半导体二极管和三极管.doc

第10章 半导体二极管和三极管10.1 半导体的导电特性一、本征半导体1什么是半导体导体：铜、银、铝等一些容易传导电流的物质。绝缘体：几乎不传导电流的物质。如橡胶、陶瓷、塑料等。半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。常用硅（Si）锗(Ge)。半导体的独特性质有热敏性，光敏性，杂敏性。2本征半导体的导电特性本征半导体：完全纯净的并具有晶体结构的半导体。（1）原子结构及共价键硅和锗都是四价元素，以硅为例， 最外层有四个电子（价电子）当把硅制成晶体时，物质的原子就按一定的规则整齐的排列着，原子间靠的很近，距离都相等，每个原子的四个价电子就和相邻原子的价电子联系起来，结合起来形成一种共价键结构。这时每个硅原子通过四对共价键受到相邻四个硅原子的束缚。所以此结构是非常稳定的。T=0K时 半导体=绝缘体（2）半导体中的载流子载流子：运载电荷的粒子（物质的导电性就取决于它的多少）在常温下，由于受到热激发便出现了自由电子载流子，同时也出现了空穴载流子，这是区别于导体的重要特征。结论：半导体中有两种载流子：自由电子（）；空穴（+）；两种载流子成对出现。（3）半导体中的电流在外加电场的作用下：自由电子向正极运动 电子电流。空穴向负极运动（实质是共有电子填补穴） 空穴电流。故：常温下，在本征半导体中出现了载流子，所以它可以导电，但其导电能力很弱也不好控制。二、杂质半导体1N型半导体在四价硅中掺入五价磷（P） 产生大量自由电子，我们就称它为电子型半导体，简称N型半导体。此时整个共价键的结构不变，只是某些硅被磷所代替，磷和硅组成共价键后多余的电子在常温下即可成为自由电子，从而使这种半导体中的电子大大增加所以在N型半导体中：电子为多数载流子，空穴为少数载流子2 P型半导体在四价硅中掺入三价硼（B） 产生大量空穴，我们就称它为空穴型半导体，简称P型半导体。所以在P型半导体中：空穴为多数载流子，电子为少数载流子单独的P型半导体或N型半导体接入电路中只能当电阻用，意义不大，若将P、N结合起来，便可形成PN结。10.2 PN结一、 PN结的形成1由于多子向对方区域扩散形成空间电荷区产生内电场。2内电场的作用：对多数载流子的扩散起阻挡作用。 使少数载流子产生漂移运动。 3当扩散与漂移达到动态平衡时PN结就形成了。（平衡PN结）二、PN结的单向导电性：1. 外加正向电压（正向偏置）正向偏置：P接正，N接负。在U作用下，空穴向右运动，电子向左运动，它们会中和一部分空间电荷。结果：PN结宽度变窄，所呈现的电阻R很小，I很大，称PN结导通。2 外加反向电压（反向偏置）反向偏置：P接负，N接正。 结果：PN结宽度变宽，所呈现的电阻R很大，I0 但少数载流子会形成很小的反向电流。结论：PN结具有单向导电性：正偏导通，反偏截止。10.3 半导体二极管一、 二极管的结构与符号PN结加外壳及引线半导体二极管按结构不同可分为：点触型：电流小，但高频特性好。适用于高频场合。面接触型：电流大，但高频特性差。适用于整流等大电流场合。二、 二极管的伏安特性1. 数学表达式： iD = Is(e uD/UT 1) 其中：Is为反向饱和电流， UT为温度的电压当量，常温下为26mv 2.特性曲线3. 特点正向：二极管导通所需要的最小电压称为导通电压，也称为死区电压。硅管大约为0.5伏，锗管大约为0.1伏。显然硅的Uon锗的Uon当U正Uon时，正向电流大大增加，二极管导通（但iD 与 uD不成比例），二极管导通后uD 基本不变称为正向压降。硅管大约为0.6-0.8V，取0.7V，锗管大约为0.1-.03取0.2V。 反向：加反向电压时会有很小的反向电流且基本不变称为反向饱和电流Is = f(T)。硅的Is锗的Is。但当反向电压很大使得u反 UBR （反向击穿电压）I反 反向击穿。说明：a) 单向导电性（理想时uD0 iD 0 ）b）非线性三、 二极管的主要参数1最大整流电流IF2最大反向工作电压URM = 1/2UBR3反向电流IR（IS）4二极管的结电容CJ正偏时为扩散电容CD，反偏时为势垒电容CT1.5 半导体三极管 半导体三极管根据其结构及工作原理不同可分为双极型和单极型两种，双极型三极管简称为半导体三极管、三极管、晶体管等。