第14章二极管和晶体管

1、14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性共价健共价健SiSiSiSi价电子价电子SiSiSiSi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动画动画2 2动画动画1 1此时整个此时整个晶体带电晶体带电吗？为什吗？为什么？么？SiSiSiSip+多余多余电子电子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴小小 结结2. N2. N型半导体：电子是多子，其中大部分是掺杂提型半导体：电子是多子，

2、其中大部分是掺杂提供的电子；空穴是少子，少子的迁移也能形成电供的电子；空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子流，由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。近似认为多子与杂质浓度相等。3.3. P 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。本征半导体中受激发（热激发即本征激发）本征半导体中受激发（热激发即本征激发）产生的电子和空穴成对出现，数量很少。产生的电子和空穴成对出现，数量很少。4. 4. 杂质半导体：多子数（多子浓度）主要由掺杂浓杂质半导体：多子数（多子浓度）主要由掺杂浓 度决定，受温度影响较小；而少

3、子（少子浓度）度决定，受温度影响较小；而少子（少子浓度） 主要由本征激发决定，所以受温度影响较大。主要由本征激发决定，所以受温度影响较大。14.2 PN14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性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PNPN结。结。 +动画动画3形成空间形成空间电荷区电荷区扩散的结果扩散的结果使空间电荷使空间电荷区变宽。区变宽。 漂移漂移 运动：运动：载流子载流子在电场在电场作用下作用下的定向的定向运动。运动。扩散运动：由于浓度差引起的非平衡载流子的运动。扩散运动：由于浓度差引起的非平衡载流子的运动。PN

4、 PN 结变窄结变窄 P P接正、接正、N N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+动画动画4 4+动画动画5IR+ 内电场内电场被加强，少被加强，少子的漂移加子的漂移加强，由于少强，由于少子数量很少，子数量很少，形成很小的形成很小的反向电流。反向电流。 PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结的上述结的上述“正向导通，反向阻断正向导通，反向阻断”作用，说明它具有作用，说明它具有，PN结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。结的单向导电性是它构成半导体器件的基础。 由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而由于常温下少数载流子的数量不多，故反向电流很小，而且当外加电压在一定范围内

5、变化时，反向电流几乎不随外加且当外加电压在一定范围内变化时，反向电流几乎不随外加电压的变化而变化，因此反向电流又称为电压的变化而变化，因此反向电流又称为反向饱和电流反向饱和电流。反。反向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，向饱和电流由于很小一般可以忽略，从这一点来看，PN结结对反向电流呈对反向电流呈高阻高阻状态，也就是所谓的状态，也就是所谓的作用。作用。 值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致值得注意的是，由于本征激发随温度的升高而加剧，导致电子电子空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增空穴对增多，因而反向电流将随温度的升高而成倍增长。反向电流是造成电路噪声的主要原

6、因之一，因此，在设长。反向电流是造成电路噪声的主要原因之一，因此，在设计电路时，必须考虑温度补偿问题。计电路时，必须考虑温度补偿问题。 PN结中反向电流的讨论结中反向电流的讨论2. 半导体受温度和光照影响，产生半导体受温度和光照影响，产生本征激发本征激发现象而出现电子、空现象而出现电子、空穴对；同时，其它价电子又不断地穴对；同时，其它价电子又不断地 “转移跳进转移跳进”本征激发出现本征激发出现的空穴中，产生价电子与空穴的的空穴中，产生价电子与空穴的复合复合。在一定温度下，电子、空。在一定温度下，电子、空穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态。平衡状态下，半导体穴对的激发和复合最终达到动态平衡状态

7、。平衡状态下，半导体中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。中的载流子浓度一定，即反向电流的数值基本不发生变化。1. 半导体中少子的浓度虽然很低半导体中少子的浓度虽然很低 ，但少子对温度，但少子对温度非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很非常敏感，因此温度对半导体器件的性能影响很大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓大。而多子因浓度基本上等于杂质原子的掺杂浓度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。度，所以说多子的数量基本上不受温度的影响。 4. PN结的结的单向导电性单向导电性是指：是指：PN结正向偏置时，呈现的结正向偏置时，呈现的电阻很小电阻很小几乎为零几乎为零，因此多

