ch半导体二极管和三极管

ch半导体二极管和三极管第1页/共36页4.1半导体的导电特性4.1.1本征半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子第2页/共36页

Si

Si

Si

Si价电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理这一现象称为本征激发。空穴温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。自由电子在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。第3页/共36页本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。第4页/共36页4.1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。

在N

型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。第5页/共36页4.1.2N型半导体和P型半导体

掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素

Si

Si

Si

Si

在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。B–硼原子接受一个电子变为负离子空穴无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。第6页/共36页1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba第7页/共36页4.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差扩散的结果使空间电荷区变宽。空间电荷区也称PN结P型半导体N型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区第8页/共36页2PN结的单向导电性PN结变窄P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–1).PN结加正向电压（正向偏置）第9页/共36页2).PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－动画–+第10页/共36页PN结变宽2).PN结加反向电压（反向偏置）外电场内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IRP接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第11页/共36页4.2.1基本结构将PN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。点接触型表示符号正极负极金锑合金面接触型N型锗

正极引线负极引线PN结底座铝合金小球引线触丝N型锗外壳4.2半导体二极管第12页/共36页4.2.2伏安特性硅管0.5V,锗管0.1V。反向击穿电压U(BR)导通压降

外加电压大于死区电压二极管才能导通。外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.7V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。第13页/共36页

1.最大整流电流

IOM

最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

2.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，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。3.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。4.2.3主要参数二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第14页/共36页[例1]在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位VY。

[解]因为VA高于VB，所以DA优先导通。如果二极管的正向压降是0.3V，则VY=+2.7V。当DA导通后,DB因反偏而截止。在这里，DA起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。DA–12VYVAVBDBR第15页/共36页

[例2]下图是二极管限幅电路，二极管D的正向压降可忽略不计，ui

=6sintV，E=3V，试画出

uo波形。[解]在ui正半周,且ui>E时，D导通，uo=E=3V；在ui正半周，但ui<E及ui负半周时，D均截止，uo=ui。DE3VRuiuo++tt

ui

/Vuo/V6330022–6第16页/共36页4.3

稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO+正向+反向第17页/共36页3.主要参数(1)稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2)电压温度系数ｕ环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流IZ、最大稳定电流IZM(5)最大允许耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。第18页/共36页

[例1]图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？IZDZ+20R=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例1的图IZ<IZM

，电阻值合适。[解]第19页/共36页N型硅二氧化硅保护膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型锗ECB铟球铟球PP(b)合金型4.4半导体三极管4.4.1基本结构第20页/共36页1.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区集电极C基极B发射极ENNP不论平面型或合金型，都分成NPN或PNP三层，因此又把晶体管分为NPN型和PNP型两类。ECB符号T第21页/共36页集电区集电结基区发射结发射区N集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管

CBET符号第22页/共36页以下是说明晶体管的放大原理和其中的电流分配的实验电路.4.4.2电流分配和放大原理发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++输入回路输出回路第23页/共36页晶体管电流测量数据结论：(1)符合基尔霍夫定律(2)IC和IE比IB大得多。从第三列和第四列的数据可得这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC。

式中，称为动态电流(交流)放大系数第24页/共36页(3)当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置，集电区才可收集从发射区发射过来的电子。下图给出了起放大作用时NPN型和PNP型晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。+UBE

ICIEIBCTEB+UCENPN型晶体管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型晶体管对于NPN型应满足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型应满足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE第25页/共36页特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO4.4.3特性曲线1.输入特性曲线第26页/共36页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。2.输出特性曲线第27页/共36页IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区

当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IBIC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。第28页/共36页当晶体管饱和时，UCE

0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC

0，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外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)饱和

UBC>0+第29页/共36页晶体管结电压的典型值第30页/共36页当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为IB，它引起集电极电流的变化量为IC。IC与IB的比值称为动态电流(交流)放大系数

在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下,可近似认为，但二者含义不同。1.电流放大系数，当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数4.4.4主要参数第31页/共36页2.集—基极反向截止电流ICBOICBO是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3.集—射极反向截止电流ICEOICEO是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。