第 9 章半导体二极管和三极管

1、第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 9.2 半导体二极管半导体二极管 9.3 稳压管稳压管 9.4 半导体三极管半导体三极管 9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 退出退出 9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 共价健共价健 Si Si Si Si 价电子价电子 Si Si Si Si 价电子价电子 这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。 空穴空穴 自由电子自由电子 Si Si Si Si p+ 多余多余 电子电子 磷原子磷原子 在常温下即可变在常温下即可变 为自由电子为自由电子 失去一个电失去一个电 子变为正离子变为正离 子子 Si Si Si Si B

2、硼原子硼原子 空穴空穴 多子的扩散运动多子的扩散运动 内电场内电场 少子的漂移运动少子的漂移运动 浓度差浓度差 空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半型半 导体区域和导体区域和 N 型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成 了一个特殊的薄层，称为了一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。 PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电

3、场外电场 IF 内电场内电场 PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 内电场被加内电场被加 强，少子的漂强，少子的漂 移加强，由于移加强，由于 少子数量很少，少子数量很少， 形成很小的反形成很小的反 向电流。向电流。IR + 9.2 半导体二极管半导体二极管 9.2.1 基本结构基本结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极 管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。 点接触型点接触型 表示符号表示符号 正极正极 负极负极 金锑合金金锑合金 面接触型面

4、接触型 N型锗型锗 正极引线正极引线 负极引线负极引线 PN 结结 底座底座 铝合金小球铝合金小球 引线引线 触丝触丝 N 型锗型锗 外壳外壳 反向击穿反向击穿 电压电压U(BR) 反向特性反向特性 U I P N + P N + 在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电 压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为 击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向 击穿电压击穿电压 U(BR)。 9.2.3 主要参数主要参

5、数 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管 的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URWM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是 反向击穿反向击穿电压的一半或三分之二。电压的一半或三分之二。 3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 例例 1 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA = + 3

6、 V， VB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。 。 解解 因为因为 VA 高于高于VB ，所以，所以 DA 优先导通。如果二极管的正向优先导通。如果二极管的正向 压降是压降是 0.3 V，则，则 VY = + 2.7 V。 当当 DA 导通后导通后, DB 因反偏而截止。因反偏而截止。 在这里，在这里，DA 起钳位作用，起钳位作用， 将输出端电位钳制在将输出端电位钳制在 + 2.7 V。 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。 它可用与它可用与整流、检波、限幅、元件保护整流、

7、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为以及在数字电路中作为 开关元件开关元件。 DA 12V Y VA VB DB R 返回返回 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态 导通导通 截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的， 例例1： D 6V 12V 3k B A UAB + 例例2: mA4 3 12 2D I B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + V sin18 i tu t 用以前的限 幅flash 下一节下一节上一页上一页下一页下一页返返 回回上一节上一节 补充例题补充例题 当当Us 分别为分别为 2 V、4 V，而，而 ui 分别为分别为3

8、V、 3 V 时，试画出时，试画出 uo 的波形。的波形。tsin 半导体二极管图片 1.二极管的测量二极管的测量 通常使用万用表欧姆档，黑表笔对应管脚为正极，通常使用万用表欧姆档，黑表笔对应管脚为正极， 红表笔为负极。红表笔为负极。 （1）两次测量正反向电阻相差最大，质量最好； （2）两次测量正反向电阻接近或相等，失效； （3）两次测量正反向电阻无穷大，断路； （4）两次测量正反向电阻等于零，短路； UZ IZ IZM UZ IZ _ + U I O 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表 示符号如下图所示。示符号如下图所示。 Z Z Z

9、I U r 例例 1 图中通过稳压管的电流图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？等于多少？R 是是 限流电阻，其值是否合适？限流电阻，其值是否合适？ IZ DZ +20 R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mA IZ 例例 1 的图的图 IZ VBVE PNP型型: VCVBVE mA A V V mA IC EC IB IE RB + UBE + UCE EB C E B 3DG100 晶体管电流放大的实验电路晶体管电流放大的实验电路 IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95