8、子构成的扩散电流极易通过，因此多子构成的扩散电流极易通过PN结；结；PN结反向结反向偏置时，呈现的偏置时，呈现的电阻趋近于无穷大电阻趋近于无穷大，因此电流无法通过被阻断。，因此电流无法通过被阻断。3. 空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩空间电荷区的电阻率很高，是指其内电场阻碍多数载流子扩散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空散运动的作用，由于这种阻碍作用，使得扩散电流难以通过空间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。间电荷区，即空间电荷区对扩散电流呈现高阻作用。14.3 14.3 二极管二极管Diode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

9、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 ) 面接触型面接触型图图14.3.1 14.3.1 二极管的结构和符号二极管的结构和符号 阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号D14.3 14.3 二极管二极管反向击穿反向击穿电压电压U U(BR)(BR)导通压降导通压降正向特性正向特性反向特性反向特性死区电压死区电压P PN N+ +P PN N+ +反向电流反向电流在一定电压在一定电压范围内

10、保持范围内保持常数。常数。U UI/mAI/mAI/AI/A0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的干电池的干电池直接正向联接到二极直接正向联接到二极管的两端，会出现什管的两端，会出现什么问题？么问题？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 ？二极管的测试二极管的测试1.1.二极管极性的判定二极管极性的判定 将红、黑表笔分别接二极管的两个电极，若将红、黑表笔分别接二

11、极管的两个电极，若测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所测得的电阻值很小（几千欧以下），则黑表笔所接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管接电极为二极管正极，红表笔所接电极为二极管的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），的负极；若测得的阻值很大（几百千欧以上），则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电则黑表笔所接电极为二极管负极，红表笔所接电极为二极管的正极。（指针式万用表。若为数字极为二极管的正极。（指针式万用表。若为数字式万用表，其内部电源极性正好相反）式万用表，其内部电源极性正好相反）2.2.二极管好坏的判定二极管好坏的判定（1 1）若测得的反向电阻很大（几百千欧以上），）若测

12、得的反向电阻很大（几百千欧以上）， 正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管正向电阻很小（几千欧以下），表明二极管 性能良好。性能良好。（2 2）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明）若测得的反向电阻和正向电阻都很小，表明 二极管短路，已损坏。二极管短路，已损坏。（3 3）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明）若测得的反向电阻和正向电阻都很大，表明 二极管断路，已损坏。二极管断路，已损坏。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，实际二极管：实际二极管：死区电压死区电压 0.5V0.5V，正向压降，正向压降 0.7V(0

13、.7V(硅二极管硅二极管) )理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 =0 ，正向压降，正向压降=0=0 RLuiuouiuott例例1 1：二极管半波整流二极管半波整流实际应用中利用二极管的单向导电性，典型应用实际应用中利用二极管的单向导电性，典型应用有整流、限幅、保护等。有整流、限幅、保护等。例例2 2：D6V12V3k BAUAB+例例3:mA43122D IBD16V12V3k AD2UAB+V sin18itu t 例例5 5：波形转换：波形转换tttuiuRuoRRLuiuRuo14.4 14.4 稳压二极管稳压二极管UZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr（1 1

14、）稳压二极管正负极的判别）稳压二极管正负极的判别（2 2）稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保）稳压管稳压时，一定要外加反向电压，保 证管子证管子工作在反向击穿区工作在反向击穿区。当外加的反向。当外加的反向 电压值大于或等于电压值大于或等于U UZ Z时，才能起到稳压作时，才能起到稳压作 用；若外加的电压值小于用；若外加的电压值小于U UZ Z，稳压二极管，稳压二极管 相当于普通的二极管使用。相当于普通的二极管使用。 （3 3） 在稳压管稳压电路中，一定要配合限流在稳压管稳压电路中，一定要配合限流 电阻的使用，保证稳压管中流过的电流电阻的使用，保证稳压管中流过的电流 在规定的范围之内。在规定的

