第8章 二极管 晶体管

1、第第8章章: 二极管、晶二极管、晶 体管和场效应管体管和场效应管 任课教师：贠素君任课教师：贠素君 办公室办公室: 物电院物电院322室室 电工电子技术电工电子技术 8.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 1、半导体基础知识、半导体基础知识 半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如例如硅硅Si、锗、锗Ge、砷化镓、砷化镓GaAs 和和一些硫化物一些硫化物、金属金属 氧化物氧化物等。等。 导导 体：体：电阻率电阻率 cm 的物质。的物质。如铜、银、如铜、银、 铝等金属材料。铝等金属材料。 4 10 绝缘体：绝缘体：电阻率电阻率 cm 物质。

2、物质。如橡胶、塑料如橡胶、塑料 、云母、陶瓷云母、陶瓷等。等。 9 10 2、半导体的导电特性：、半导体的导电特性： 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变 当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强 共价健共价健 Si Si Si Si 价电子价电子 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 自由电子自由电子空穴空穴 若若 温度温度 T ，将有，将有 少数价电子克服共价键少数价电子克服共价键 的束缚成为的束缚成为自由电子自由电子， 在原来的共价

3、键中留下在原来的共价键中留下 一个空位一个空位空穴。空穴。 T 自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本 征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力， 但很微弱。但很微弱。 空穴可看成带正电的载流子。空穴可看成带正电的载流子。 电子空穴对电子空穴对 由热激发而产生由热激发而产生 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流子载流子 ，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。 温度温度越高越高运动加剧运动加剧载流子的载流子的浓度浓度越高越高 本征半导体的本征半导体的导电能力越强导电能力越强。 本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决

4、于载流子的载流子的 浓度浓度。 归纳归纳 本征半导体中载流子的浓度很低本征半导体中载流子的浓度很低, ,导电性能很差。导电性能很差。 本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。 杂质半导体有两种杂质半导体有两种 N 型半导体型半导体(掺入掺入5价杂质元素价杂质元素) P 型半导体型半导体(掺入掺入3价杂质元素价杂质元素) 1、 N 型半导体型半导体 在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，杂质元素， 如磷、砷、锑等，即构成如磷、砷、锑等，即构成 N 型半导体型半导体( (或称电子型或称电子型 半导体半导体) )。 常用的常用

5、的 5 价杂质元素有磷、砷、锑等。价杂质元素有磷、砷、锑等。 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 自由电子浓度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电电 子称为多数载流子子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子 ( (简称少子简称少子) )。 +5 施主原子施主原子 自由电子自由电子 +4 +4 +4 +4+4 +4+4+4 +4 在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，杂质元素， 如硼、镓、铟等，即构成如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。 +3 空穴浓度多于电子空穴浓度多

6、于电子 浓度，即浓度，即 p n。空穴空穴 为多数载流子为多数载流子，电子为，电子为 少数载流子。少数载流子。 3 价杂质原子称为价杂质原子称为 受主原子。受主原子。 受主原子受主原子 空空 穴穴 2、 P 型半导体型半导体 图图 8.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构 归纳归纳 3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。 4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。 1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多

7、 数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。 2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂 浓度，少数载流子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。 杂质半导体的导电机理杂质半导体的导电机理 一、一、PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体型半导体 和和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界 面处就形成了面处就形成了PN结。结。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

8、 + + + 空间电荷区空间电荷区 N型区型区P型区型区 PN结结 漂移运动漂移运动 P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动扩散运动 内电场内电场E PN结处载流子的运动结处载流子的运动 内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移 运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空 间电荷区变薄。间电荷区变薄。 扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电 荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。 所以扩散和漂所以扩散和漂 移这一对相反移这一对相反 的运动最终达的运动最终达 到平衡，相当到平衡，相当 于两个区之间于两

