電子技術基礎之 二極管和晶體管

1、 第第1515章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管 返回返回 目目 錄錄 14.1 14.1 半導體的導電特性半導體的導電特性 半導體：半導體：導電能力介乎于導體和絕緣體之導電能力介乎于導體和絕緣體之 間的間的 物質(zhì)。物質(zhì)。 半導體特性：半導體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性熱敏特性、光敏特性、摻雜特性 本征半導體就是完全純凈的半導體。本征半導體就是完全純凈的半導體。 應用最多的本征半應用最多的本征半 導體為鍺和硅，它們導體為鍺和硅，它們 各有四個價電子，都各有四個價電子，都 是四價元素是四價元素. 硅的原子結構硅的原子結構 純凈的半導體其所有的原子基 本上整齊排列，形成晶體結構，

2、 所以半導體也稱為晶體 晶體管名稱的由來 本征半導體晶體結構中的共價健結構本征半導體晶體結構中的共價健結構 14.1.114.1.1 本征半導體本征半導體 SiSi SiSi 共價鍵共價鍵 價電子價電子 14.1.1 14.1.1 本征半導體本征半導體 共價鍵中的電子共價鍵中的電子 在獲得一定能量在獲得一定能量 后，即可掙脫原后，即可掙脫原 子核的束縛，成子核的束縛，成 為自由電子為自由電子 同時在共價鍵中同時在共價鍵中 留下一個空穴。留下一個空穴。 空穴空穴 SiSi SiSi 自由自由 電子電子 熱激發(fā)與復合現(xiàn)象熱激發(fā)與復合現(xiàn)象 由于受熱或光照由于受熱或光照 產(chǎn)生自由電子和產(chǎn)生自由電子和

3、空穴的現(xiàn)象空穴的現(xiàn)象- 熱激發(fā)熱激發(fā) 14.1.1 14.1.1 本征半導體本征半導體 自由電子自由電子 在運動中遇在運動中遇 到空穴后，到空穴后， 兩者同時消兩者同時消 失，稱為復失，稱為復 合現(xiàn)象合現(xiàn)象 溫度一定時，本溫度一定時，本 征半導體中的自由征半導體中的自由 電子電子空穴對的數(shù)空穴對的數(shù) 目基本不變。溫度目基本不變。溫度 愈高，自由電子愈高，自由電子 空穴對數(shù)目越多空穴對數(shù)目越多。 SiSi SiSi 自由 電子 空穴 半導體導電方式半導體導電方式 在半導體中，在半導體中， 同時存在著電子同時存在著電子 導電和空穴導電，導電和空穴導電， 這是半導體導電這是半導體導電 方式的最大特點

4、，方式的最大特點， 也是半導體和金也是半導體和金 屬在導電原理上屬在導電原理上 的本質(zhì)差別。的本質(zhì)差別。 載流子載流子 自由電子和空穴自由電子和空穴 因為，溫度愈因為，溫度愈 高，載流子數(shù)目愈高，載流子數(shù)目愈 多，導電性能也就多，導電性能也就 愈好，所以，溫度愈好，所以，溫度 對半導體器件性能對半導體器件性能 的影響很大。的影響很大。 14.1.1 14.1.1 本征半導體本征半導體 SiSi SiSi 價電 子 空穴 當半導體兩端當半導體兩端 加上外電壓時，自加上外電壓時，自 由電子作定向運動由電子作定向運動 形成電子電流；而形成電子電流；而 空穴的運動相當于空穴的運動相當于 正電荷的運動正

5、電荷的運動 14.1.2 N14.1.2 N型半導體和型半導體和P P型半導體型半導體 N型半導體型半導體 在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中 摻入微量的磷（或摻入微量的磷（或 其它五價元素）。其它五價元素）。 自由電子是多數(shù)自由電子是多數(shù) 載流子，空穴是載流子，空穴是 少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。 電子型半導體電子型半導體 或或N N型半導體型半導體 SiSi P+Si 多余 電子 14.1.2 N14.1.2 N型半導體和型半導體和P P型半導體型半導體 P P型半導體型半導體 在硅或鍺晶體中在硅或鍺晶體中 摻入硼（或其它摻入硼（或其它 三價元素）。三價元素）。 空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流

6、子， 自由電子是少數(shù)載自由電子是少數(shù)載 流子。流子。 空穴型半導體空穴型半導體 或或P P型半導體。型半導體。 SiSi B-Si 空穴 14.1.2 N14.1.2 N型半導體和型半導體和P P型半導體型半導體 不論不論N型半導體還是型半導體還是P型半導體，型半導體， 雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)， 但是整個晶體仍然是但是整個晶體仍然是不帶電不帶電的。的。 14.2 PN14.2 PN結及其單向?qū)ㄐ越Y及其單向?qū)ㄐ?14.2.1 PN14.2.1 PN結的形成結的形成 自由電子 P N 空穴 PN結是由擴散運動形成的結是由擴散運動形成的 14.2.114.2.

7、1 PN結的形成結的形成 自由電子 PN 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場方向 空穴 14.2.1 PN14.2.1 PN結的形成結的形成 擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡 擴散強擴散強 漂移運動增強漂移運動增強 內(nèi)電場增強內(nèi)電場增強 兩者平衡兩者平衡 PNPN結寬度基本穩(wěn)定結寬度基本穩(wěn)定 外加外加 電壓電壓 平衡平衡 破壞破壞 擴散強擴散強 漂移強漂移強 PNPN結導通結導通 PNPN結截止結截止 14.2.2 PN結的單向?qū)щ娦?1 外加正向電壓使PN結導通 PNPN結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài)，通過結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài)，通過PNPN結的電流結的電流 基本是多子的擴散電流基本是多子的擴散電流

8、正向電流正向電流 + 變窄 PN 內(nèi)電場 方向 外電場方向 R I 14.2.2 PN結的單向?qū)щ娦?2 外加反向電壓使PN結截止 PNPN結呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過結呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PNPN結的電流是少子的漂移電流結的電流是少子的漂移電流 -反向電流反向電流 特點特點: : 受溫度影響大受溫度影響大 原因原因: : 反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的 + - 變 寬 PN 內(nèi)電場 方向 外電場方向 R I=0 14.2.2 PN結的單向?qū)щ娦?結結 論論 PN結具有單向?qū)щ娦越Y具有單向?qū)щ娦?（1） PN結加正向電壓時，處在導通狀態(tài)，結電阻很低，結加正向電壓時，

9、處在導通狀態(tài)，結電阻很低， 正向電流較大。正向電流較大。 （2）PN結加反向電壓時，處在截止狀態(tài)，結電阻很高，結加反向電壓時，處在截止狀態(tài)，結電阻很高， 反向電流很小。反向電流很小。 14.3 14.3 半導體二極管半導體二極管 15.3.1 基本結構基本結構 14.3.2 伏安特性伏安特性 14.3.3 伏安特性的折線化伏安特性的折線化 14.3.4 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 14.3.1 基本結構 PN結 陰極引線 鋁合金小球 金銻合金 底座 N型硅 陽極引線 面接觸型面接觸型 引線 外殼觸絲N型鍺片 點接觸型點接觸型 表示符號表示符號 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性

10、 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死區(qū) 電壓 擊穿 電壓 半導體二極半導體二極 管的伏安特性管的伏安特性 是非線性的。是非線性的。 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死區(qū)電壓 擊穿電壓 死區(qū)電壓：死區(qū)電壓： 硅管：硅管：0.5伏左右，鍺管：伏左右，鍺管： 0.1伏左右。伏左右。 正向壓降：正向壓降： 硅管：硅管：0.7伏左右，鍺管：伏左右，鍺管： 0.2 0.3伏。伏。 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 1 正向特性正向特

11、性 反向電流：反向電流： 反向飽和電流：反向飽和電流： 反向擊穿電壓反向擊穿電壓U（BR） 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死區(qū)電 壓 擊穿電 壓 2 反向特性反向特性 14.3.4 伏安特性的折線化 U 0 U 0 US 14.3.4 14.3.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 1 最大整流電流最大整流電流IOM： 二極管長時間使用時，允許流過的最大正向平均電流。二極管長時間使用時，允許流過的最大正向平均電流。 2 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URWM: 保證二極管不被擊穿

12、而給出的反向峰值電壓。保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。 3 反向峰值電流反向峰值電流IRM: 二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。 14.3.5 14.3.5 應用舉例應用舉例 主要利用二極管的單向?qū)щ娦浴？捎糜谡鳌z波、限主要利用二極管的單向?qū)щ娦?。可用于整流、檢波、限 幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。 例例: 圖中電路，輸入端圖中電路，輸入端A的電位的電位VA=+3V，B的電位的電位 VB=0V，求輸出端，求輸出端Y的電位的電位VY。電阻。電阻R接負電源接負電源-12V。 VY=+

13、2.7V 解：解：DA優(yōu)先導通，優(yōu)先導通， DA導通后，導通后， DB上加的是反向電壓，上加的是反向電壓， 因而截止。因而截止。 DA起鉗位作用，起鉗位作用， DB起隔離作用。起隔離作用。 -12V A B +3V 0VDB DA Y 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。它在電路中一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。它在電路中 與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。 1 1 穩(wěn)壓管表示符號穩(wěn)壓管表示符號： 正向 + - 反向 + -IZ UZ 2 2 穩(wěn)壓管的伏安特性：穩(wěn)壓管的伏安特性： 3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓

14、原理： 穩(wěn)壓管工作于反向穩(wěn)壓管工作于反向 擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時，擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時， 電流雖然在很大范圍內(nèi)電流雖然在很大范圍內(nèi) 變化，但穩(wěn)壓管兩端的變化，但穩(wěn)壓管兩端的 電壓變化很小。利用這電壓變化很小。利用這 一特性，穩(wěn)壓管在電路一特性，穩(wěn)壓管在電路 中能起穩(wěn)壓作用。中能起穩(wěn)壓作用。 穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。 反向擊穿 是可逆的。 U/V I/mA 0 IZ IZM UZ 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 4 主要參數(shù)主要參數(shù) （2）電壓溫度系數(shù)）電壓溫度系數(shù) U （1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓 UZ 穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的

15、電壓。 說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù) 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 （3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻 （4 4）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流 （5 5）最大允許耗散功率）最大允許耗散功率 rZ 穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應的電流變化量的比值穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應的電流變化量的比值 IZ PZM 管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。 PZM=UZIZM 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 例題例題 + _ U U0UZ R 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用 當當UUZ大于時大于時,穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓管擊穿 R UU I Z Z 此時此時 選選R，使，

16、使IZIZM 14.5 14.5 半導體三極管半導體三極管 14.5.1 14.5.1 基本結構基本結構 14.5.1 14.5.1 基本結構基本結構 14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 4 結構結構 平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP 14.5.1 14.5.1 基本結構基本結構 發(fā)射結集電結 B NNP 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) EC N N P B E C C E B 發(fā)射結集電結 B PPN 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) EC P P N B E C C E B 14.

17、5.1 14.5.1 基本結構基本結構 14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 A mA mA IB IC IE RB EC + + _ _ EB B C E 3DG6 共發(fā)射極接法 14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 晶體管電流測量數(shù)據(jù)晶體管電流測量數(shù)據(jù) IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 由此實驗及測量結果可得出如下結論：由此實驗及測量結果可得出如下結論： （

18、1） IE=IC+IB 符合基爾霍夫電流定律。符合基爾霍夫電流定律。 （2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。 （3）當）當IB=0（將基極開路）時，（將基極開路）時， IE=ICEO， ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 2 輸出特性曲線輸出特性曲線 CICEC B | )U(I f 晶體管的輸晶體管的輸 出特性曲線是出特性曲線是 一組曲線。一組曲線。 UCE/V 1 3 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 2 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 晶體管的輸出特性曲線分為三

19、個工作區(qū)晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)： （1）放大區(qū)）放大區(qū) （2）截止區(qū)）截止區(qū) （3）飽和區(qū)）飽和區(qū) （1）放大區(qū)（線性區(qū)）放大區(qū)（線性區(qū)） 1 3 2 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 放大區(qū) UCE/V 輸出特性曲線的近似水平部分。輸出特性曲線的近似水平部分。 B _ C II 發(fā)射結處于正向偏置；集電結處于反向偏置發(fā)射結處于正向偏置；集電結處于反向偏置 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 （2）截止區(qū)）截止區(qū) IB=0曲線以下的區(qū)域為截止區(qū)曲線以下的區(qū)域為截止區(qū) IB=0 時，時，IC=ICEO0.001mA 對對NPN型硅管而

20、言，當型硅管而言，當UBE0.5V時，即已開時，即已開 始截止，為了截止可靠，常使始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。小于等于零。 1 3 2 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 截止區(qū) UCE/V （3）飽和區(qū)）飽和區(qū) 當當U UCECEU UBEBE時，集電結處于正向偏置，晶體管工作處于飽時，集電結處于正向偏置，晶體管工作處于飽 和狀態(tài)和狀態(tài) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，I IB B的變化對的變化對I IC C的影響較小，兩者不成比例的影響較小，兩者不成比例 1 3 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 2 飽和區(qū)

21、UCE/V 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 1 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) , _ _ ：靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù) B C _ I I ：動態(tài)電流（交流）放大系數(shù) B C I I 注意：注意： , _ 兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行 等距并且等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值較為接較小的情況下，兩者數(shù)值較為接 近。在估算時，常用近。在估算時，常用 _ 近似關系近似關系 （1） （2） 對于同一型號的晶體管，對于同一型號的晶體管，值有差別，常用晶體管的值有差別，常用晶體管的 值在值在2

22、0-100之間。之間。 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 2 2 集集基極反向截止電流基極反向截止電流I ICBOCBO ICBO=IC|IE=0 ICBO受溫度的影響大。受溫度的影響大。 在室溫下，小功率鍺管的在室溫下，小功率鍺管的 ICBO約為幾微安到幾十微安，約為幾微安到幾十微安， 小功率硅管在一微安以下。小功率硅管在一微安以下。 ICBO越小越好。越小越好。 EC A + _ T + _ ICB0 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 3 集集射極反向截止電流射極反向截止電流ICEO ICEO=IC|IB=0 穿透電流穿透電流ICEO與與ICBO的關系：的關系： CEOB _ CBOCBOB _ C CBO _ CBOCBO _ CEO CBO CBOCEO 0I CBOB