第8章 二極管 晶體管

第8章:二極管、晶體管和場效應(yīng)管

任課教師：贠素君

辦公室:物電院322室電工電子技術(shù)第8章二極管、晶體管和場效應(yīng)管8.3半導(dǎo)體二極管8.4穩(wěn)壓二極管8.5晶體管8.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性8.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，例如硅Si、鍺Ge、砷化鎵GaAs和一些硫化物、金屬氧化物等。導(dǎo)體：電阻率·cm的物質(zhì)。如銅、銀、鋁等金屬材料。絕緣體：電阻率·

cm物質(zhì)。如橡膠、塑料、云母、陶瓷等。2、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)電能力明顯改變光敏性：當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)(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)。(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）。8.1.1本征半導(dǎo)體1、完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體,如鍺、硅、硒。圖8.1.1晶體中原子的排列方式圖8.1.2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。

Si

Si

Si

Si價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖8.1.3本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴自由電子空穴若溫度T

，將有少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為自由電子，在原來的共價鍵中留下一個空位——空穴。T

自由電子和空穴使本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱。空穴可看成帶正電的載流子。電子空穴對

由熱激發(fā)而產(chǎn)生本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子和空穴。溫度越高運(yùn)動加劇載流子的濃度越高本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。歸納本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很低,導(dǎo)電性能很差。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與溫度密切相關(guān)。雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N型半導(dǎo)體(摻入5價雜質(zhì)元素)P型半導(dǎo)體(摻入3價雜質(zhì)元素)1、N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的5價雜質(zhì)元素，如磷、砷、銻等，即構(gòu)成N型半導(dǎo)體(或稱電子型半導(dǎo)體)。常用的5價雜質(zhì)元素有磷、砷、銻等。8.1.2雜質(zhì)半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4+4圖8.1.4N型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即n>>p。電子稱為多數(shù)載流子(簡稱多子)，空穴稱為少數(shù)載流子(簡稱少子)。+5施主原子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的3價雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成P型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子濃度，即p>>n?？昭槎鄶?shù)載流子，電子為少數(shù)載流子。3價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主原子空穴2、P型半導(dǎo)體圖8.1.5P型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)歸納3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。4、N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子；

P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子、少子）。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理一、PN結(jié)的形成在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴(kuò)散，在它們的交界面處就形成了PN結(jié)。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空間電荷區(qū)N型區(qū)P型區(qū)PN結(jié)8.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦云七\(yùn)動P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運(yùn)動內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。所以擴(kuò)散和漂移這一對相反的運(yùn)動最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動，空間電荷區(qū)的厚度固定不變?？臻g電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙多子（P區(qū)中的空穴、N區(qū)中的電子）的擴(kuò)散運(yùn)動。P區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（都是少子）數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流很小?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場推動少子（P區(qū)中的電子、N區(qū)中的空穴）的漂移運(yùn)動。歸納1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負(fù)

外電場IFPN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–多子在外電場作用下定向移動，形成較大的正向電流。PN結(jié)加正向電壓時，正向電阻較小，處于導(dǎo)通狀態(tài)。低阻態(tài)

二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）P接負(fù)、N接正少子在外電場作用下定向移動，形成很小的反向電流。PN結(jié)加反向電壓時，反向電阻較大，處于截止?fàn)顟B(tài)。溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+外電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－IR高阻態(tài)

PN結(jié)的單向?qū)щ娦哉蛱匦苑聪蛱匦詺w納◆◆P（+），N（-），外電場削弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，I正大；I的大小與外加電壓有關(guān)；P（-），N（+），外電場增強(qiáng)內(nèi)電場，結(jié)不通，I反很??；I反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；PN結(jié)呈現(xiàn)低電阻，稱為“正向?qū)ā盤N結(jié)呈現(xiàn)高電阻，稱為“反向截止”擴(kuò)散運(yùn)動>漂移運(yùn)動擴(kuò)散運(yùn)動<漂移運(yùn)動8.3半導(dǎo)體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8.3.1.基本結(jié)構(gòu)（一個PN結(jié)+引線+封裝=二極管

）(a)點(diǎn)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，用于低頻的整流電路。用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于大功率整流管和數(shù)字電路的開關(guān)管。(c)平面型陰極引線陽極引線二氧化硅保護(hù)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(diǎn)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)面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號DUI死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.8V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓UBR正向特性：EDI反向特性：EDI反U<死區(qū)電壓，不通；U>死區(qū)電壓，導(dǎo)通UII反很小，與溫度有關(guān)；U擊穿電壓，擊穿導(dǎo)通UIU（BR）=幾十伏8.3.2.伏安特性uiU(BR)0UonIS20℃開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓材料開啟電壓導(dǎo)通電壓反向飽和電流硅Si0.5V0.6~0.8V(計(jì)算時取0.7V）1μA以下鍺Ge0.1V0.2~0.3V（計(jì)算時取0.2V）幾十μA8.3.2.伏安特性8.3.3.理想伏安特性理想伏安特性曲線vDiD在許多情況下，可以忽略二極管的正向壓降和反向飽和電流。這時二極管就是一個理想開關(guān)。uiU(BR)0UonIS20℃開啟電壓反向飽和電流擊穿電壓8.3.4.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?，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。二極管經(jīng)常應(yīng)用于以下場合：（1）整流。（2）限幅。（4）邏輯（二極管邏輯）。（3）檢波。8.3.5.二極管的應(yīng)用及電路分析1、二極管的應(yīng)用2、二極管電路分析定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)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(fù)。若V陽>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通若V陽<V陰或UD為負(fù)，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(dāng)于斷開。【例8.3.1】圖8.3.3所示電路中，ui=10sin314tV，E=5V，當(dāng)1、2端開路時，畫出uD、uR、uo的波形圖。

