第9章 半導體二極管、三極管

電工電子學下篇-電子技術第9章二極管和晶體管第10章基本放大電路第11章運算放大器第12章直流穩(wěn)壓電源第13章門電路和組合邏輯電路第14章觸發(fā)器和時序邏輯電路第15章模擬量和數(shù)字量轉換第9章半導體二極管、三極管9.2二極管9.3穩(wěn)壓二極管9.4半導體三極管9.1半導體的導電特性半導體基礎知識導體：自然界中很容易導電的物質(zhì)稱為導體，金屬一般都是導體。絕緣體：有的物質(zhì)幾乎不導電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半導體：導電特性處于導體和絕緣體之間。如鍺、硅等。半導體的導電能力受外界因素的影響很大：對溫度敏感摻雜半導體及其特點對光照敏感半導體的特點是由其原子結構決定的硅和鍺原子結構中最外層有四個價電子GeSi本征半導體：純凈的、結構完整的半導體晶體。9.1.1本征半導體硅本征半導體中的共價健結構

Si

Si

Si

Si常溫下本征半導體中的自由電子很少，所以本征半導體的導電能力很弱。

9.1半導體的導電特性共價健共用電子對共價鍵中的兩個電子是被束縛電子共價鍵是較穩(wěn)定結構+4+4+4+4自由電子束縛電子空穴束縛電子獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，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溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子、空穴便愈多。本征半導體中自由電子和空穴數(shù)量相等外電場方向+4+4+4+4在外電場的作用下會吸引相鄰原子的價電子來填補空穴，同時相鄰原子的共價鍵中出現(xiàn)空穴。價電子移動的結果相當于帶正電的空穴的反方向遷移自由電子和空穴是半導體中的載流子?？昭ㄊ禽d流子?本征半導體的導電機理

當半導體兩端加外電壓時，出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；

(2)溫度高，載流子數(shù)目多,半導體導電性能好。

所以，溫度對半導體器件性能影響很大。1.N型半導體9.1.2N型半導體和P型半導體摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子常溫下少量的自由電子和空穴正離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。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。

N型半導體結構示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子2.P型半導體摻入三價元素

Si

Si

Si

SiB–硼原子負離子空穴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。

P型半導體結構示意圖電子是少數(shù)載流子負離子空穴是多數(shù)載流子1、

PN結的形成多子的擴散運動內(nèi)電場促進少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體漂移使內(nèi)電場變薄擴散使內(nèi)電場變寬空間電荷區(qū)也稱PN結擴散和漂移運動最終達到動態(tài)平衡內(nèi)電場穩(wěn)定－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)9.1.3PN結及其單向?qū)щ娦詢?nèi)電場阻止多子的擴散運動2、PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄

P接正、N接負外電場IFPN結加正向電壓時，PN結變窄，多子的擴散加強,正向電流較大，PN結處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–RPN3.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負、N接正內(nèi)電場+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN結變寬

PN結加反向電壓，PN結變寬，加強少子的漂移運動由于少子數(shù)量很少，反向電流較小，可認為PN結處于截止狀態(tài)。IF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半導體二極管的結構和符號9.2

半導體二極管9.2.1二極管的結構示意圖陰極陽極(

d

)符號D9.2.2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)。9.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流

IF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.最高反向工作電壓UR二極管工作是允許外加的最大反向電壓值。超過此值時，二極管有可能因反向擊穿而損壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是擊穿電壓U（BR）的一半。PNI_U+3.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點Q附近電壓的變化與電流的變化之比：工作點Q處的直流電阻：R=UD/ID

RLuiuouiuott例1：二極管半波整流D3VRuiuouRuD

例2：下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，

ui=6sintV,E=3V,試畫出

uo波形。t

t

ui

/Vuo/V6330022–6t

6302例3：雙向限幅電路t03–3DE3VRDE3VuiuouRuD

ui

/Vuo/V例4：下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB為鍺管(導通壓降0.3V)，求輸出端Y的電位,并說明二極管的作用。解：DA優(yōu)先導通，則VY=3–0.3=2.7VDA導通后,DB因反偏而截止,起隔離作用,DA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。DA

–12VYABDBR9.3

穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZUZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓穩(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。_+UIO例：設DZ1的穩(wěn)定電壓為6V，DZ2的穩(wěn)定電壓為12V，設穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航禐?.7V，則輸出電壓UO

等于（）。(a)18V(b)6.7V(c)30V(d)12.7V作業(yè)：P263-268頁B基本題：9.2.6

9.3.3、9.3.4、N型硅BECN+P型硅基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高9.4.1半導體三極管的結構9.4半導體三極管集電區(qū)集電結基區(qū)發(fā)射結發(fā)射區(qū)

CBEN集電極C發(fā)射極E基極BNPPN1.PNP型三極管

三極管的結構分類和符號2.NPN型三極管集電區(qū)集電結基區(qū)發(fā)射結發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EPECB符號晶體管-半導體三極管頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管硅管、鍺管類型：NPN型、PNP型半導體三極管是具有電流放大功能的元件ICRBIBECEB9.4.2

三極管的電流分配和放大原理IECEB三極管電流放大的外部條件:（1）發(fā)射結正向偏置；（2）集電結反向偏置。對于NPN型三極管應:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VECEBIBECRCICIEEBRB三極管的電流放大原理EBRBIBICECRCNPIEN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子電源負極向發(fā)射區(qū)補充電子形成發(fā)射極電流IE電子在基區(qū)的擴散與復合集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICEB正極拉走電子，補充被復合的空穴，形成IB動畫CEB要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結正偏，集電結反偏。BECNNPEBRBECIBIEIC9.4.3

特性曲線UCEICUBERBIBECEB輸出回路輸入回路ICmAAVVUCEUBERBIBECEB一、輸入特性：一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。二、輸出特性:ICmAAVVUCEUBERBIBECEB二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912100AIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當UCE大于一定值時IC=IB稱：放大區(qū)（線性區(qū)）:發(fā)射結正偏；集電結反偏.IC(mA)1234UCE(V)36912UCEUBEUCE0.3VIB>IC稱：飽和區(qū)集電結正偏;發(fā)射結正偏.IB=020A40A60A80A100AIC(mA)1234UCE(V)36912UBE<0IB=0,IC=ICEO稱：截止區(qū)發(fā)射結反偏；集電結反偏.IB=020A40A60A80A100AT工作在放大區(qū)條件：發(fā)射結正偏，集電結反偏；T工作在飽和區(qū)條件：發(fā)射結正偏，集電結正偏；T工作在截止區(qū)條件：發(fā)射結反偏，集電結反偏；輸入特性輸出特性IBUCCRCICIERBUI解：UI

：-1V工作在截止狀態(tài)例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K歐，RB=10K歐，=25，輸入電壓UI分別為-1V，1V，3V時求晶體管處于何種工作狀態(tài)例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K歐，RB=10K歐，=25，輸入電壓UI分別為-1V，1V，3V時求晶體管處于何種工作狀態(tài)IBUCCRCICIERBUI解：UI

：1V工作在放大狀態(tài)IBUCCRCICIERBUI解：UI

：3V工作在飽和狀態(tài)例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K歐，RB=10K歐，=25，輸入電壓UI分別為-1V，1V，3V時求晶體管處于何種工作狀態(tài)工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。交流電流放大倍數(shù)為：共射直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)和在以后的計算中，一般作近似處理：=9.4.4主要參數(shù)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，得例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,