电工学08第十五章半导体二极管和三极管

第十五章半导体二极管和三极管,151半导体的导电特性152PN结153半导体二极管154稳压管155半导体三极管,151半导体的导电特性,一、导体、半导体和绝缘体,1、很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,2、有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,3、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,（导体）,半导体,载流子密度（浓度）举例：,一种物质的导电性能取决于它的载流子密度（浓度）。,由于半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。,例如，当受外界热和光的作用时，它的导电能力将明显变化热激发。,又例如，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的载流子数量大大的增加，半导体的导电能力也大大的改变掺杂。而掺杂可大大增加导电率正是半导体能制成各种电子器件的基础。,（1）通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,（2）完全纯净的（单一元素组成的）、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,（3）在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,二、本征半导体,1。要点：,2。硅和锗的共价键结构,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。,共价键共用电子对,3。本征半导体的导电机理,在绝对零度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0。,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴都可以参与导电，通称载流子。,本征半导体的导电机理,自由电子在外电场的作用下，在晶格点阵中定向运动，形成电子电流。,空穴导电：空穴吸引邻近价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为空穴是呈正电性的载流子，其定向运动的方向与自由电子相反，所形成的电流称为空穴电流。,2、自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断相遇“复合”。,3、在一定温度下，电子空穴对的产生和复合达到动态平衡，于是半导体中的载流子数目便维持一定。,1、半导体有两种载流子：自由电子和空穴,本征半导体的特点：,4、温度愈高，半导体的载流子愈多，导电性能也愈好。,例如，掺杂浓度为百万分之一，则载流子浓度约为：电阻率为：,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,可见，掺杂大大提高了半导体的导电能力，同时也导致杂质半导体的产生！,三、N型半导体和P型半导体,（1）掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。（2）自由电子浓度远大于空穴浓度。,1、N型半导体,多余电子,磷原子,特点：,少数载流子（少子）空穴,空穴,硼原子,2、P型半导体,（1）掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度。（2）空穴浓度远大于自由电子浓度。多数载流子（多子）空穴,特点：,结论,1、P型半导体：本征半导体中掺入三价元素；,N型半导体：本征半导体中掺入五价元素。,3、多数载流子的数目取决于掺杂浓度，少数载流子的数目取决于温度。,4、无论P型半导体或N型半导体，就其整体而言，正负电荷平衡仍为电中性。,2、P型半导体N型半导体多数载流子空穴自由电子少数载流子电子空穴,一、PN结的形成,152PN结,空间电荷区形成内电场,1、空间电荷区（耗尽层）中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场是阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动。,3、P区的电子和N区的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流即漂移电流很小（A级）。,请注意,4、扩散与漂移达到动态平衡时即形成PN结。,二、PN结的单向导电性,PN结加上正向电压（或正向偏置）的意思是：P区加正、N区加负电压。,1、PN结正向偏置,外电场削弱内电场，空间电荷区变窄。有利于多子的扩散，形成较大正向电流，PN结呈低电阻。在一定范围内，正向电流随外电压增加而增大。,正向导通,2、PN结反向偏置,PN结加上反向电压（或反向偏置）的意思是：P区加负、N区加正电压。,外电场加强内电场，空间电荷区变宽。有利于少子的漂移，扩散很难，形成微弱反向（漂移）电流，此时PN结呈高反向电阻。电场强度一定时，反向电流只随温度变化。,反向截止,结论,PN结的单向导电性为：,PN结加正向偏置时，导通，正向电流很大，正向电阻很小；,PN结加反向偏置时，截止，反向电流很小，反向电阻很大。,一、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型,153半导体二极管,D,表示符号,二极管实际结构,二、伏安特性,死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。