解

圖8.3.4ui、uR、uD、uo的波形圖【例8.3.2】圖8.3.5所示電路中，試求下列幾種情況下輸出端Y的電位Vo及各元件中的電流:(1)VA=+6V，VB=+4V;(2)VA=+6V，VB=+5.5V。設(shè)二極管為理想二極管。圖8.3.5例8.3.2的電路

解電路中二極管VDA、VDB的陰極接在一起，如果兩個二極管的陽極電位都高于陰極電位，則陽極電位高的管子搶先導(dǎo)通，然后再判斷另一個管子是否導(dǎo)通。(1)當(dāng)VA>VB時，VDA搶先導(dǎo)通，如果VDB不導(dǎo)通，則R1、VDA、R3串聯(lián)，由于Vo>VB，VDB的陽極電位低于陰極電位，假設(shè)是正確的，因此(2)當(dāng)VA>VB時，VDA搶先導(dǎo)通，如果VDB不導(dǎo)通，則Vo=4.8V，但現(xiàn)在VDB=5.5V，所以可以認(rèn)為VDA、VDB均導(dǎo)通，則此時VB>Vo，與假設(shè)吻合，說明VDB也導(dǎo)通。這時有:

8.4穩(wěn)壓二極管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?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=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管運(yùn)用在反向擊穿區(qū)，二極管運(yùn)用在正向區(qū)；穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡?！纠?.4.1】圖8.4.3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？

圖8.4.3例8.4.1圖IZ<IZM，電阻值合適。解8.5晶體管8.5.1、基本結(jié)構(gòu)8.5.2、工作原理8.5.3、特性曲線8.5.4、主要參數(shù)由兩個PN結(jié)構(gòu)成的具有電流放大作用和開關(guān)作用的半導(dǎo)體器件1.晶體管的分類頻率：高頻管、低頻管功率：小、中、大功率管材料：硅管、鍺管結(jié)構(gòu)：平面型、合金型類型：NPN型、PNP型8.5.1基本結(jié)構(gòu)2、基本結(jié)構(gòu)NPN型BEC基極發(fā)射極集電極NNPPNP型PPNBEC發(fā)射極集電極基極由兩個PN結(jié)組成基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：尺寸面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BEC基極發(fā)射極集電極NNP發(fā)射結(jié)集電結(jié)三個區(qū)、三個極、兩個結(jié)8.5.2晶體管的工作原理一、放大狀態(tài)1.三極管放大的內(nèi)部條件（1）發(fā)射區(qū)高摻雜(故管子e、c極不能互換)（2）基區(qū)很薄(幾個m)

2.三極管放大的外部條件發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏VC>VB>VEVC<VB<VEB（P）C（N）IBIEICNPN型三極管E（N）IBIEICPNP型三極管C（P）B（N）E（P）共發(fā)射極接法放大電路BECNNPEBRBECRC放大的外部條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏EB保證發(fā)射結(jié)正偏，EC>EB保證集電結(jié)反偏。晶體管內(nèi)部載流子的運(yùn)動及電流分配1.發(fā)射極加正向電壓，擴(kuò)散運(yùn)動形成擴(kuò)散電流IE（發(fā)射載流子）2.擴(kuò)散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運(yùn)動形成復(fù)合電流IBE3.集電結(jié)加反向電壓，推動基區(qū)電子向集電區(qū)漂移，形成漂移電流ICE（收集載流子）4.集電結(jié)的反向電流ICBO(少子漂移）反向飽和電流ICBO大小極小大EBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE發(fā)射極電流IE基極電流IB=IBE-ICBO集電極電流IC=ICE+ICBOEBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE晶體管的電流放大系數(shù)定義：結(jié)論：且與晶體管的結(jié)構(gòu)有關(guān)很小的基極電流IB，就可以控制較大的集電極電流IC，從而實(shí)現(xiàn)了放大作用。8.5.3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(yùn)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(jì)性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線8.5.3、晶體管的共射特性曲線測試線路：輸入特性：輸出特性：共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端當(dāng)UCE為常數(shù)時發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極電流IB的關(guān)系；當(dāng)IB為常數(shù)時集電極電流IC與管壓降UCE的關(guān)系。ICmAAVVUCEUBERBIBECEBRC1.輸入特性特點(diǎn):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:

UBE0.6~0.7VNPN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。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置

集電結(jié)反向偏置IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0

。條件：發(fā)射結(jié)反向偏置、集電結(jié)反向偏置飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)UCEUBE時，飽和狀態(tài)。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置

集電結(jié)正向偏置

特性歸納輸入特性同二極管的正向特性UBEIB輸出特性一組曲線（一個IB對應(yīng)一條曲線）UBE>0，UCE>UBE發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏I(xiàn)C=IB電流放大作用UBE<0，IB0

發(fā)射結(jié)反偏,集電結(jié)反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB，IC

UCC/RC

發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏無電流放大作用放大區(qū)截止區(qū)飽和區(qū)8.5.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)有，直流電流放大系數(shù)：交流電流放大系數(shù)：當(dāng)晶體管接成共發(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(jì)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ICEO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。2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)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(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允