第9章半导体二极管、三极管

电子技术,集成器件（模拟、数字）,模拟电子技术、数字电子技术,电子电路：,模拟电路：放大电路（运算、功率放大）、电源电路,数字电路：组合逻辑电路、数字逻辑电路,电子器件：分立器件（二极管、三极管、场效应管）,第9章半导体二极管和三极管,9.2半导体二极管,9.3稳压管,9.4半导体三极管,第9章目录,9.1半导体的导电特性,PN结-单向导电性,半导体二极管单向开关,半导体三极管电流放大开关,第9章目录,分立器件：,第9章9.1,9.1半导体的导电特性9.1.1本征半导体,一、导体、绝缘体、半导体,导体：外层电子受原子核的束缚力很小，有大量电子能挣脱原子核的束缚力而成为自由电子。它们在外电场作用下作定向运动，从而形成电流，导电性很好。,绝缘体：外层电子受原子核的束缚力很大，很不容易挣脱出来，因此形成自由电子的机会很小。导电力差。,半导体：外层电子不像导体那样容易挣脱，也不像绝缘体那样束缚得很紧，所以导电性介于两者之间。,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,纯净的没有结构缺陷的半导体单晶体本征半导体它是共价键结构。,图9.1.1本征半导体的共价键结构,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,第9章9.1,二、本征半导体的晶体结构和共价键,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,图9.1.2本征半导体中的自由电子和空穴,成对出现,成对消失,第9章9.1,三、本征半导体中的两种载流子,热激发两种载流子电子空穴对,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。,价电子填补空穴,第9章9.1,第9章9.1,四、本征半导体中载流子的浓度,在一定温度条件下，实现相对平衡，这时产生与复合的过程虽然仍在不断进行，但电子-空穴对却保持一定的数目。,当温度上升时，由于获得的能量的增加，产生的电子空穴对将随之增加，因此半导体的温度特性不好！,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,9.1.2杂质半导体,一.N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体电子导电。多子电子少子空穴施主原子,多余价电子,第9章9.1,图9.1.3N型半导体,N型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,第9章9.1,因此，N型半导体也被称为电子半导体。,在室温下，几乎所有的杂质原子都被电离为带正电的杂质离子和带负电的自由电子。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,二.P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。,+4,第9章9.1,图9.9.4P型半导体,P型半导体结构示意图导电基本上以空穴导电为主，因此，又被称为空穴半导体。,第9章9.1,一、PN结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。扩散空间电荷区漂移动态平衡PN结。,9.1.3PN结,第9章9.1,图9.1.5PN结的形成(a)P区与N区中载流子的扩散运动,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,第9章9.1,内电场方向,R,二、PN结的单向导电性,P区,N区,扩散运动增强，形成较大的正向电流,1.外加正向电压,第9章9.1,图9.1.6PN结加正向电压时导通,P区,N区,内电场方向,R,2.外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,第9章9.1,图9.1.7PN结加反向电压时截止,第9章9.1,总结：PN结的P区接电源的正极，N区接负极时，PN结处于正向导通（正向偏置）：正向电流由多数载流子扩散形成，电流数值很大；一旦正向电压稍有改变，电流变化较大；因此表现出的正向动态等效电阻极小！PN结的N区接电源的正极，P区接负极时，PN结处于反向截止（反向偏置）：反向电流由本征激发的少数载流子漂移组成，电流数值较小；一旦环境温度不变，少数载流子浓度不变且与反向电压无关，因此反向电流具有饱和特性；其动态反向电阻极大；,正向电阻极小，反向电阻极大PN结的单向导电性,三、PN结的伏安特性,第9章9.1,i/mA,u/V,温度对反向电流的影响：,T，少子，IS。,图9.1.10PN结的伏安特性,正向特性,反向特性,PN结宽度及电位差Uho为恒定值。硅：0.60.8V；锗：0.20.3V,二极管:PN结+引线,二极管的符号,阳极,A,负极,9.2半导体二极管,正极,阴极,K,D,作用：整流、检波、限幅稳压、保护,特性：单向导电性,点接触型二极管,9.2.1二极管的结构和符号,二极管的符号,阳极,负极,9.2半导体二极管,正极,阴极,D，VD,600,400,200,0.1,0.2,0,0.4,0.8,50,100,I/mA,U/V,正向特性,反向击穿特性,硅管的伏安特性,1.2.2二极管的伏安特性,开启电压Uon（死区电压）:使二极管开始正向导通的电压。,室温下，硅管Uon=0.5V；锗管Uon=0.1V。,导通电压：硅0.60.8V锗0.20.3V,用万用表判断二极管的管脚极性和材料：,判别正、负极二极管的正向电阻很小，反向电阻极大。2.鉴别质量好坏如用万用表测其两端的正反电阻无太大差别，该二极管就是坏的。3.判别材料用数字表的“二极管”档（通断档）测其正向导通电压如显示：25为0.2v0.5v，锗管；68为0.6v0.8v，硅管；,9.2.3二极管的主要参数,最大整流电流IOM：长时间工作、允许流过的最大正向平均电流。,反向工作峰值电压URM：约为击穿电压的一半到三分之一。,反向峰值电流IRM：二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解：DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、钳位、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,D,E3V,R,ui,uo,uR,uD,例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。