,导通压降:硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),三、主要参数,1.最大整流电流IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.反向击穿电压U(BR),二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是U(BR)的一半。,3.反向峰值电流IRM,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,四、二极管电路的分析方法及应用（图解法）,直流信号,大交流信号:,相当电子开关,二极管的应用主要是利用它的单向导电性来实现整流、限幅（削波）、钳位隔离等作用。,整流作用：,限幅（削波）作用：,钳位、隔离作用：,UAUB时，UFUADA将F端电位钳位在UADB将F端与输入端B隔离,UAUB时，UFUBDB将F端电位钳位在UBDA将F端与输入端A隔离,解:,在如图所示的的电路中，求输入端Y的电位VY。,DA优先导通,设管压降为0.3V，则VY=2.7v,此时，VYVB,DB反偏截止,效果钳位：VY钳在2.7v隔离：DB使B与Y隔离断开，不通。,已知ui=2Esint,试画出各电路的输出电压uo的波形。,(1)并联下限幅器,解:,ui正半周时，D截止，E断开，uoui;,ui负半周且时,D导通，输出为uo=E。,(2)并联上限幅器,(3)双向限幅（削波）器,对如图的电路，试求下列情况下输出端的电位VY及各元件中通过的电流:(1)VA=10v,VB=0;(2)VA=6v,VB=5.8v;(3)VA=VB=5v。设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无限大。,(1)VA=10v,VB=0时，,解:,DB反向截止！,(2)VA=6v,VB=5.8v时，,VYVB，DA优先导通,进一步可求出IR、IA、IB如下：,VA=VB=5v时，DA、DB同时导通，此时,VY由VA和VB共同作用，可根据结点电压法求出：,154稳压管,稳压管是一种特殊的半导体二极管。,特殊处：反向击穿电压低，反向击穿特性陡，且击穿后除去反向电压又能恢复正常。,稳压管的图形符号和文字符号,一、伏安特性及工作特点：,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,（1）在反向击穿区UZ很小,IZ很大,管子处于稳压工作状态；,（2）工作在其它区域与一般二极管性质相同。,二、稳压管的主要参数,（1）稳定电压UZ：稳压管正常工作时管两端电压。,（2）电压温度系数U（%/）：稳压值受温度变化影响的的系数。,（3）动态电阻：是衡量稳压管性能好坏的指标,rZ越小，曲线越陡，管子性能越好。,（5）最大允许耗散功率PZM,（4）稳定电流IZ：稳压管在UZ作用下的电流，是一个参考数据。每种型号的稳压管都有最大稳定电流IZM。,三、稳压管的主要应用,1、限幅作用,在限幅电路中，二极管工作在正向特性区；稳压管工作在反向击穿区。,UZ,2、稳压作用,稳压管稳压电路由限流电阻RZ与稳压管DZ构成。,当电源电压增大而引起Ui时，受其影响有Uo,Uo=UZ是DZ的反向工作电压，有UiUo=UZIZ很多IRZ=(IZ+Io)RZ很多Uo=UiIRZ基本不变（稳压!）,当电源电压不变而负载变化时，RLIoUoUZ=UoIZ很多I=(IZ+Io)基本不变Uo=UiIRZ基本不变（稳压!）,一、基本结构,NPN型,PNP型,155半导体三极管,基区：较薄，1um以下，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,发射结,集电结,三区:基区发射区集电区,三极:基极B发射极E集电极C,两结:发射结集电结,结构特点:,Ec,二、电流放大原理,EB,RB,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,多子的运动,少子的运动,ICE与IBE之比即IC与IB之比称为电流放大倍数,IB=IBE-ICBOIBE,B,E,C,IB,IE,IC,NPN型三极管,B,E,C,IB,IE,IC,PNP型三极管,三极管的表示方法,T,T,图中箭头方向代表发射结正偏时的正向电流方向！,三、特性曲线,特性曲线实验线路,（1）输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,此区域中UCE0.3VUBE,集电结、发射结均正偏，IBIC，无放大作用，称为饱和区。,（2）输出特性,此区域IC=ICEO,UBE0,UBC0，此区称为放大区或线性区。,（3）主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射极接法，相应地还有共基极、共集电极接法。,共射直流电流放大倍数：,电流放大倍数和,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,例：UCE=6V时：IB=40A,IC=1.5mA；IB=60A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,集-射极反向截止电流ICEO,B,E,C,N,N,P,因基极开路，ICBO继续向下进入发射区,形成IBEICBO,根据放大关系,由于IBE的存在,必有电流IBE=ICBO,集电结反偏，有少子漂移电流ICBO,集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC