二極管和晶體管96349課件

第14章二極管和晶體管14.3二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5晶體管14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.1半導體的導電特性14.6光電器件第14章二極管和晶體管本章要求：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)學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結(jié)果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術(shù)指標，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，重點放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應用。1．第一代電子器件——電子管

1906年，福雷斯特（LeeDeFordst）等發(fā)明了電子管，是電子學發(fā)展史上第一個里程碑。用電子管可實現(xiàn)整流、穩(wěn)壓、檢波、放大、振蕩、變頻、調(diào)制等多種功能電路。電子管體積大、重量重、壽命短、耗電大。世界上第一臺計算機用1.8萬只電子管，占地170m2，重30t，耗電150kW。2．第二代電子器件——晶體管

1948年，肖克利（W.Shckly）等發(fā)明了半導體三極管，其性能明顯優(yōu)于電子管，從而大大促進了電子技術(shù)的應用與發(fā)展。晶體管的發(fā)明是電子學歷史上的第二個里程碑。盡管晶體管在體積、重量等方面性能優(yōu)于電子管，但由成百上千只晶體管和其他元件組成的分立電路體積大、焊點多，可靠性差。3．第三代電子器件——集成電路

1958年，基爾白等提出將管子、元件和線路集成封裝在一起的設(shè)想，三年后，集成電路實現(xiàn)了商品化。當前，單個芯片可集成器件成千上萬個，例如，CPU芯片P6內(nèi)部就封裝了550萬只晶體管。集成電路的發(fā)展促進了電子學、特別是數(shù)字電路和微型計算機的發(fā)展，人類社會開始邁進信息時代。集成電路按集成度可分作(1)小規(guī)模集成電路（SSI）＜102(2)中規(guī)模集成電路（MSI）＜103(3)大規(guī)模集成電路（LSI）＜105(4)超大規(guī)模集成電路(VLSI)＞105當前，微電子已成為最具有發(fā)展前途的產(chǎn)業(yè)，微電子技術(shù)水平已成為衡量一個國家技術(shù)水平的重要標志。微機電系統(tǒng)(MicroElectroMechanicalSystems，MEMS)是一種外形尺寸在毫米量級，組成元器件尺寸在納米、微米量級的可運作微型機電裝置。將信號探測、處理、控制和執(zhí)行各子系統(tǒng)集成于一體。德國工程師制成黃蜂大小的能升空的直升飛機應用：軍事（小型間諜飛機）微電子戰(zhàn)爭信息化武器，例如精確制導武器。它們實質(zhì)上是一種能夠獲得和利用被攻擊目標所提供的位置信息修正自己的彈道以準確命中目標的彈藥。具有一定的智能。海灣戰(zhàn)爭和最近北約空襲南斯拉夫?qū)嶋H上是微電子技術(shù)戰(zhàn)爭。多國部隊實施的電子偵察、電子干擾與反干擾的各種電子措施。使伊軍的引導雷達和防空雷達等許多重要的電子技術(shù)裝備失靈。從而掌握整個戰(zhàn)爭的制空權(quán)、制海權(quán)和主動權(quán)。放大電路的基礎(chǔ)知識放大是最基本的模擬信號處理功能，它是通過放大電路實現(xiàn)的，大多數(shù)模擬電子系統(tǒng)中都應用了不同類型的放大電路。放大電路也是構(gòu)成其他模擬電路，如濾波、振蕩、穩(wěn)壓等功能電路的基本單元電路。“放大”的含義一是能將微弱的電信號增強到人們所需要的數(shù)值（即放大電信號），以便于人們測量和使用；二是要求放大后的信號波形與放大前的波形的形狀相同或基本相同，即信號不能失真，14.1半導體的導電特性

導體：很容易傳導電流。如銅，銀等；絕緣體：不傳導電流。如橡皮，陶瓷，塑料，石英等；半導體：導電能力介于導體和絕緣體之間。如鍺Ge，硅Si。硒等。+電子能量W內(nèi)層電子能級價電子能級

