电路电子chap04教材

4.2半导体二极管4.3双极性晶体管4.4场效应晶体管4.1PN结第4章半导体二极管、三极管上页下页返回——

导电能力介于导体和绝缘体之间1.半导体4.1PN结+14284Si硅原子结构示意图+322818Ge锗原子结构示意图4+4硅、锗原子的简化模型晶体结构

半导体的电阻率为10-3~109

cm。典型的半导体材料：硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体单晶硅中的共价键结构第4章上页下页返回4.1PN结本征半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。它在物理结构上呈单晶体形态。共价健

Si

Si

Si

Si价电子晶体中原子的排列方式本征半导体中，载流子为自由电子和空穴。本征激发复合动态平衡温度,光照温度每升高10°C左右，半导体中电子浓度约增大一倍1.本征半导体中载流子数目极少，其导电性能很差2.温度是影响半导体导电性能的重要因素引发载流子——电子和空穴对本征半导体的特点:电子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杂质半导体

在N

型半导体中自由电子是多子，空穴是少子。2.杂质半导体——N型半导体和P型半导体N型半导体空穴半导体掺入三价元素

Si

Si

Si

SiP型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。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。2.杂质半导体——N型半导体和P型半导体P型半导体4.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。（a.电子电流、b.空穴电流）3.当温度升高时，少数载流子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。1.在杂质半导体中多数载流子的数量主要与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。2.在杂质半导体中少数载流子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。abCba

用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成一个PN结。3.PN结的形成

在一块本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。此时将在N型半导体和P型半导体的结合面上形成PN结。物理过程如下:

因浓度差

多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

空间电荷区形成内电场

内电场促使少子漂移

内电场阻止多子扩散

在一定条件下，多子扩散和少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定。内电场阻挡多子的扩散运动，推动少子的漂移运动。空间电荷区内电场方向PN多子扩散少子漂移结论：在PN结中同时存在多子的扩散运动和少子的漂移运动。上页下页返回4.PN结的单向导电性由上述分析可知：PN结具有单向导电性

即：在PN结上加正向电压时，

PN结电阻很低，正向电流较大。（PN结处于导通状态,也称为正偏）

加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小。（PN结处于截止状态，称为反偏）上页下页返回6.PN结的电压与电流关系++++++_PN_____uiIS——

PN结反向饱和电流UT——

热电压式中UT=KTqq——电子电量T——绝对温度在室温（T=300K)时，。K——玻耳兹曼常数其中a.当u=0时，i=0；c.当u<0，且|u|>>UT时，i

–IS。b.当u>0，且u>>UT时，；-40-20OU/VI/mA604020-50-250.40.8正向反向击穿电压死区电压U(BR)I/μA6.PN结的电压与电流关系/v_show/id_XMTMzMDcxNjUy.htmlPN结的电容效应PN结具有一定的电容效应，它由两方面的因素决定——势垒电容CB、扩散电容CD势垒电容和扩散电容均是非线性电容。

(1)势垒电容CB

势垒电容是由空间电荷区离子薄层形成的。当外加电压使PN结上压降发生变化时，离子薄层的厚度也相应地随之改变，这相当PN结中存储的电荷量也随之变化，犹如电容的充放电。

扩散电容是由多子扩散后，在PN结的另一侧面积累而形成的。因PN结正偏时，由N区扩散到P区的电子，与外电源提供的空穴相复合，形成正向电流。刚扩散过来的电子就堆积在P区内紧靠PN结的附近，形成一定的多子浓度梯度分布曲线。(2)扩散电容CD

反之，由P区扩散到N区的空穴，在N区内也形成类似的浓度梯度分布曲线。扩散电容的示意图如图01.10所示。

图01.10扩散电容示意图

当外加正向电压不同时，扩散电流即外电路电流的大小也就不同。所以PN结两侧堆积的多子的浓度梯度分布也不相同，这就相当电容的充放电过程。(a)点接触型(b)面接触型

结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。

结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。(c)平面型

用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。4.2半导体二极管

1.半导体二极管的结构和类型

阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)

点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型半导体二极管的结构和符号二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)

符号D上页下页返回几种二极管外观图小功率二极管大功率二极管

发光二极管硅管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0.6~0.8V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。2.二极管的伏安特性3.二极管的主要参数最大整流电流IFM

最高反向电压URM

最高工作频率fM

最大反向电流IRM

长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。

是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。

指二极管加最高反向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，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。使二极管单向导电作用开始明显退化的交流信号的频率二极管的单向导电性1.二极管加正向电压时，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。2.二极管加反向电压时，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。3.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。4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。5.二极管电路分析定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V

分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳

>V阴或UD为正，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。电路如图，求：UABV阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V例1

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。二极管起钳位作用。D6V12V3k

BAUAB+–两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0VD1承受反向电压为－6V流过D2

的电流为求：UAB

在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。例2:D2B12V3k

AUAB+–6VD1ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V例3：二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––上页下页本节结束返回稳压管构成的稳压电路

