半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管第1页/共70页(1-2)15.1.1导体、半导体和绝缘体导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。§15.1半导体的导电特性第2页/共70页(1-3)半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。第3页/共70页(1-4)15.1.2

本征半导体一、本征半导体的结构特点GeSi通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。第4页/共70页(1-5)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：第5页/共70页(1-6)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第6页/共70页(1-7)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第7页/共70页(1-8)二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴第8页/共70页(1-9)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子第9页/共70页(1-10)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4在其它力的作用下，空穴吸引附近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。第10页/共70页(1-11)温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：

1.自由电子移动产生的电流。

2.空穴移动产生的电流。第11页/共70页(1-12)15.1.3

杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。第12页/共70页(1-13)一、N型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。第13页/共70页(1-14)+4+4+5+4多余电子磷原子N型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第14页/共70页(1-15)二、P型半导体在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空穴硼原子P型半导体中空穴是多子，电子是少子。第15页/共70页(1-16)三、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第16页/共70页(1-17)15.2.1PN

结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。§15.2PN结第17页/共70页(1-18)P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。第18页/共70页(1-19)漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场E所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。第19页/共70页(1-20)－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0第20页/共70页(1-21)1.空间电荷区中没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P中的空穴.N区

中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。3.P

区中的电子和N区中的空穴（都是少），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:第21页/共70页(1-22)15.2.2PN结的单向导电性

PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正、N区加负电压。

PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：

P区加负、N区加正电压。第22页/共70页(1-23)－－－－++++RE一、PN结正向偏置内电场外电场变薄PN+_内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。第23页/共70页(1-24)二、PN结反向偏置－－－－++++内电场外电场变厚NP+_内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。RE第24页/共70页(1-25)15.3.1基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线外壳线触丝线基片点接触型PN结面接触型PN二极管的电路符号：§15.3半导体二极管第25页/共70页(1-26)15.3.2伏安特性UI死区电压硅管0.5V,锗管0.2V。导通压降:硅管0.6~0.7V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR第26页/共70页(1-27)二极管理论伏安特性曲线OD段称为正向特性。OC段，正向电压较小，正向电流非常小，只有当正向电压超过某一数值时，才有明显的正向电流，这个电压称为死区电压，亦称开启电压。CD段，当正向电压大于死区电压后，正向电流近似以指数规律迅速增长，二极管呈现充分导通状态。正向导通ADCBiDuDOUBR第27页/共70页(1-28)OB段称为反向特性。这时二极管加反向电压，反向电流很小。当温度升高时，半导体中本征激发增加，是少数载流子增多，故反向电流增大，特性曲线向下降。

反向击穿BA段称为反向击穿特性当二极管外加反向电压大于一定数值时，反向电流突然剧增，称为二极管反向击穿。反向截止二极管理论伏安特性曲线ADCBiDuDOUBR第28页/共70页(1-29)iDouD20406080100(mA)(v)-40-80-0.1-0.20.40.82AP15的伏安特性曲线2CP1020的伏安特性曲线~iDouD-200-10020406080100-10-30-2075℃20℃(mA)(v)(μA)12

材料开启电压（V）导通电压（V）反向饱和电流（μA）硅（Si）≈0.50.6~1<0.1锗（Ge）≈0.10.2~0.5

几十二极管的伏安特性对温度很敏感，温度升高时，正向特性曲线向左移，反向特性曲线向下移。第29页/共70页(1-30)二极管的等效电路为简化分析计算，在一定的条件下可以近似用某些线性电路来等效实际的二极管。（一）理想二极管等效电路当外加正向电压时，二极管导通，正向压降uD=0,相当于开关闭合；iDuD0D特性曲线的近似等效电路当外加反向电压时，二极管截止，反向电流IR=0，相当于开关断开。第30页/共70页(1-31)(二）考虑正向压降的等效电路DKUD在二极管充分导通且工作电流不是很大时，可以近似认为UD为常数，用一个直流电压源UD来等效正向导通的二极管。当外加正向电压大于UD时，二极管导通，开关闭合，二极管两端压降为UD；当外加电压小于UD时，二极管截止，开关断开。特性曲线的近似等效电路iDuDUD0第31页/共70页(1-32)（三）小信号模型（微变模型）QiuuDiDV-A特性Q为静态工作点+ui-+uo-实际电路RLrdRL+ui-+uo-微变等效电路在模拟电路里面，二极管多数工作在小信号状态。也即工作在某个很小的各种区域。所以通常用小信号模型来代替二极管。即把二极管看成一个等效电阻。其电阻值

rd

为：第32页/共70页(1-33)设id

对ud

求微分，则有：小信号模型（微变模型）又因为rd第33页/共70页(1-34)15.3.3主要参数1.最大整流电流

IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。2.反向击穿电压UBR，反向工作峰值电压URWM二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的反向工作峰值电压URWM一般是UBR的一半。第34页/共70页(1-35)3.反向峰值电流

IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用是主要利用它的单向导电性，主要应用于整流、限幅、保护等等。下面介绍两个交流参数。第35页/共70页(1-36)二极管：死区电压=0.5V，正向压降≈0.6V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例例15.1：二极管半波整流第36页/共70页(1-37)例15.2：分析uR、uC的波形tttuiuRuoRRLuiuRuo第37页/共70页(1-38)例15.3设图示电路中的二极管性能均为理想。试判断各电路中的二极管是导通还是截止，并求出A、B两点之间的电压ＵAB值。V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(a)V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(b)第38页/共70页(1-39)解：判断电路中二极管导通的方法：假定电路即将导通，判断电路中各二极管上的压降。压降高的管子优先导通。对于图

a，在电路即将导通时，D1、D2上的正偏电压分别为10V，－5V。D2反偏电压为15VD1导通ＵAB=0VD2截止V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(a)第39页/共70页(1-40)对于图

b，在电路即将导通时，即D1上的反偏电压为15VD2优先导通ＵAB=－15VD1截止D1、D2上的正偏电压分别为:10V，25VD2优先导通后V115V10VV2R2KWUABB+_D2AD1(b)第40页/共70页(1-41)UIIZIZmaxUZIZ稳压误差曲线越陡，电压越稳定。+-UZ动态电阻：rz越小，稳压性能越好。§15.4稳压二极管第41页/共70页(1-42)（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗稳压二极管的参数:（1）稳定电压

UZ（2）电压温度系数U（%/℃）

稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻第42页/共70页(1-43)负载电阻。要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。稳压二极管的应用举例uoiZDZRiLiuiRL例15.4稳压管的技术参数:解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax。求：电阻R和输入电压ui的正常值。——方程1第43页/共70页(1-44)令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin。——方程2uoiZDZRiLiuiRL联立方程1、2，可解得：第44页/共70页(1-45)例15.5

已知稳压管的稳压值UZ＝6V，稳定电流的最小值IZmin＝5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。解：UO1＝6V，UO2＝5V。

第45页/共70页(1-46)15.5.1

基本结构BECNNP基极发射极集电极NPN型PNP集电极基极发射极BCEPNP型§15.5半导体三极管第46页/共70页(1-47)BECNNP基极发射极集电极基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高第47页/共70页(1-48)BECNNP基极发射极集电极发射结集电结第48页/共70页(1-49)15.5.2电流分配和放大原理BECNNPEBRBECIE基区空穴向发射区的扩散可忽略。IBE进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE

，多数扩散到集电结。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。第49页/共70页(1-50)BECNNPEBRBECIE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。第50页/共70页(1-51)IB=IBE-ICBOIBEIBBECNNPEBRBECIEICBOICEIC=ICE+ICBO

ICEIBE第51页/共70页(1-52)ICE与IBE之比称为电流放大倍数要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。第52页/共70页(1-53)BECIBIEICNPN型三极管BECIBIEICPNP型三极管第53页/共70页(1-54)15.5.3

特性曲线ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

实验线路第54页/共70页(1-55)一、输入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。

死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。第55页/共70页(1-56)二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。第56页/共70页(1-57)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC，UCE0.3V称为饱和区。第57页/共70页(1-58)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。第58页/共70页(1-59)输出特性三个区域的特点:放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：IC=IB,且IC

=

IB(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC，UCE0.3V

(3)截止区：

UBE<死区电压，IB=0，IC=ICEO

0

第59页/共70页(1-60)例15.6：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？当USB

=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0IC最大饱和电流：Q位于截止区

第60页/共70页(1-61)IC<

ICmax(=2mA)

，

Q位于放大区。ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEUSB

=2V时：例15.6：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？第61页/共70页(1-62)USB

=5V时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEQ位于饱和区，此时IC和IB

已不是倍的关系。例15.6：

=50，USC

=12V，

RB

=70k，RC

=6k

当USB

=-2V，2V，5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区？第62页/共70页(1-63)例15.7：用万用表直流电压档测得电路中三极管各电极的对地电位如图所示，试判断这些三极管的工作状态。解：放大截止损坏饱和第63页/共