1、第 9 章 半導(dǎo)體二極管和三極管,9.2 半導(dǎo)體二極管,9.3 穩(wěn)壓管,9.4 半導(dǎo)體三極管,9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,退出,第 9 章 半導(dǎo)體二極管和三極管,9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。,9.1.1 本征半導(dǎo)體,自由電子,用得最多的半導(dǎo)體是硅或鍺,它們都是四價(jià)元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量?jī)r(jià)電子即可掙脫共價(jià)鍵的束縛成為自由電子，同時(shí)在共價(jià)鍵中就留下一個(gè)空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合。,在外電場(chǎng)的作用下，自由電子逆著電場(chǎng)方向定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流。帶正電的空穴吸引

2、相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子的共價(jià)鍵中產(chǎn)生另一個(gè)空穴。空穴被填補(bǔ)和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場(chǎng)方向移動(dòng)，形成空穴電流。,可見在半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電。,空穴移動(dòng)方向,電子移動(dòng)方向,外電場(chǎng)方向,9.1.2 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,1. N 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入五價(jià)元素磷，當(dāng)某一個(gè)硅原子被磷原子取代時(shí)，磷原子的五個(gè)價(jià)電子中只有四個(gè)用于組成共價(jià)鍵，多余的一個(gè)很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為 N 型半導(dǎo)體。,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,多余價(jià)電

3、子,本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低。如果在其中參入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電能力大大增強(qiáng)。,2. P 型半導(dǎo)體,在硅或鍺的晶體中摻入三價(jià)元素硼，在組成共價(jià)鍵時(shí)將因缺少一個(gè)電子而產(chǎn)生一個(gè)空位，相鄰硅原子的價(jià)電子很容易填補(bǔ)這個(gè)空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個(gè)空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為 P 型半導(dǎo)體。,B,空穴,價(jià)電子填補(bǔ)空位,9.1.3 PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)的形成,用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成 P 型半導(dǎo)體區(qū)域和 N 型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個(gè)區(qū)域的交界處就形成了一個(gè)特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。,P 區(qū)

4、,N 區(qū),2. PN 結(jié)的單向?qū)щ娦?(1) 外加正向電壓,內(nèi)電場(chǎng)方向,R,P 區(qū),N 區(qū),外電場(chǎng)驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間 電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷,N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū) 抵消一部分正空間電荷,擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，形 成較大的正向電流,P 區(qū),N 區(qū),內(nèi)電場(chǎng)方向,R,2. 外加反向電壓,外電場(chǎng)驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走,少數(shù)載流子越過 PN 結(jié)形成很小的反向電流,多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)難于進(jìn)行,返回,9.2 半導(dǎo)體二極管,9.2.1 基本結(jié)構(gòu),將 PN 結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。,點(diǎn)接觸型,9.2.2 伏安特性,二極管和 PN 結(jié)

5、一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線可見，當(dāng)外加正向電壓很低時(shí)，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，硅管約為0.6 0.7V，鍺管約為0.2 0.3V。,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I / mA,U / V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,在二極管上加反向電壓時(shí)，反向電流很小。但當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦?。產(chǎn)生擊穿時(shí)的電壓稱為反向擊穿電壓 U(BR)。,9.2

6、.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM 最大整流電流是指二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，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 它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是 反向擊穿電壓的一半或三分之二。,3. 反向峰值電流 IRM 它是指二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。,例 1 在圖中，輸入電位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 電阻 R 接負(fù)電源 12 V。求輸出端電位 VY。,解 因?yàn)?VA 高于VB ，所以DA 優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管的正向壓降是 0.3 V，則 VY = + 2.7 V。當(dāng) DA 導(dǎo)通后, DB 因反偏而截止。,在這里，

7、DA 起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在 + 2.7 V。,二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用與整流、檢波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。,返回,9.3 穩(wěn)壓管,穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號(hào)如下圖所示。,穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時(shí)，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起作用。,穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個(gè)：,4. 穩(wěn)定電流 IZ,3. 動(dòng)態(tài)電阻 rZ,2. 電壓溫

