电工电子技术 半导体二极管和三极管

1、第第七七章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 第一节第一节 半导体的导电特性半导体的导电特性 物质按导电能力的不同可分为物质按导电能力的不同可分为导体、半导体导体、半导体 和和绝缘体绝缘体三大类。半导体的电阻率一般在三大类。半导体的电阻率一般在10-3109 cm量级，典型的半导体有硅量级，典型的半导体有硅(Si)和锗和锗(Ge)，以及，以及 砷化镓砷化镓(GaAs)等。硅和锗在元素周期表上是四阶元等。硅和锗在元素周期表上是四阶元 素，砷化镓则属于半导体化合物。素，砷化镓则属于半导体化合物。 半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之半导体的导电能力虽然介于导体和绝缘体之 间，但半导体的

2、应用却极其广泛，这是由半导体的间，但半导体的应用却极其广泛，这是由半导体的 独特性能决定的：独特性能决定的： 半导体的特性：半导体的特性： 一一. 本征半导体本征半导体 天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过天然的硅和锗是不能制作成半导体器件的。它们必须先经过 高度提纯高度提纯. 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 这一现象称为这一现象称为本征激发本征激发。 空穴空穴 自由电子自由电子 补补(价电子填空穴的现象称为价电子填空穴的现象称为。 二二. N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 Si Si Si Si p+ 多余

3、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 硼原子硼原子 空穴空穴 此时整个晶体此时整个晶体 带电吗？为什带电吗？为什 么？么？ 自由电子导电和空自由电子导电和空 穴导电的区别在穴导电的区别在 哪里？空穴载流哪里？空穴载流 子的形成是否由子的形成是否由 自由电子填补空自由电子填补空 穴的运动形成的穴的运动形成的 ？ 何谓杂质半导体中的多 子和少子 ？N型半导体中的 多子是什么？少子是什么？ P型半导体中的空穴多 于自由电子，是否意味 着带正电？ 三三. . PN结及其单相导电性结

4、及其单相导电性 1. PN结的形成结的形成 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 扩散的结果使扩散的结果使 空间电荷区变宽。空间电荷区变宽。 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 形成空间电荷区形成空间电荷区 2. PN结的单向导电性结的单向导电性 (1) PN 结加正向电压（正向偏置）结加正向电压（正向偏置） PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF 内电场内电场PN + + + + + + + + + + + + + + + + + + + (2) PN 结加反

5、向电压（反向偏置）结加反向电压（反向偏置） 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 + 能否说出能否说出PNPN结结 有何特性？半有何特性？半 导体的导电机导体的导电机 理与金属导体理与金属导体 有何不同？有何不同？ 什么是本征激发 ？什么是复合？ 少数载流子和多 数载流子是如何 产生的 ？ 空间电荷区的电阻 率为什么很高？ 把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳

6、压管和整流管等。 硅高频检波管开关管 稳压管 整流管发光二极管 电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即 为各类二极管的部分产品实物图。 第二节第二节 半导体二极管半导体二极管 一一. 基本结构基本结构 阴极引线阴极引线 阳极引线阳极引线 二二氧化硅保护层氧化硅保护层 P型硅型硅 N型硅型硅 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 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 金锑合金金锑合金 底座底座 阴极引线阴极引线 阴极阴极阳极阳极 (d) 表示符表示符号号 D (a) 点接触型点接触型 (c) 平面型平面型 (b) 面接触

7、型面接触型 二二. 伏安特性伏安特性 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 + 三三. 半导体二极管的参数半导体二极管的参数 在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。小电流硅 二极管的正向压降在中等电流水平下，约二极管的正向压降在中等电流水平下，约0.60.8 V；锗二极；锗二极 管约管约0.20.3 V。大功率的硅二极管的正向压降往往达到。大功率的硅二极管的正向压降往往达到1V。 反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然，反映了二极管正向特性曲线斜率的倒数。显然， rd与正与正 向电流的大小有关，也

8、就是求正向曲线上某一点向电流的大小有关，也就是求正向曲线上某一点Q的动态电的动态电 阻。所以动态电阻是一个交流参数，前几个是直流参数，或阻。所以动态电阻是一个交流参数，前几个是直流参数，或 称为静态参数。动态电阻的定义如下称为静态参数。动态电阻的定义如下 Q F F d I U r 反映了二极管正向压降随温度变化的规律，具有负温反映了二极管正向压降随温度变化的规律，具有负温 度系数。不论是锗管还是硅管基本上是一个常数度系数。不论是锗管还是硅管基本上是一个常数 D o 1.92.5mV/ C U （） 所以，二极管的正向特性曲线，当温度升高时，会向所以，二极管的正向特性曲线，当温度升高时，会向Y

9、 轴移动，若正向特性曲线画在第一象限，曲线向左移动。轴移动，若正向特性曲线画在第一象限，曲线向左移动。 D U 使用二极管时，必须注意极性不能接反，否则电 路非但不能正常工作，还有毁坏管子和其他元件的 可能。 总结总结: 二极管二极管的单向导电性的单向导电性 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接 负负 ）时，）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小， 正向电流较大。正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）

10、时，时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向 电流很小。电流很小。 二极管的应用举例二极管的应用举例 分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想分析实际电路时为简单化，通常把二极管进行理想 化处理，即正偏时视其为化处理，即正偏时视其为“短路短路”，截止时视其为，截止时视其为“开开 路路”。 U UD D=0=0 U UD D= 正向导通时相当正向导通时相当 一个闭合的开关一个闭合的开关 反向阻断时相当反向阻断时相当 一个打开的开关一个打开的开关 (1)(1)二极管的二极管的开关作用开关作用 (2)(2)二极管的二极管的限幅作用限幅

11、作用D D u uS S 10K10K IN4148IN4148 u u0 0 i iD D 图示为一限幅电路。电源图示为一限幅电路。电源u uS S是一个周期性的矩形脉冲，是一个周期性的矩形脉冲， 高电平幅值为高电平幅值为+5V+5V，低电平幅值为，低电平幅值为-5V-5V。试分析电路的输出。试分析电路的输出 电压为多少。电压为多少。 u uS S +5V+5V -5V-5V t t 0 0 当输入电压当输入电压u ui i= =5V5V时，二极管反偏截止，此时电路时，二极管反偏截止，此时电路 可视为开路，输出电压可视为开路，输出电压u u0 0= 0V= 0V； 当输入电压当输入电压u u

12、i i= +5V= +5V时，二极管正偏导通，导通时二极时，二极管正偏导通，导通时二极 管压降近似为零，故输出电压管压降近似为零，故输出电压u u0 0+5V+5V。 显然输出电压显然输出电压u u0 0限幅限幅在在0 0+5V+5V之间。之间。 u u0 0 半导体二极管工作在半导体二极管工作在 击穿区，是否一定被击穿区，是否一定被 损坏？为什么？损坏？为什么？ 何谓死区电压？硅管何谓死区电压？硅管 和锗管死区电压的典和锗管死区电压的典 型值各为多少？为何型值各为多少？为何 会出现死区电压？会出现死区电压？ 把一个把一个1.5V1.5V的干电池直接的干电池直接 正向联接到二极管的两端，正向联

13、接到二极管的两端， 会出现什么问题？会出现什么问题？ 二极管的伏安特性曲线上二极管的伏安特性曲线上 分为几个区？能否说明二分为几个区？能否说明二 极管工作在各个区时的电极管工作在各个区时的电 压、电流情况？压、电流情况？ 为什么二极管的反为什么二极管的反 向电流很小且具有向电流很小且具有 饱和性？当环境温饱和性？当环境温 度升高时又会明显度升高时又会明显 增大增大 ？ D 6V 12V 3k B A UAB + V sin18 i tu t 例例2 四四. . 稳压二极管稳压二极管 1. 符号符号 UZ IZ IZM UZ IZ _ + U I O 主要参数主要参数 保证稳压管安全工作所允许的

14、最大反向电流。保证稳压管安全工作所允许的最大反向电流。 U US S D DZ Z 使用稳压二极管时应该注意的事项使用稳压二极管时应该注意的事项 (1)(1)稳压二极管正负极的判别稳压二极管正负极的判别 D DZ Z (2)(2)稳压二极管使用时，应反向接入电路稳压二极管使用时，应反向接入电路 U UZ Z (3)(3)稳压管应接入限流电阻稳压管应接入限流电阻 (4)(4)电源电压应高于稳压二极管的稳压值电源电压应高于稳压二极管的稳压值 ZS UU (5)(5)稳压管都是硅管。其稳定电压稳压管都是硅管。其稳定电压U UZ Z最低为最低为3V3V，高的可达，高的可达 300V300V，稳压二极管

15、在工作时的正向压降约为，稳压二极管在工作时的正向压降约为0.6V0.6V。 光电二极管也称光电二极管也称光敏二极管光敏二极管，是将光信号变成电信号的半，是将光信号变成电信号的半 导体器件，其核心部分也是一个导体器件，其核心部分也是一个PNPN结。光电二极管结。光电二极管PNPN结的结结的结 面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。面积较小、结深很浅，一般小于一个微米。 D 光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无光电二极管和稳压管类似，也是工作在反向电压下。无 光照时，反向电流很小，称为光照时，反向电流很小，称为暗电流暗电流；有光照射时，携带；有光照射时，携带 能量的光子进入能量的光子进

16、入PNPN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，结后，把能量传给共价键上的束缚电子， 使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子使部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子空穴对，称空穴对，称 为为光生载流子光生载流子。光生载流子在反向电压作用下形成反向光。光生载流子在反向电压作用下形成反向光 电流，其强度与光照强度成正比。电流，其强度与光照强度成正比。 光电二极管光电二极管 光电二极管也称光敏二极管，同光电二极管也称光敏二极管，同 样具有单向导电性，光电管管壳上样具有单向导电性，光电管管壳上 有一个能射入光线的有一个能射入光线的“窗口窗口”，这，这 个窗口用有机玻璃透镜进行封闭，个窗口用有机玻璃透镜进行

17、封闭， 入射光通过透镜正好射在管芯上。入射光通过透镜正好射在管芯上。 实物图实物图 图符号和图符号和 文字符号文字符号 发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元发光二极管是一种能把电能直接转换成光能的固体发光元 件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由件。发光二极管和普通二极管一样，管芯由PNPN结构成，具有结构成，具有 单向导电性。单向导电性。 实物图实物图 图符号和图符号和 文字符号文字符号 D 单个发光二极管常作为电子设备通单个发光二极管常作为电子设备通 断指示灯或快速光源及光电耦合器中断指示灯或快速光源及光电耦合器中 的发光元件等。发光二极管一般使用的发光元件等。发光二极管一般

18、使用 砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的砷化镓、磷化镓等材料制成。现有的 发光二极管能发出红黄绿等颜色的光发光二极管能发出红黄绿等颜色的光。 发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压发光管正常工作时应正向偏置，因死区电压 较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在较普通二极管高，因此其正偏工作电压一般在 1.3V1.3V以上以上。 发光管属功率控制器件，常用来作为数字电发光管属功率控制器件，常用来作为数字电 路的数码及图形显示的七段式或阵列器件路的数码及图形显示的七段式或阵列器件。 发光二极管发光二极管 第三节第三节 半导体三极管半导体三极管 一一. 基本结构基本结构 NNP B E C B E C

19、 IB IE IC B E C IB IE IC 根据制造工艺和材料的不同，三极管分有双极型和单极型根据制造工艺和材料的不同，三极管分有双极型和单极型 两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同两种类型。若三极管内部的自由电子载流子和空穴载流子同 时参与导电，就是所谓的时参与导电，就是所谓的双极型。双极型。如果只有一种载流子参与如果只有一种载流子参与 导电，即为导电，即为单极型单极型。 大功率低频三极管大功率低频三极管小功率高频三极管小功率高频三极管 中功率低频三极管中功率低频三极管 目前国内生产的双极型硅晶体管多为目前国内生产的双极型硅晶体管多为NPNNPN型型(3D(3D系列系列

20、) )，锗，锗 晶体管多为晶体管多为PNPPNP型型(3A(3A系列系列) )，按频率高低有高频管、低频管，按频率高低有高频管、低频管 之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。之别；根据功率大小可分为大、中、小功率管。 二二. 三极管的电流分配和放大原理三极管的电流分配和放大原理 1. 三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件 E EB RB RC IC EB mA A V UCE UBE RB IB EC V + + + + 2. 三极管的电流分配和放大原理三极管的电流分配和放大原理 实验如图，把三极管接成二个电路，基极电路和集实验如图，把三极管接成二个电路，基极电路和集 电极电路，发射极

21、是公共端，这种接法称为三极管电极电路，发射极是公共端，这种接法称为三极管 的共发射极接法。以的共发射极接法。以NPN管为例，发射结加正向电压，管为例，发射结加正向电压， 集电极加反向电压，三极管才能起放大作用。集电极加反向电压，三极管才能起放大作用。 三极管电流测量数据三极管电流测量数据 （1）三电极电流关系三电极电流关系 IE = IB + IC （2） IC IB ， IC IE （3） IB =0 ，IC0.001 mA 3 .38 06. 0 30. 2 5 .37 04. 0 50. 1 B C B C I I I I 40 02. 0 8 . 0 04. 006. 0 50. 13

22、0. 2 B C I I B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 三极管内载流子运动过程三极管内载流子运动过程 1. 发射区向基区注入电子发射区向基区注入电子 2. 基区中电子的扩散与复合基区中电子的扩散与复合 3.集电区收集扩散过来的电子集电区收集扩散过来的电子 B E C N N P EB RB EC IE IBE ICE ICBO 三三. . 三极管的输入、输出特性三极管的输入、输出特性 1. 1. 输入特性曲线的描述与分析输入特性曲线的描述与分析 三极管的输入特性是指当集电极与发射极之间的电压三极管的输入特性是指当集电极与发射极之间的电压 为常数时为常

23、数时, ,输入回路中基极静态电流输入回路中基极静态电流 与发射结二端的静态电与发射结二端的静态电 压压 之间的关系特性之间的关系特性, ,即即: : CU UfI CE )( BEB IB( A) UBE(V) 20 40 60 80 0.40.8 UCE 1V O 特征特征 （1） 变化一点，基极电流变化变化一点，基极电流变化 很大，呈现出恒压特性。很大，呈现出恒压特性。 （2） 不同材料的三极管，完全导不同材料的三极管，完全导 通时的发射结电压降也不同。另外通时的发射结电压降也不同。另外 当当 1 V 后，曲线基本不移动了。后，曲线基本不移动了。 CE U B I BE U BE U CE

24、 U BE U B I 2. 输出特性曲线的描述与分析 三极管的输出特性是指在基极电流三极管的输出特性是指在基极电流 一定的情况下，一定的情况下， 三极管输出回路中的集电极电流三极管输出回路中的集电极电流 与集电极和发射极之间的与集电极和发射极之间的 电压电压 之间的关系特性，即：之间的关系特性，即： CI UfI B )( CEC B I C I CE U 当电流当电流 和温度为某一定值时，输出特性曲线为一根特性和温度为某一定值时，输出特性曲线为一根特性 曲线。当基极电流取值不同时，输出特性曲线是一簇曲线。曲线。当基极电流取值不同时，输出特性曲线是一簇曲线。 当当 1V后，集电极电流后，集电

25、极电流 不再有明显的增加。不再有明显的增加。 CE U C I 2 . .输出特性曲线的描述与分析输出特性曲线的描述与分析 IB=0 20 A 40 A 60 A 80 A 100 A 36 IC(mA ) 1 2 3 4 UCE(V) 912 O 放大区放大区 O 四四. 三极管的主要参数三极管的主要参数 1. 电流放大系数电流放大系数 B C I I _ B C I I CEQ U CQ I 537 040 51 B C . . . I I 40 04. 006. 0 5 . 13 . 2 B C I I ICBO A + EC A ICEO IB=0 + 2. 极间反向电流极间反向电流

26、3. 极限参数极限参数 IC UCE O 安全工作区安全工作区 UCEO ICM 结电容结电容是指是指PN结在结两端电压作用下形成的电容效应。结在结两端电压作用下形成的电容效应。 结电容主要由两部分组成：一是结电容主要由两部分组成：一是PN结在正向电压作用下，结在正向电压作用下， 扩散电流的变化形成的电容效应，称之为扩散电流的变化形成的电容效应，称之为扩散电容扩散电容，通常记，通常记 作作 ，它与通过，它与通过PN结的扩散电流的大小成正比例；二是结的扩散电流的大小成正比例；二是PN 结在反向电压作用下，电场的变化形成的电容效应，称之为结在反向电压作用下，电场的变化形成的电容效应，称之为 势垒电

27、容势垒电容，通常记作，通常记作 ，它与作用在，它与作用在PN结两侧的反向电压结两侧的反向电压 的大小成反比例。结电容是造成三极管产生频率响应的主要的大小成反比例。结电容是造成三极管产生频率响应的主要 原因，也是影响三极管开关速度的主要原因。原因，也是影响三极管开关速度的主要原因。 B C D C 五五. . 三极管的工作状态三极管的工作状态 三极管的工作状态主要由三极管的二个三极管的工作状态主要由三极管的二个PN结各自所承结各自所承 受的偏置电压的大小和极性所决定的。三极管有二个受的偏置电压的大小和极性所决定的。三极管有二个PN结，结， 而每一个偏置电压又有二种可能的极性，即正向偏置和反向而每

28、一个偏置电压又有二种可能的极性，即正向偏置和反向 偏置，因此，可构成三极管的三种工作状态：偏置，因此，可构成三极管的三种工作状态：饱和、放大、饱和、放大、 截止截止。 单极型三极管单极型三极管 双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流双极型三极管是利用基极小电流去控制集电极较大电流 的电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称的电流控制型器件，因工作时两种载流子同时参与导电而称 之为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载之为双极型。单极型三极管因工作时只有多数载流子一种载 流子参与导电，因此称为流子参与导电，因此称为单极型三极管单极型三极管；单极型三极管是利；单极型三

29、极管是利 用输入电压产生的电场效应控制输出电流的用输入电压产生的电场效应控制输出电流的电压控制型电压控制型器件器件 。 中又分中又分增强型增强型和和耗尽型耗尽型两类，且各有两类，且各有N N沟道沟道和和P P沟道沟道之分。之分。 MOS管的基本结构 B D G S 不同类型不同类型MOSMOS管的电路图符号管的电路图符号 D D S S G G B B 衬衬 底底 N N沟道增强型符号沟道增强型符号 D D S S G G B B 衬衬 底底 P P沟道增强型符号沟道增强型符号 D D S S G G B B 衬衬 底底 N N沟道耗尽型符号沟道耗尽型符号 D D S S G G B B 衬衬

30、 底底 P P沟道耗尽型符号沟道耗尽型符号 由图可看出，衬底的箭头方向由图可看出，衬底的箭头方向 表明了场效应管是表明了场效应管是N N沟道还是沟道还是P P沟道：沟道：箭箭 头向里头向里是是N N沟道，沟道，箭头向外箭头向外是是P P沟道。沟道。 虚线表示虚线表示 增强型增强型 实线表示实线表示 耗尽型耗尽型 单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较单极型晶体管和双极型晶体管的性能比较 1.1. 场效应管的源极场效应管的源极S S、栅极、栅极G G、漏极、漏极D D分别对应于双极型分别对应于双极型 晶体管的发射极晶体管的发射极e e、基极、基极b b、集电极、集电极c c，它们的作用相似。，它们的作用相似。 2. 2. 场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本场效应管是电压控制电流器件，场效应管栅极基本 上不取电流，而双极型晶