一、 工作原理1. 结构与符号：三极管由三块半导体两个PN结构成。(1) 各极的作用（NPN） E：用以发射电子以形成管内电流。 B：在中间起着控制电流的作用。C：用来收集发射极发射的电子。(2)两点说明l C、E不对称一般不能互换。l 基区很薄，掺杂少（载流子少）。2.电流放大原理(1)三极管内载流子的运动规律（NPN）a. 工作条件 发射结正偏，集电结反偏。b. 载流子的传输过程发射区向基区发射电子 IE电子在基区的扩散与复合 IB发射电子被集电极收集 IC（2）电流分配IE = IB + IC 符合KVL（3）电流放大作用例 IB 从0.02 0.03 .IB = 0.01IC 从1.98 3.07 IC = 1.09IC .IB 为三极管的电流放大作用，实质为电流控制作用，故三极管为电流控制元件。 为三极管的共发射极电流放大系数。二、 三极管的特性曲线（共发射极）及主要参数当一个三极管构成放大电路时，可看成一个四端网络，故必须将某一个电极作为输入和输出的公共电极。三种基本组态：共发射极放大电路、共集电极放大电路、共基极放大电路。（一）三极管的伏安特性曲线1. 输入特性：定义:iB=f （uBE）uCE = 常数特性曲线：特点：(1) 与二极管正向特性相似。(2) uCE 0 V 曲线右移（同一uBE ，iB）uCE 1V后曲线基本重合。(3) uBE（ON） = 约0.5V （硅）= 约0.1V （锗）uBE（ 正向压降）= 约0.7V （硅） = 约0.2V （锗）2. 输出特性:定义: ic = f (uCE) iB = 常数特性曲线: 令 iB = 0A ic = f (uCE) 第一根 再令 iB =20A ic = f (uCE) 第二根 特点：（1）iB = 0 ic 0 ic = ICE0 穿透电流ICE0 是不受iB控制的，是ic中的失控部分。（2）取一根曲线（iB =40A）讨论：uCE = 0 ic = 0 ；uCE iB 当uCE 1V后，uCE iB基本不变恒流特性。（3）取两根曲线（iB =40、60A）讨论： iB ic IC .IB 电流放大 uCE = 10V时，IC /.IB = 1mA / 20A = 50（4）三极管的三个工作区域a. 放大区：曲线平坦等距的区域 特点：IC = .IB具有电流放大作用 条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置b. 截止区：iB = 0曲线与横轴包围的区域特点：iB = 0 ic 0 无放大作用 条件：发射结反向偏置，集电结反向偏置c. 饱和区：曲线直线上升和弯曲部分特点：uCE uBE iB ic基本不变，无放大作用。 条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置。（二） 三极管的主要参数1电流放大系数（1）共发射极电流放大系数交流 直流 IC =IB 若要考虑ICE0 ， IC =IB + ICE0 当工作于放大区时, 且为常数，因此工程上一般不以区分，小功率管 = 10200（2）共基极电流放大系数交流 （0.95 0.99） 直流 = IC =IE + ICB0 ， 2极间反向电流（1）集电结反向电流ICB0定义：E开路CB反向电流数量：硅1A ； 锗约为几十微安；特点： ICB0 = f（T）反映器件的温度稳定性（2）穿透电流ICE0 定义：B开路CE的反向电流数量：硅几十微安；锗几百微安；特点：ICE0 =（1+）ICB03 极限参数（1）集电极最大允许电流ICM iC ICM 管子会烧毁（2）反向击穿电压U（BR）CE0等若uCE U（BR）CE0 集电结反向击穿（3）集电极最大允许功率损耗PCMPCM = iC uCE 若PC PCM 集电结被烧毁4温度对三极管参数的影响（ICB0 uBE）（1）T ICB0 规律：T每增加10，ICB0约增加一倍。（2）T 规