15、范围之内。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稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。稳压管只有与适当的电阻连接才能起到稳压作用。U/VI/AIZIZmax UZ IZUZiUIZIZULR0URR叫限流电阻，使流经稳压二极管的电流在其安全范围内。叫限流电阻，使流经稳压二极管的电流在其安全范围内。例例1：如图，已知如图，已知UZ=10V，负载电压，负载电压UL（ ） （）（） 5 （）（）10 （）（）15 （）（）20AVS20V15K5KUL例例2：已知已知ui = 6sint，UZ =3V，画输出波形。，画输出波形。 VS uiuO6ui (V)t3uOt3例

16、例3 3：两个稳压管两个稳压管, ,稳定电压分别为稳定电压分别为5.5V5.5V和和8.5V,8.5V,正向导通压降都是正向导通压降都是0.5V,0.5V,如果要得到如果要得到0.5V0.5V、3V3V、6V6V、9V9V和和14V14V稳定电压，应如何连接稳定电压，应如何连接? ?解解: :电路如下列所示，分别可以得到题意要求的稳压值：电路如下列所示，分别可以得到题意要求的稳压值：R+-UiDz10.5V+-RRDZ1Dz2Ui-3V+-+-UiRDz1Dz2+6V-+Ui-RDz1Dz2+9V-+Ui-R+14v-14.5 14.5 晶体管晶体管NNPBECBECIBIEICBECIBIE

17、ICBaseEmitterCollectorTransistorEEBRBRC 为了了解三极管的电流分配原则及其放大为了了解三极管的电流分配原则及其放大原理，首先做一个实验，实验电路如图原理，首先做一个实验，实验电路如图14.5.114.5.1所示。在电路中，要给三极管的发射结加正向所示。在电路中，要给三极管的发射结加正向电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到电压，集电结加反向电压，保证三极管能起到放大作用。改变可变电阻放大作用。改变可变电阻R Rb b的值，则基极电流的值，则基极电流I IB B、集电极电流集电极电流I IC C和发射极电流和发射极电流I IE E都发生变化，电流都发生变化

18、，电流的方向如图中所示。的方向如图中所示。 由实验及测量结果可以得出以下结论由实验及测量结果可以得出以下结论: :（1 1）实验数据中的每一列数据均满足关系：）实验数据中的每一列数据均满足关系： I IE E= =I IC C+ +I IB B ；此结果符合基尔霍夫电流定律。；此结果符合基尔霍夫电流定律。（2 2）每一列数据都有）每一列数据都有I IC CI IB B，而且有，而且有I IC C与与I IB B的比的比值近似相等。对表中任两列数据求值近似相等。对表中任两列数据求I IC C和和I IB B变化量变化量的比值，结果仍然近似相等。的比值，结果仍然近似相等。（3 3）从表中可知，当）

19、从表中可知，当I IB B=0=0（基极开路）时，集电（基极开路）时，集电极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流极电流的值很小，称此电流为三极管的穿透电流I ICEOCEO。穿透电流。穿透电流I ICEOCEO越小越好。越小越好。(4) (4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，而集电结必须反向偏置。而集电结必须反向偏置。BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO动画动画ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOBCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III，有忽

20、略+ UBE ICIEIB CT E B +UCE (a) NPN 型晶体管；型晶体管；+ UBE IBIEIC CT EB +UCE 电流方向和发射结与集电结的极性电流方向和发射结与集电结的极性(b) PNP 型晶体管型晶体管 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子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。从工程应用角度来看，外是分析放大电路的依据。从工程应用角度来看，外部特性更为重要。部特性更为重要。 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

21、特性曲线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ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+常常数数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOIB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区动画动画对对 NPN NPN 型管型管而言而言, ,应使应使 U UBEBE0,0,U UBCBC0 U UBEBE。IC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =0对对NPN型硅管

22、，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) )。(ICEOIC/mAUCE/V100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 1242.31.5321IB =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