图中R为限流电阻，用来限制流过稳压管的电流。RL为负载电阻。UiR＋-＋-DZRL＋-UOIILIZUZ

由于稳压管工作在其反向特性端，因而在反向击穿的情况下可以保证负载两端的电压在一定的范围内基本保持不变。1.符号UZIZIZM

UZ

IZ2.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。_+UIO4.2.6稳压二极管UZIZIZM

UZ

IZUIO最大允许耗散功率Pzm=IzmUz一般情况:高于6V的αUZ为负,低于6V的αUZ为正。电压温度系数αUZ动态电阻rZrz=△UZ/△IZ稳定电压UZ稳定电流IZ、最大稳定电流Izm3.稳压管的主要参数环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。RzUzDzI+-U+-稳压管电路U<UZ时，稳压管未击穿，电路不通。U>UZ时，稳压管击穿必须适当选择R值，使得I<IZM。R称为限流电阻。稳压二极管的应用RLuiuORDZiiZiLUZ例：稳压二极管的应用稳压二极管技术数据为：稳压值UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻RL=2k

，输入电压ui=12V，限流电阻R=200，求iZ。若负载电阻变化范围为1.5k--4k

，是否还能稳压？RLuiuORDZiiZiLUZUZ=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）负载变化,但iZ仍在12mA和2mA之间,所以稳压管仍能起稳压作用上页下页返回4.3双极型晶体管晶体管的结构和类型电流分配关系和放大作用特性曲线——输入，输出主要参数电流放大倍数、极间反向电流、极限参数、频率参数温度对参数的影响晶体管（Transistor）由两个PN结构成。4.3.1晶体管的结构和类型根据材料可分为——硅管和锗管。根据结构可分为——NPN和PNP。晶体管的结构(a)平面型；(b)合金型BEP型硅N型硅二氧化碳保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球(a)(b)基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极集电区：面积最大结构特点：(1)掺杂浓度：发射区>>集电区>>基区；(2)基区必须很薄。(a)NPN型晶体管(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNETCBIBIEICCE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B(b)PNP型晶体管晶体管的结构示意图和表示符号IEIBRBUBBICUCC输入电路输出电路公共端

晶体管具有电流放大作用的外部条件：发射结正向偏置集电结反向偏置NPN

管：

UBE>0

UBC<0即VC>VB>VERCBCE共射极放大电路上页下页PNP

管：

UBE<0

UBC>0即VC<VB<VECEB返回2.电流分配和放大原理晶体管内部载流子的运动IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBEICE与IBE之比称为共发射极电流放大倍数集射极穿透电流,温度

ICEO

若IB=0,则

IC

ICEO电流分配关系电流分配关系由上所述可知:由于基区很薄且掺杂浓度小,电子在基区扩散的数量远远大于复合的数量。即：IC>>IB

或△IC>>△IB上页下页返回晶体管起电流放大作用，必须满足发射结正偏，集电结反偏的条件。3当基极电路由于外加电压或电阻改变而引起IB的微小变化时，必定使IC发生较大的变化。即三极管的基极电流对集电极电流具有控制作用。晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压和电流之间的关系曲线。bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+-

NPN型晶体管的电压和电流参考方向iC+iB=iE

uCE

=uBE－uBC

通常是以发射极为公共端，画出iC、iB，uCE和uBE四个量的关系曲线，称为共射极特性曲线。

4.3.3特性曲线4.3.3特性曲线1.输入特性曲线IB

=f(UBE)UCE=常数上页下页返回IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCEiB(mA)uBE(V)0.20.40.60.80.020.040.060.080uCE

=0V1V5V3DG4的输入特性20℃(1)当uCE=0时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线形状类似。μARW1VBBbecVuBE+-iB输入特性有以下几个特点：(2)uCE增加，特性曲线右移。

uCE的大小影响基区内集电结边界电子的分布。(3)uCE>1V以后，特性曲线几乎重合。

uCE>1V以后，基区中集电结边界处的电子浓度很低。(4)与二极管的伏安特性相似

uBE<Ur时，iB=0；Ur=0.5V(Si)Ur=0.1V(Ge)(5)正常工作时

uBE=0.7V(Si)uBE=0.2V(Ge)cebuBEiBiCiEuCE+_+_

PNP型晶体管的电压电流参考方向-uBE(V)iB(mA)00.10.20.30.40.040.080.120.16uCE=0V-6V3AX1的输入特性PNP管的电压极性、电流方向与NPN型管不同。PNP管的参考方向O2.晶体管输出特性曲线IC

=f(UCE)|IB=常数IB

减小IB增加UCEICIB

=20µAIB

=60µAIB

=40µA上页下页翻页返回IEIBRBUBICUCCRC＋--＋UBEUCE晶体管输出特性曲线分三个工作区UCE

/VIC

/mA8060400IB=20µAO24681234截止区饱和区放大区上页下页翻页返回

晶体管三个工作区的特点:放大区:截止区:饱和区:发射结正偏,集电结反偏有电流放大作用,IC=βIB输出曲线具有恒流特性发射结、集电结处于反偏失去电流放大作用,IC≈0晶体管C、E之间相当于开路发射结、集电结处于正偏失去放大作用晶体管C、E之间相当于短路上页下页返回集电极基极间反向饱和电流ICBO集电极发射极间穿透电流ICEOICEO=(1+β)ICBO交流电流放大系数β=△IC/△IB上页