǎo)電性：與雜質(zhì)濃度和溫度有關(guān) 在絕對(duì)零度(-273)和沒有外界

2、影響時(shí)，所有價(jià)電子都被束縛在共價(jià)鍵內(nèi)，晶體中沒有自由電子，所以半導(dǎo)體不能導(dǎo)電。晶體中無載流子。,硅原子（Silicon）,+4,價(jià)電子(Valence Electron),本征半導(dǎo)體,1.本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu),由于熱運(yùn)動(dòng)，具有足夠能量的價(jià)電子掙脫共價(jià)鍵的束縛而成為自由電子,自由電子的產(chǎn)生使共價(jià)鍵中留有一個(gè)空位置，稱為空穴,自由電子與空穴相碰同時(shí)消失，稱為復(fù)合。,共價(jià)鍵,一定溫度下，自由電子與空穴對(duì)的濃度一定；溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，掙脫共價(jià)鍵的電子增多，自由電子與空穴對(duì)的濃度加大。,電子空穴對(duì)產(chǎn)生、復(fù)合，維持動(dòng)態(tài)平衡。對(duì)應(yīng)的電子空穴濃度稱為本征載流子濃度。 外加電場(chǎng)時(shí)，帶負(fù)電的自由電子和帶正電的空穴

3、均參與導(dǎo)電，且運(yùn)動(dòng)方向相反。由于數(shù)目很少，故導(dǎo)電性很差。,2、本征半導(dǎo)體中的兩種載流子,溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，載流子濃度增大，導(dǎo)電性增強(qiáng)。熱力學(xué)溫度0K時(shí)不導(dǎo)電。,4.1.2、雜質(zhì)半導(dǎo)體 1. N型半導(dǎo)體,磷（P） 施主雜質(zhì),雜質(zhì)半導(dǎo)體主要靠多數(shù)載流子導(dǎo)電。摻入雜質(zhì)越多，多子濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電性可控。,多數(shù)載流子,硼（B） 受主雜質(zhì),多數(shù)載流子,P型半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電，摻入雜質(zhì)越多，空穴濃度越高，導(dǎo)電性越強(qiáng)，,1. P型半導(dǎo)體,在電場(chǎng)作用下，半導(dǎo)體中的載流子作定向飄移運(yùn)動(dòng)而形成的電流。,電子電流,空穴電流,1 漂移電流(Drift Current),4.1.3、PN結(jié)的形成及其單

4、向?qū)щ娦?2 擴(kuò)散電流(Diffusion Current) 主要取決于該處載流子濃度差（即濃度梯度）。濃度差越大，擴(kuò)散電流越大，而與該處的濃度值無關(guān)。,PN結(jié)的形成及其單向?qū)щ娦?P區(qū)空穴濃度遠(yuǎn)高于N區(qū)。,N區(qū)自由電子濃度遠(yuǎn)高于P區(qū)。,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使靠近接觸面P區(qū)的空穴濃度降低、靠近接觸面N區(qū)的自由電子濃度降低，產(chǎn)生內(nèi)電場(chǎng)。,PN 結(jié)的形成,參與擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)目相同，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，就形成了PN結(jié)。即擴(kuò)散過去多少多子，就有多少少子漂移過來,由于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使P區(qū)與N區(qū)的交界面缺少多數(shù)載流子，形成內(nèi)電場(chǎng)，從而阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行。內(nèi)電場(chǎng)使空穴從N區(qū)向P區(qū)、自由電子從P區(qū)向N 區(qū)運(yùn)動(dòng)。,PN結(jié)