9、个区之间 没有电荷运动没有电荷运动 ，空间电荷区，空间电荷区 的厚度固定不的厚度固定不 变。变。 空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。 空间电荷区中内电场空间电荷区中内电场阻碍多子阻碍多子（ P区中的区中的 空穴、空穴、N区中的电子）区中的电子） 的的扩散运动。扩散运动。 P区中的电子和区中的电子和N区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子） 数量有限，因此由它们形成的漂移电流数量有限，因此由它们形成的漂移电流 很小。很小。 空间电荷区中内电场空间电荷区中内电场推动少子推动少子（ P区中的区中的 电子、电子、N区中的空穴）区中的空穴） 的的漂移运动。漂移运动。 归纳归纳 外电场外电

10、场 IF PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性 + IR PN结的单向导电性结的单向导电性 正向特性正向特性 反向特性反向特性 归纳归纳 P（+），），N（-），外电场削弱内电场，结导通，），外电场削弱内电场，结导通，I正 正大； 大； I 的大小与外加电压有关；的大小与外加电压有关； P（-），），N（+），外电场增强内电场，结不通，），外电场增强内电场，结不通，I反 反很小； 很小； I反 反的大小与少子的数量有关，与温度有关； 的大小与少子的数量有关，与温度有关； PN结结呈现低电阻，称为呈现低电阻，

11、称为“正向导通正向导通” PN结结呈现高电阻，称为呈现高电阻，称为“反向截止反向截止 ” 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 小功率小功率 二极管二极管 大功率大功率 二极管二极管 稳压稳压 二极管二极管 发光发光 二极管二极管 + 引线引线 + 封装封装 = 二极管二极管 阴极引线阴极引线 阳极引线阳极引线 二氧化硅保护层二氧化硅保护层 P型硅型硅 N型硅型硅 ( c ) 平面型 平面型 金属触丝金属触丝 阳极引线阳极引线 N型锗片型锗片 阴极引线阴极引线 外壳外壳 ( a ) 点接触型点接触型 铝合金小球铝合金小球 N型硅型硅 阳极引线阳极引线 PN结结

12、 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线 ( b ) 面接触型面接触型 阴极阴极阳极阳极 ( d ) 符号符号 D U I 死区电压死区电压 硅管硅管 0.5V,锗管锗管0.1V。 导通压降导通压降: 硅硅 管管0.60.8V,锗锗 管管0.20.3V。 反向击穿电反向击穿电 压压UBR 正向特性：正向特性： E D I 反向特性：反向特性： E D I反 反 U死区死区 电压，导电压，导 通通UI I反 反很小，与温 很小，与温 度有关；度有关；U 击击 穿电压，击穿穿电压，击穿 导通导通UI U（ （BR）= =几十伏 几十伏 u i U(BR) 0 Uon IS 20 开启开启 电

13、压电压 反向饱反向饱 和电流和电流 击穿击穿 电压电压 材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流 硅硅Si Si0.5V0.5V0.60.8V0.60.8V ( (计算时取计算时取0.7V0.7V） 1 1A A以下以下 锗锗GeGe0.1V0.1V0.20.3V0.20.3V （计算时取（计算时取0.2V0.2V） 几十几十A A 理想伏安特性曲线理想伏安特性曲线 vD iD 在许多情况下，可以忽略二极管的正向压降和反向饱在许多情况下，可以忽略二极管的正向压降和反向饱 和电流。这时二极管就是一个理想开关。和电流。这时二极管就是一个理想开关。 u i U(BR) 0 U

14、on IS 20 开启开启 电压电压 反向饱反向饱 和电流和电流 击穿击穿 电压电压 二极管经常应用于以下场合：二极管经常应用于以下场合： （1 1）整流。）整流。 （2 2）限幅。）限幅。 （4 4）逻辑（二极管逻辑）。）逻辑（二极管逻辑）。 （3 3）检波。）检波。 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 若二极管是若二极管是理想理想的，的， 【例8.3.1】图8.3.3所示电路中，ui=10 sin314 t V， E=5 V，当1、2端开路时，画出uD、uR、uo的波形 图。 解解 图图 8.3.4 ui、uR、uD、uo的波形图的波形图 【例