10、 IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据 结论：结论：( (1) ) BCE III 符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律 ( (2) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得大得多。从第三列和第四列的数据可得 , 5 .37 04. 0 50. 1 B C I I 3 .38 06. 0 30. 2 B C I I 这就是晶体管的电流放大作用。这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态称为共发射极静态 电流电流( (直流直流) )放大系数。电流放大作用还体现在放大系数。电流放大作用还体现在基极

11、电流的基极电流的 少量变化少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化可以引起集电极电流较大的变化 IC 。 40 02. 0 80. 0 04. 006. 0 50. 130. 2 B C I I 式中，式中， 称为称为动态电流动态电流( (交流交流) )放大系数放大系数 + UBE IC IE IB C T E B + UCE + UBE IB IE IC C T E B + UCE ( (3) )当当 IB = 0( (将基极开路将基极开路) )时，时，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0 UBC VB VE 对于对于 PNP 型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0 UCB

12、0 即即 VC VB 0, UBC UBE。 IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 对对NPN型硅管，当型硅管，当 UBE0.5V时时, 即已即已 开始截止开始截止, 为使晶体为使晶体 管可靠截止管可靠截止 , 常使常使 UBE 0。截止时截止时, 集集 电结也处于反向偏电结也处于反向偏 置置( (UBC 0),),此时此时, IC 0, UCE UCC 。 IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。的曲线以下的区域称为截止区。 IB = 0 时时, IC = ICEO( (很小很小) )。(

13、ICEO IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 IC UCC/RC 。 当当 UCE 0) )， 晶体管工作于饱和状态。晶体管工作于饱和状态。 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一，发射极与集电极之间如同一 个开关的接通，其间电阻很小；个开关的接通，其间电阻很小； 当晶体管截止时，当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个，发射极与集电极之间如同一个 开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放

14、大作用 外，还有开关作用。外，还有开关作用。 晶体管的三种工作状态如下图所示晶体管的三种工作状态如下图所示 + UBE 0 IC IB + UCE ( (a) )放大放大 UBC 0 + IC 0 IB = 0 + UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0 IB + UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0 + C CC C R U I 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止开始截止 可靠截止可靠截止 硅管硅管( (NPN) ) 锗管锗管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.

15、6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1 晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值 9.4.4 主要参数主要参数 1. 电流放大系数电流放大系数 ， 当晶体管接成共发射极电路时，在静态当晶体管接成共发射极电路时，在静态( (无输入信号无输入信号) )时集时集 电极电流与基极电流的比值称为电极电流与基极电流的比值称为静态电流静态电流( (直流直流) )放大放大系数系数 B C I I 当晶体管工作在动态当晶体管工作在动态( (有输入信号有输入信号) )时，基极电流的变化时，基极电流的变化 量为量为 IB ，它引起集电极电流的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与与

16、 IB 的比值称为的比值称为动态电流动态电流( (交流交流) )放大系数放大系数 B C I I 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下较小的情况下, 可近似认为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。 2. 集集基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。 3. 集集射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路是当基极开路( (IB = 0) )时的集电极电流，也称为穿透时的集电极电流，也称为穿透 电流，其值越小

17、越好。电流，其值越小越好。 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 。 5. 集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压， 称为集称为集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 。 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电当晶体管因受热而引起的参数变化不超过

18、允许值时，集电 极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。 IC ICM U(BR)CEO UCE PCM O ICEO 安安 全全 工工 作作 区区 由由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确定晶体管三者共同确定晶体管 的安全工作区。的安全工作区。 返回返回 半导体三极管图片半导体三极管图片 【课堂练习课堂练习1】 用直流电压表测某电路三只晶体管的三用直流电压表测某电路三只晶体管的三 个电极个电极 对地的电压分别如图所示。试指出每只晶体管对地的电压分别如图所示。试指出每只晶体管 的的C、B、E极。极。 T1管：NPN硅管为C极，为B极，为E极。 T2管： NPN硅管为B极，为E极，为C极。 T3管： PNP