5、加正向電壓導(dǎo)通： 耗盡層變窄，擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)加劇，由于外電源的作用，形成擴(kuò)散電流，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。,PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)加反向電壓截止： 耗盡層變寬，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，有利于漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流。由于電流很小，故可近似認(rèn)為其截止。,PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)電流方程,開啟電壓,反向飽和電流,擊穿電壓,當(dāng)u 比UT大幾倍時(shí),即呈現(xiàn)指數(shù)變化。,當(dāng)u0 時(shí),且|u|比UT大幾倍時(shí),PN結(jié)電流方程討論,PN結(jié)的擊穿特性,當(dāng)反向電壓超過 U( BR ) 后， |u| 稍有增加時(shí)，反向電流急劇增大，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)反向擊穿(Breakdown)。,輕摻雜耗盡區(qū)較寬少子動(dòng)能增大碰撞中性原子產(chǎn)生電子、

6、空穴對(duì)連鎖反應(yīng)產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)反向電流劇增。,雪崩擊穿(Avalanche Multiplication),重?fù)诫s耗盡區(qū)很窄強(qiáng)電場(chǎng)將中性原子的價(jià)電子直接拉出共價(jià)鍵產(chǎn)生大量電子、空穴對(duì)反向電流增大.,齊納擊穿(Zener Breakdown),PN 結(jié)的電容效應(yīng),1. 勢(shì)壘電容,PN結(jié)外加電壓變化時(shí)，空間電荷區(qū)的寬度將發(fā)生變化，有電荷的積累和釋放的過程，與電容的充放電相同，其等效電容稱為勢(shì)壘電容Cb。,2. 擴(kuò)散電容,PN結(jié)外加的正向電壓變化時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)靠近空間電荷區(qū)的區(qū)域內(nèi)，在擴(kuò)散路程中載流子的濃度及其梯度均有變化，也有電荷的積累和釋放的過程，其等效電容稱為擴(kuò)散電容Cd。,結(jié)電容：,4.

7、2 二極管,一、二極管的基本結(jié)構(gòu),二、二極管的伏安特性及主要參數(shù),一、二極管的組成,將PN結(jié)封裝，引出兩個(gè)電極，就構(gòu)成了二極管。,小功率二極管,大功率二極管,穩(wěn)壓 二極管,發(fā)光 二極管,點(diǎn)接觸型,面接觸型,平面型,一、二極管的組成,二、二極管的伏安特性及電流方程,開啟電壓,反向飽和電流,擊穿電壓,二極管的電流與其端電壓的關(guān)系稱為伏安特性。,1. 單向?qū)щ娦?2. 伏安特性受溫度影響,T（）在電流不變情況下管壓降u 反向飽和電流IS，U(BR) T（）正向特性左移，反向特性下移,正向特性為指數(shù)曲線,反向特性為橫軸的平行線,二極管的伏安特性：,電擊穿：二極管的反向電流隨外電路變化，反向電壓維持在擊

8、穿電壓附近-穩(wěn)壓管,由于功率過高造成破壞性 的擊穿-熱擊穿,二極管的反向擊穿：,二極管的等效電路及其應(yīng)用,由于二極管的非線性特性，當(dāng)電路加入二極管時(shí)，便成為非線性電路。實(shí)際應(yīng)用時(shí)可根據(jù)二極管的應(yīng)用條件作合理近似，得到相應(yīng)的等效電路，化為線性電路。,對(duì)電子線路進(jìn)行定量分析時(shí),電路中的實(shí)際器件必須用相應(yīng)的電路模型來等效表示，這稱為：“建模”。,1 理想二極管模型 2 恒壓降模型 3 折線模型,二極管的等效電路及其應(yīng)用,理想 二極管,近似分析中最常用,導(dǎo)通時(shí)i與u成線性關(guān)系,應(yīng)根據(jù)不同情況選擇不同的等效電路！,將伏安特性折線化,交流小信號(hào)模型,Q越高，rd越小。,當(dāng)二極管在靜態(tài)基礎(chǔ)上有一動(dòng)態(tài)信號(hào)作用