23、状态。晶体管三种工作状态的电压和电流晶体管三种工作状态的电压和电流(a)放大放大+ UBE 0 ICIB+UCE UBC 0+(b)截止截止IC 0 IB = 0+ UCE UCC UBC 0 IB+ UCE 0 UBC 0+CCCCRUI 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关，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，的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大晶体管除了有放大作用外，还有

24、开关作用。作用外，还有开关作用。 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 可靠截止可靠截止开始截止开始截止 UBE/V UBE/VUCE/V UBE/V 截截 止止 放大放大 饱和饱和 工工 作作 状状 态态 管管 型型晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值 BCII_ BCII 53704051BC.II 400400605132BC .II ICBO A+EC AICEOIB=0+ICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区ICUCEO 晶体管的发射极和集电极是晶体管的发射极和集电极是不

25、能互换使用的。因为发射区和不能互换使用的。因为发射区和集电区的掺杂质浓度差别较大，集电区的掺杂质浓度差别较大，如果把两个极互换使用，则严重如果把两个极互换使用，则严重影响晶体管的电流放大能力，甚影响晶体管的电流放大能力，甚至造成放大能力丧失。至造成放大能力丧失。晶体管的发射极晶体管的发射极和集电极能否互和集电极能否互换使用？为什么换使用？为什么? 晶体管在输出特性曲线的饱和晶体管在输出特性曲线的饱和区工作时，区工作时，UCE UB UE PNP： UC UB UE）解：解： （1） 硅管硅管 、NPN管管A：基极：基极 ；B: 发射极；发射极； C: 集电极集电极（2） 锗管锗管 、 PNP管

26、管A: 基极；基极； B: 发射极发射极 ； C: 集电极集电极例例2：有三只三极管，分别为有三只三极管，分别为 锗管锗管150，ICBO2A； 硅管硅管100，ICBO1A； 硅管硅管40，ICEO41A；试从试从和温度稳定性和温度稳定性选择一只最佳的管子。选择一只最佳的管子。 解：解： 值大，但值大，但ICBO也大，温度稳定性较差；也大，温度稳定性较差； 值较大，值较大，ICBO1A，ICEO101 A ； 值较小，值较小，ICEO41A， ICBO1A。 、 ICBO相等，但相等，但 的的 较大，故较大，故 较好。较好。 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

27、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。 单个发光二极管常作为电子设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备通断指示灯或快速光源及光电耦 合器中的发光元件等。合器中的发光元件等。 发光二极管一般使用砷化镓、磷化发光二极管一般使用砷化镓、磷化 镓等材料制成。现有的发光二极管镓等材料制成。现有的发光二极管 能发出红黄绿等颜色的光。能发出红黄绿等颜色的光。 发光管正常工作时应发光管正常工作时应正向偏置正向偏置，发光二极管的工作电压，发光二极管的工作电压为为

28、1.51.53V3V，工作电流为几十几，工作电流为几十几mAmA。 发光管常用来作为数字电路的数码及图形发光管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。显示的七段式或阵列器件。实物图实物图图符号和图符号和文字符号文字符号 14.6.1 14.6.1 发光二极管发光二极管14.6 14.6 光电器件光电器件D 光电二极管也称光电二极管也称光敏光敏二极管，是将光信号变成电信号的半二极管，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

29、一个微米。 光电二极管同样具有单向导电光电二极管同样具有单向导电 性，光电管管壳上有一个能射入光性，光电管管壳上有一个能射入光 线的线的“窗口窗口”，这个窗口用有机玻，这个窗口用有机玻璃璃 透镜进行封闭，入射光通过透镜正透镜进行封闭，入射光通过透镜正 好射在管芯上。好射在管芯上。 光电二极管的正常工作状态是光电二极管的正常工作状态是反向偏置反向偏置。在反向电压下，。在反向电压下，无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带无光照时，反向电流很小，称为暗电流；有光照射时，携带能量的光子进入能量的光子进入PNPN结，把能量传给共价键上的束缚电子，使结，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，产生电子部分价电子挣脱共价键的束缚，产生电子空穴对，称光生