8、度系數(shù) U,5. 最大允許耗散功率 PZM,例 1 圖中通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少？R 是限流電阻，其值是否合適？,IZ IZM ，電阻值合適。,解,9.4 半導(dǎo)體三極管,9.4.1 基本結(jié)構(gòu),返回,1. NPN 型三極管,集電區(qū),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射結(jié),發(fā)射區(qū),N,N,集電極 C,基極 B,發(fā)射極 E,P,不論平面型或合金型，都分成 NPN 或PNP 三層，因此又把晶體管分為 NPN 型和 PNP 型兩類。,集電區(qū),集電結(jié),基區(qū),發(fā)射結(jié),發(fā)射區(qū),N,集電極 C,發(fā)射極 E,基極 B,N,P,P,N,2. PNP 型三極管,9.4.2 電流分配和放大原理,我們通過實(shí)驗(yàn)來(lái)說明晶體管的放大原理

9、和其中的電流分配，實(shí)驗(yàn)電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實(shí)驗(yàn)中用的是 NPN 型管，為了使晶體管具有放大作用，電源 EB 和 EC 的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電壓(正向偏置)，集電結(jié)加反向電壓(反向偏置)。,設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB，則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE 都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表：,基極電路,集電極電路,晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù),(2) IC 和 IE 比 IB 大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得,這就是晶體管的電流放大作用。 稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化 IB 可以引起集電

10、極電流較大的變化 IC 。,式中， 稱為動(dòng)態(tài)電流(交流)放大系數(shù),(3)當(dāng) IB = 0(將基極開路)時(shí)，IC = ICEO，表中 ICEO 0.001 mA = 1 A。,(4)要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，發(fā)射區(qū)才可向基區(qū)發(fā)射電子；而集電結(jié)必須反向偏置，集電區(qū)才可收集從發(fā)射區(qū)發(fā)射過來(lái)的電子。,下圖給出了起放大作用時(shí) NPN 型和 PNP 型晶體管中電流實(shí)際方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的實(shí)際極性。,9.4.3 特性曲線,1. 輸入特性曲線,對(duì)于 NPN 型三極管應(yīng)滿足: UBE 0 UBC VB VE,對(duì)于 PNP 型三極管應(yīng)滿足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,輸入特性

11、曲線是指當(dāng)集 射極電壓UCE為常數(shù)時(shí)，輸入電路(基極電路)中，基極電流 IB 與基射極電壓 UBE 之間的關(guān)系曲線 I B = f (UBE)。,晶體管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時(shí)，才會(huì)產(chǎn)生 IB。,2. 輸出特性曲線,輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流 IB 為常數(shù)時(shí)，輸出電路(集電極電路)中集電極電流 IC 與集射極電壓 UCE 之間的關(guān)系曲線 IC = f (UCE)。在不同的 IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。,晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲組分為三個(gè)工作區(qū),(1) 放大區(qū),輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)， 。放大區(qū)

12、也稱為線性區(qū)，因?yàn)?IC 和 IB 成正比的關(guān)系。對(duì) NPN 型管而言，應(yīng)使 UBE 0，UBC UBE。,放 大 區(qū),(2) 截止區(qū),IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時(shí), IC = ICEO(很小)。對(duì) NPN 型硅管，當(dāng)UBE 0.5 V 時(shí)，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，常使 UBE 0，截止時(shí)集電結(jié)也處于反向偏置(UBC 0)，此時(shí), IC 0 ，UCE UCC 。,(3) 飽和區(qū),當(dāng) UCE 0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC 和 IB 不成正比。此時(shí)，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。,當(dāng)晶體管飽和時(shí)， UCE 0，

13、發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的接通，其間電阻很??；當(dāng)晶體管截止時(shí)，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。,晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示,晶體管結(jié)電壓的典型值,9.4.4 主要參數(shù),1. 電流放大系數(shù) ，,當(dāng)晶體管接成共發(fā)射極電路時(shí)，在靜態(tài)(無(wú)輸入信號(hào))時(shí)集電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù),當(dāng)晶體管工作在動(dòng)態(tài)(有輸入信號(hào))時(shí)，基極電流的變化量為 IB ，它引起集電極電流的變化量為 IC 。 IC 與 IB的比值稱為動(dòng)態(tài)電流(交流)放大系數(shù),在輸出特性曲線近于平行等距并且 ICEO 較小的情況下,可近似認(rèn)為 ，但二者含義不同。,2. 集基極反向截止電流 ICBO,ICBO 是當(dāng)發(fā)射極開路時(shí)流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。,3. 集射極反向截止電流 ICEO,ICEO 是當(dāng)基極開路(IB = 0)時(shí)的集電極電流，也稱為穿透電流，其值越小越好。,4. 集電極最大允許電流 ICM,當(dāng) 值下降到正常數(shù)值的三