,t,t,ui/V,uo/V,6,0,0,2,ui=?D导通，uo=？ui=?D截止，uo=？,分析方法提示,9.3稳压管,IF,UF,0,伏安特性,稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。,稳压管工作在反向击穿区,稳压二极管必须和限流电阻配合才能输出相对稳定的电压Uo！,稳压原理：,0,稳压管的主要参数,2.最小稳定电流Imin,3.最大稳定电流IZmax,4.动态电阻RZ,IZ,UZ,5.电压温度系数VZT,6.最大允许耗散功率PM,IF,UF,Imin,IZmax,稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，但差异在于它的反向特性很陡。,9.4半导体三极管,三个区（N、P、N或P、N、P）引出三个极两个PN结电流放大开关,三极管在电路中的作用：,1、放大作用,2、开关作用,1.NPN型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构分类和符号,P,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2.PNP型三极管,三极管结构的特点：,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,P,1.基区很薄、掺杂浓度低,2.发射区掺杂浓度大,3.集电区体积大、掺杂浓度低,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,9.4.2电流分配和放大原理,三极管具有电流放大作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:UBE0UBCVBVE,对于PNP型三极管应满足:UEB0UCB0即VCIB,同样有:ICIBIC=IB,所以说三极管具有电流分配作用,也称之为电流放大作用。,IE=IC+IB,IC=IB,晶体管的放大作用,含义：（1）放大的对象通常是变化量（交流信号）；（2）对能量的控制，即用较小的能量去控制较大的能量。,UCE1V,三极管的输入特性发射结的伏安特性,9.4.3三极管的特性曲线,IB=40A,IB=60A,IB=20A,2.三极管的输出特性,iC的大小受iB控制，同时，在IB保持不变的情况下，iC的数值随uCE的增大略有增大。,iC/mA,uCE/V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB=0A,20A,40A,60A,80A,饱和区,（2）截止区：IB0的区域，两结反偏。严格说，IE=0,即ICICBO的区域，管子基本不导电。,（1）放大区：发射结正偏，集电极反偏。特性曲线的平坦部分。满足有电流控制作用。,（3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴的区域。IB增加，IC不再增加，不受IB的控制，IC只随UCE增加而增加。,三极管的三种状态,1、放大状态：,2、截止状态：,3、饱和状态：,例题1：如测得某三极管正常放大时的三个极的电位值依次为：2.5V、1.8V、6.4V，则其对应的管脚极性依次为，该三极管为型三极管，半导体材料为。,解题思路：判断管脚：放大状态下，B极电位居中；E极电位接近B极；C极电位远离B、E极。判断类型：如C极电位最高，则是NPN型；如C极电位最低，则是PNP型。判断材料：为0.60.8V，是硅材料；如为0.20.3V,是锗材料。,NPN,硅,9.4.4三极管的主要参数,1.电流放大系数,(1)直流电流放大系数,(2)交流电流放大系数,2.穿透电流ICEO,3.集电极最大允许电流ICM,4.集-射反向击穿电压U(BR)CEO,5.集电极最大允许耗散功率PCM,例题2：已知某三极管的Ib=5020A，Ic=2018mA。则该三极管的=，。,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求,设UCE=6V,IB由40A加为60A。,IC/mA,UCE/V,IB=40A,6,0,IB=0A,20A,40A,60A,80A,由三极管的极限参数确定安全工作区,第9章9.4,IC/mA,UCE/V,ICEO,第9章复习,一、基本概念（用最精炼的语言概括）,第9章自我检查复习,本征半导体；共价键；载流子；杂质半导体；PN结；导通和截止；死区；电流静、动态放大系数；三极管的截止、放大和饱和；,二、基本要求（用最精炼的语言概括）,1、掌握半导体的特性；2、掌握PN结单向导电性的原理；3、熟练应用二极管和三极管的特性曲线分析工作转态和趋势；4、掌握稳压管的工作原理；5、掌握二极管和三极管的重要参数的含义；,1、半导体导电电流与金属导电的本质区别在于：金属导电电流由自由电子构成，而半导体的导电电流中除了有自由电子电流外，还有电流。2、通常锗管的正向导通压降为；硅管的正向导通电压为；3、已知某三极管的Ib=5020A，Ic=2018mA。则该三极管的=。4、测得某电路中的某三极管的三只管脚a、b、c的电位值分别为1V、1.3V和8V。则该三极管的材料为，管脚的极性分别依次为，且该三极管的类型为。5、N型半导体中的多数载流子为，P型半导体中的多数载流子为。6、向本征半导体中渗入杂质的主要目的在于提高半导体的导电能力。（）7、半导体元件的温度特性差，其主要原因是当温度上升时，半导体容易被烧坏。（）8、三极管的极限参数表明了三极管的使用限制。（）9、三极管的ICEO越小越好。（）,选择题1、三极管三个C、B、E区的掺杂特点是。A：C区的掺杂浓度最大，E区的掺杂浓最低；B：E区的掺杂浓度最大，B区的掺杂浓最低；C：B区的掺杂浓度最大，C区的掺杂浓最低；2、在半导体材料中，说法正确的是。A：P型半导体中的多数载流子是空穴，所以它带正电。B：P型半导体中的多数载流子是自由电子，所以它带负电。C：P型半导体中的多数载流子是空穴，但它不带电。3、一个NPN管在电路中正常工作，现测得其UBE0、UBC0、UCE0，则此管工作在。A：饱和区B：放大区C：截止区4、稳压二极管稳压时，工作在区。A：正向导通；B：反向饱和；C：反向击穿,5、测得三极管三个脚的电位分别为：6v、5.7v、-6v，则三极管的管脚极性依次为。A：E、B、C；B：B、E、C；C：C、B、E；6、电路如图所示，设DZ1的稳定电压为5v，DZ2的稳定电压是7v，在正