9、時(shí)，則可將二極管等效為一個(gè)電阻，稱為動(dòng)態(tài)電阻，也就是微變等效電路。,ui=0時(shí)直流電源作用,小信號(hào)作用,靜態(tài)電流,一、二極管整流電路,晶體二極管電路的應(yīng)用,V,RL,ui,uo,(a) 電路,半波整流電路,若穩(wěn)壓管的電流太小則不穩(wěn)壓，若穩(wěn)壓管的電流太大則會(huì)因功耗過大而損壞，因而穩(wěn)壓管電路中必需有限制穩(wěn)壓管電流的限流電阻！,二、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路,進(jìn)入穩(wěn)壓區(qū)的最小電流,不至于損壞的最大電流,由一個(gè)PN結(jié)組成，反向擊穿后在一定的電流范圍內(nèi)端電壓基本不變，為穩(wěn)定電壓。,限流電阻,晶體二極管電路的應(yīng)用,1. 穩(wěn)定電壓UZ,2. 額定功耗PZ,擊穿后流過管子的電流為規(guī)定值時(shí)，管子兩端的電壓值。,由管子升溫所

10、限定的參數(shù)，使用時(shí)不允許超過此值。,3. 穩(wěn)定電流IZ,4. 動(dòng)態(tài)電阻rZ,5. 溫度系數(shù),在擊穿狀態(tài)下，兩端電壓變化量與其電流變化量的比值。,表示單位溫度變化引起穩(wěn)壓值的相對(duì)變化量。,一般為幾歐姆到幾十歐姆（越小越好）。,2、穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路主要參數(shù),晶體二極管電路的應(yīng)用,u i E+UD(ON),三、二極管限幅電路,晶體二極管電路的應(yīng)用,R=510。假定輸入電壓變化范圍為1824V， 試確定負(fù)載電流的允許變化范圍。,例4.2.1 在圖4.2.6的穩(wěn)壓電路中，穩(wěn)壓管2CW14(UZ=6V，IZmin=5mA，IZmax =33mA),(1) 計(jì)算IRmax和IRmin,計(jì)算 ILmax及ILm

11、in,由于IR=IL+IZ ，當(dāng)Ui=Uimax和 IL =ILmin時(shí)，,流過IZ的電流最大，,為了使穩(wěn)壓管能安全工作，,應(yīng)使,因此,即IL的允許變化范圍為2.318.5mA。,BJT：Bipolar Junction Transistor 雙極型晶體管 （晶體三極管、半導(dǎo)體三極管） 雙極型器件 兩種載流子（多子、少子）,4.3 晶體三級(jí)管,幾種常見晶體管的外形,4.3.1 晶體管的結(jié)構(gòu)及其類型,e,c,b,發(fā)射極,基極,集電極,發(fā)射結(jié),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射區(qū),集電區(qū),N,P,N,(a) NPN管的原理結(jié)構(gòu)示意圖,(b) 電路符號(hào),（base）,（collector ）,（emitter）,符

12、號(hào)中發(fā)射極上的箭頭方向，表示發(fā)射結(jié)正偏時(shí)電流的流向。,晶體管的結(jié)構(gòu),(b) 電路符號(hào),(a) PNP型三極管的原理結(jié)構(gòu),符號(hào)中發(fā)射極上的箭頭方向，表示發(fā)射結(jié)正偏時(shí)電流的流向。,圖：平面管結(jié)構(gòu)剖面圖,結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1、三區(qū)兩結(jié) 2、基區(qū)很薄 3、e區(qū)重?fù)诫s c區(qū)輕摻雜 b區(qū)摻雜最輕 4、集電區(qū)的面積則比發(fā)射區(qū)做得大，這是三極管實(shí)現(xiàn)電流放大的內(nèi)部條件。,4.3.2 晶體管的電流分配與放大作用 （以NPN管為例）,一、放大狀態(tài)下晶體管中載流子的運(yùn)動(dòng),BJT 處于放大狀態(tài)的條件： 內(nèi)部條件： 發(fā)射區(qū)重?fù)诫s(故管子e、 c極不能互換) 基區(qū)很薄(幾個(gè)m) 集電結(jié)面積大 外部條件： 發(fā)射結(jié)正偏 集電結(jié)反偏,N