15、8.3.2】图8.3.5所示电路中，试求下列几种情况下输出 端Y的电位Vo及各元件中的电流: (1) VA=+6 V，VB=+4 V; (2) VA=+6 V， VB=+5.5 V。设二极管为理想二极管。 图图 8.3.5例例8.3.2的电路的电路 解解电路中二极管VDA、VDB的阴极接在一起，如果两 个二极管的阳极电位都高于阴极电位，则阳极电位高的管子 抢先导通，然后再判断另一个管子是否导通。 (1) 当VAVB时，VDA抢先导通，如果VDB不导通，则R1、 VDA、R3串联， 由于VoVB，VDB的阳极电位低于阴极电位，假设是正 确的，因此 mA 6 . 0A 80002000 6 31

16、31 RR V II A 0 2 I V 8 . 4 o V 8 . 46 80002000 8000 13 3 0 VV RR R V A (2) 当VAVB时，VDA抢先导通，如果VDB不导通， 则Vo=4.8 V，但现在VDB=5.5 V，所以可以认为VDA、VDB均导通，则 3 o 2 oB 1 oA R V R VV R VV V 23. 5 o V 此时VBVo，与假设吻合，说明VDB也导通。这时有: mA 39. 0A 2000 23. 56 1 oA 1 R VV I mA 27. 0A 1000 23. 55 . 5 2 oB 2 R VV I mA 66. 0 213 II

17、I UZ IZ IZM UZ IZ _ + U I O Z Z ZI U r 稳压管与二极管的主要区别稳压管与二极管的主要区别 稳压管运用在反向击穿区，稳压管运用在反向击穿区， 二极管运用在正向区；二极管运用在正向区； 稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压管比二极管的反向特性更陡。 【例8.4.1】图8.4.3中，通过稳压管的电流IZ等于多少？ R是 限流电阻，其值是否合适？ mA 5A105A 106 . 1 1220 3 3 Z I 图8.4.3 例8.4.1图 IZVB VEVCVB EB保证集电结反偏。保证集电结反偏。 晶体管内部载流子的运动及电流分配晶体管内部载流子的运动及电流分配 1

18、. 1.发射极加正向电压，扩散运动形成发射极加正向电压，扩散运动形成扩散扩散 电流电流IE（发射载流子）（发射载流子） 2. 2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合扩散到基区的自由电子与空穴的复合 运动形成运动形成复合电流复合电流IBE 3. 3.集电结加反向电压，推动基区电子向集电结加反向电压，推动基区电子向 集电区漂移，形成漂移电流集电区漂移，形成漂移电流ICE（收集（收集 载流子）载流子） 4. 4.集电结的集电结的反向电流反向电流ICBO( (少子漂移）少子漂移） 反向饱和电流反向饱和电流ICBO 大大 小小 极小极小 大大 EB N P N ICBO Rb RC EC IC IB IE

19、 IBE ICE发射极电流发射极电流IE 基极电流基极电流IB=IBE-ICBO 集电极电流集电极电流IC=ICE+ICBO CBE III CBOCEC III CBOBEB III EB N P N ICBO Rb RC EC IC IB IE IBE ICE 晶体管的电流放大系数晶体管的电流放大系数 定义：定义： B C BE CE I I I I 1 结论：结论： 且与晶体管的结构有关且与晶体管的结构有关 很小的基极电流很小的基极电流IB，就可以控制较，就可以控制较 大的集电极电流大的集电极电流IC，从而实现了放，从而实现了放 大作用。大作用。 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子

20、即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子 内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能， 是分析放大电路的依据。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 8.5.3、晶体管的共射特性曲线、晶体管的共射特性曲线 测试线路：测试线路： 输入特性：输入特性： 输出特性：输出特性： 共发射极电路共发射极电路 输入回路输入回路输出回路输出回路 发射极是输入回路、发射极是输入回路、 输出回路的公共端输出回路的公共端 当当UCE为常数时发射结电压为常数时发射结电压UBE与基极与基极 电流电流IB的关系；的关系； 当当IB为常数时集电极电流为常数时集电极电流IC与管压降与管压降 UCE的关系。的关系。 IC mA A V V UCE UBE RB IB EC EB RC 常常数数 CE )( BEB U UfI IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 UCE 1