自由電子能級

自由電子能帶（導帶）價電子能帶（價帶）內(nèi)層電子能帶禁帶禁帶禁帶硅原子的能級和能帶導帶

禁帶

價帶

導帶禁帶價帶導帶價帶絕緣體禁帶很寬

半導體禁帶較窄導體沒有禁帶

14.1.1本征半導體(intrinsicsemiconductor)

最常用的半導體為硅(Si)和鍺(Ge)。它們的共同特征是四價元素，每個原子最外層電子數(shù)為4。++SiGe

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（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔撸w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)果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。半導體材料的特性：純凈半導體的導電能力很差；溫度升高——導電能力增強；光照增強——導電能力增強；摻入少量雜質(zhì)——導電能力增強。14.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。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子在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。14.1.2N型半導體和P型半導體

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

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數(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)樨撾x子空穴無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。1.在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當溫度升高時，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba半導體內(nèi)部載流子的運動（1）.載流子的飄移運動：載流子在電場作用下有規(guī)律的運動稱為“飄移運動”所形成的電流稱為飄移電流。（2）.載流子的擴散運動：載流子由濃度高的地方向濃度低的地方擴散產(chǎn)生的運動稱為“擴散運動”所形成的電流稱為擴散電流。14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?PNjunction)14.2.1PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內(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?？臻g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到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(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。IRP接負、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。–+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)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－14.3二極管(diode)

14.3.1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。陰極引線陽極引線二氧化硅保護層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半導體二極管的結(jié)構(gòu)和符號14.3二極管二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D14.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。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?。正向特性反向特性特點：非線性硅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)。14.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流

IOM二極管長期使用時，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娦员黄茐模踔吝^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娦圆睿琁RM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。型號命名規(guī)則國家標準對半導體器件型號的命名舉例如下：部分國產(chǎn)半導體高頻二極管參數(shù)表最高反向工作電壓（峰值）V反向擊穿電壓

V正向電流

mA反向電流μA最高工作頻率MHZ極間電容

Pf最大整流電流mA2AP120≥40≥2.5≤250150≤1162ck7100≥150≥5.0≤250300≤0.120部分國產(chǎn)半導體整流二極管參數(shù)表最大整流電流A最高反向工作電壓（峰值）V最高工作電壓下的反向電流（125度）

μA正向壓降（平均值）

V最高工作頻率

MHZ2CZ52A0.1251000≤0.832CZ54D0.514001000≤0.832CZ57F530001000≤0.83二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）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、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(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?.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，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當于斷開。電路如圖，求：UABV陽=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ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。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–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=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－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，二極管導通，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3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)取i18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––二極管的靜態(tài)工作點：+-UsRIF+-UFIFUFIQ△I△U0UUs靜態(tài)電阻RD與動態(tài)電阻rd

二極管的正向電壓UF與正向電流IF之比，定義為靜態(tài)電阻。在Q點處電壓變化量△Ｕ與電流變化量

△I之比，稱為動態(tài)電阻。IFUFIQ△I△U0UUs14.4穩(wěn)壓二極管(Zenerdiode)1.符號UZIZIZMUZIZ2.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。_+UIO3.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)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(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=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。U(V)0.400.8-8-4I(mA)204010-20-1030-12反向正向穩(wěn)壓管的使用：穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)，常見電路如下。UiRUoRL在電路中穩(wěn)壓管是反向聯(lián)接的。當Ui大于穩(wěn)壓管的擊穿電壓時，穩(wěn)壓管被擊穿，電流將增大，電阻R兩端的電壓增大，在一定的電流范圍內(nèi)穩(wěn)壓觀兩端的電壓基本不變，輸出電壓Ui等于Uz。光電二極管反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發(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14.5晶體管(transistor)

14.5.1基本結(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：集電區(qū)：面積最大14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用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）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）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BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

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。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，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，漂移進入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，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+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE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

ICICE014.5.3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)射極電路輸入回路輸出回路測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++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

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O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)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

。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，晶體管工作于截止狀態(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IBIC，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UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。例：測量三極管三個電極對地電位圖試判斷三極管的工作狀態(tài)。

放大截止飽和14.5.4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=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2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ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允許電流ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會導致三極管的值的下降，當值下降到正常值的三分之二時的集電極電流即為