13、PN型晶體管的電流關(guān)系,外加偏置電壓要求,對(duì) NPN管 UC UB UE,對(duì) PNP管 要求 UC UB UE,二、電流分配關(guān)系,IEP :基區(qū)向發(fā)射區(qū)擴(kuò)散所形成的空穴電流(很小),:集電區(qū)與基區(qū)之間的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流(很小),晶體管是流控元件,晶體管的主要功能： 電流控制 （基極電流控制集電極電流） 電流放大 （放大的比例關(guān)系一定）,c,e,I,E,N,P,N,I,B,b,I,BN,I,EN,I,CN,I,C,共射極直流電流放大系數(shù),一般,三、直流電流放大系數(shù),4.3.3 晶體管的特性曲線,晶體管特性曲線：描述晶體管各極電流與極間電壓關(guān)系的曲線。,(a)共發(fā)射極,(b)共集電極,(c)共

14、基極,下面以共射極電路為測(cè)試電路,4.3.3.1 共射極輸入特性曲線,共射組態(tài)晶體 管的輸入特性：,它是指一定集電極和發(fā)射極電壓UCE下，三極管的基極電流IB與發(fā)射結(jié)電壓UBE之間的關(guān)系曲線。,UCE=0時(shí)，e與c短路，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)并聯(lián)，特性類似PN結(jié)。 UCE增大時(shí)，曲線右移。,4.3.3.2 共射極輸出特性曲線,共射組態(tài)晶體管的輸出特性： 它是指一定基極電流IB下，三極管的輸出回路集電極電流IC與集電結(jié)電壓UCE之間的關(guān)系曲線。,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,I,c,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,b,

15、IB=10A,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,IB=10A,u,C,E,/,V,5,10,15,0,1,2,3,4,i,C,/,m,A,c,I,C,e,I,E,N,P,N,I,B,R,C,U,CC,U,BB,R,B,15V,b,I,BN,I,EN,I,CN,ICBO,共射輸出特性曲線,共射輸出特性曲線,一、放大區(qū),發(fā)射結(jié)正向偏置， 集電結(jié)反向偏置 uCEuBE，uBEUon 1、基極電流 iB 對(duì)集電極電流 iC 的控制作用很強(qiáng),在數(shù)值上近似等于,問題：特性圖中=？,=100,2、uCE 變化時(shí), iC 影響很?。ê懔魈匦裕?即： iC 僅決定于iB

16、 ，與輸出環(huán)路的外電路無關(guān)。,放大區(qū),二、飽和區(qū),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均正向偏置,臨界飽和：uCE=uBE，uCB=0(集電結(jié)零偏),飽和區(qū),（1） iB一定時(shí)，iC比放大時(shí)要小 三極管的電流放大能力下降，通常有iCiB （2）uCE 一定時(shí)iB增大，iC基本不變,圖2-6 飽和區(qū)載流子運(yùn)動(dòng)情況,飽和壓降UCE(sat)： 飽和時(shí)，集電極和發(fā)射極之間的電壓 UCE(sat) = 0.3V （小功率Si管） ； UCE(sat) = 0.1V （小功率Ge管） 。,（3）三極管的集電極和發(fā)射極近似短接，三極管類似于一個(gè)開關(guān)“導(dǎo)通”。,飽和區(qū),三、截止區(qū),發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均反向偏置,iB =-iCBO （此時(shí)iE =0 ）以下稱為截止區(qū)。 工程上認(rèn)為：iB =0 以下即為截止區(qū)。,圖2-7 截止區(qū)載流子運(yùn)動(dòng)情況,若不計(jì)穿透電流ICEO，有iB、iC近似為0； 三個(gè)電極的電流都很小，三極管類似于一個(gè)開關(guān)“斷開”。,截止區(qū),4.3.4 晶體管的主要參數(shù),一、電流放大系數(shù)