现代电工电子技术 第3版 课件 第7章 双极型半导体器件

第7章常用半导体器件第7章常用半导体器件7.3其他二极管7.1半导体与PN结7.2二极管7.4晶体管按照原理，我们可以把电子技术的应用分为利用电能和利用电

信号俩大类。我们分别讨论一下俩类各有什么用电器。按照用

途可以分为照明、加热、通信、测量、报警等等。1、

以电流来说，方向和大小始终不变的叫做直流电；方向和

大小周期性变化的叫交流电。生活中有哪些属于直流电和交流

电?(示波器演示)2、

一般的，利用电能工作的电路电流和

电压比较大，叫强电；利用电信号的电流和电压比较小，叫弱

电；在工业和远距离输电时往往用到高压电。3、电信号连续

变化的叫模拟电路；不连续变化的叫数字电路。(用示波器演

示，并出示相应的集成电路)4、直流电、交流电、强电、弱

电、高压电、数字电路和模拟电路往往有不同的用途，谁能举

几个例子?电池

直流电；市电

交流电。直流

充电、电镀；

交流

日光灯照明、高炉炼铁；强电

利用电能；弱电

利用电信号；高压电

远距离输电。模拟

传统

电路；数字现代通信、计算机。不同的电信号之间可以相互转化：充电器、稳压电路——交变

直；振荡电路——直变交；变压器——改变电压(交流);分

压电路——改变电压(直流);模数转换

(A/D)——模变数；

数模转换

(D/A)——

数变模；1904-电子管，在真空中对电子流控制1944-第一台电子计算机英国-科洛萨斯1947-第一个晶体管-半导体时代1956-第一个晶闸管-电力电子时代“科洛萨斯”计算机呈长方体状，长4.9米，宽1.8米，高2.3米，重约4

吨。它的主体结构是两排机架，上面安装了2500个大小形状如同电灯泡的

电子管。它利用打孔纸带输入信息，由自动打字机输出运算结果，每秒可

处理5000个字符。它的耗电量为4500瓦。第一台电子计算机1944年IBM

推出的286电脑，中国计算机发展公司(长城

电脑前身)于1986年推出了国内第一台微型计算

机.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，如铁、铜、铝等。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、氧化物等半导体的导电机理不同于其它物质，其特点：·

当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。·

往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。7.1半导体与PN结7.1.1

半导体的基本知识7.1.2本征半导体和杂质半导体1.本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。共价键结构形成共价键后，最外层电子是8个，构成稳定结构绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电常用的半导体是硅和锗，外层电子(价电子)均4个。2.杂质半导体N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷(或锑)而形成。也称为(电子半导体)。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)而形成，也称为(空穴半导体)。④++④+①多子和少子的移动都能形成电流。起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等V型半导体自由电子为多子P

型半导体空穴是多子区变薄。P

型半导体

内电场E

N

型半导体o

o扩散和漂移运动最终达到平衡，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OO7.1.3PN结漂移运动O

O

o

O

O空间电荷区，也称耗尽层。内电场越强，漂移运动

越强，漂移使空间电荷扩散使空间电

荷区逐渐加宽1.PN

结的形成扩散运动PN

结加上反向电压：P区加负、N

区加正电压变厚P

!一内电场一外

电

场结论：

PN结

截

止2.PN

结

的

单

向

导

电

性PN

结外加正向电压：P区接正、N

区接负电压变薄结论：PN结导通P外电场N内

电

场7.2

二极管P7.2.1

二极管的结构与符号7.2.2

二极管的伏安特性死区电压硅管0.5V,锗管0.1V反向击穿电

压UR1.3N导通压降：硅管约0.7V锗管约0.3V7.2.3主要参数1.最大整流电流IFM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.最大反向工作电压URM指管子运行时允许承受的最大反向电压，是反向击穿电压UBR的一半。3.

反向电流IR指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。其值越小越好。温度越高反向电流越大。硅管的较小，锗管的要比硅管大

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。1.34.直流电阻

RD二极管上电压与电流之比正向几十欧-几千欧反向几十-几百千欧5.

微变电阻

rp

ID

△iDrp是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：

u0显

然

，rp

是

对Q附近的微小变化区域内的电阻1.3实际二极管：正向压降≈0.7V(硅二极管)理想二极管：

正向压降=0。分析时，常把二极管看成理想的。二极管的应用举例1:

二极管半波整流7.2.4

二极管电路的分析方法应用举例二极管的应用2应用举例30

Ω

100

Ω30V

40V12V举例3

哪些二极管是导通的?VD导通

怎么来的?VD导通VD

截止应用举例应用举例举例4

画

出u₀波形bdCa(2)电压温度系数

αu(

%/℃

)稳压值受温度变化影响的的系数(3)动态电阻(4)稳定电流Iz、最大、最小稳定电

流Izmax、Izmin(5)最大允许功耗

PzM=UzIzmax特性曲线曲线越陡，电压越稳定Uz工作区Iz稳压管是一种特殊的二极管，它专门工作在反向工作区稳压二极管的参数：(1)稳定电压

Uz7.3.1

硅稳压二极管符号7.3稳压二极管的应用举例

7.31、已知u=20V,Uz₁=6V,

求U₀=?分

析

：

电流通路稳压管反向击穿解：U₀=6V2、已知u=20V,Uz₁=6V,

Uz₂=9V,

求U₀=?答案：

u₀=6+9=15VRVz₁V₂2u;U₀与普通二极管一样由PN

结构成也具有单向导电性。由磷化镓

(GaP)

等半导体材料制成，能直接将

电能转变成光能的发光

显示器件。有正向电流流过时，发出一定波长范围的光。0

1

2

3

4

5

6

7

8

9(a)

分段示意图

(b)

发光显示图七段字形数码显示器LED

是Light

Emitting

Diode的缩写发光二极管

(LED)7.3.2发光二极管光电二极管和普通二极管一样，也由一个PN结组成，

具有单方向导电性。不同之处是光电二极管的外壳上有一个透

明的窗口以便接收光线照射，实现光电转

换。是在反向电压作用下工作的，没有光

照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有

光照时，反向电流迅速增大，称为光电流。

光的强度越大，反向电流也越大。光的变

化引起光电二极管电流变化，这就可以把

光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

在电路中通过它把光信号转换成电信号。

反向电流随光照强度的增加而上升。7.3IU照度增加7.3.3光电二极管NPN型基极B集电极NPN7.4晶体管7.4.1晶体管的构造和工作原理发射极C

BIg

E发射极CBTBE基极BIcIgIcIgPNPPNP型集电极符号7.47.4晶体管1.基本结构集

电

区

：面积较大基极基区：较薄

掺杂浓度低发射结发射区：掺杂浓度较高NPNE发射极集电极

集电结2.

工作原理

穿过集电结形成I要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。合形成IBIB三个极电流的关系为

IB+Ic=IEIc与IB之比称为电流放大倍数发射结正偏Eʙ发射区电

子不断向

基区扩散，

形成发射

极电流I集电结反偏IE7.4.2

晶体管的特性曲线1)输入特性UCE=0.5VTT

-∩T7IB7.4IcmA)-μAEcVUBE实验线路V

UCE死

RB硅

锗EB7.4.2特性曲线

2)输出特性Ic(mA)

当UCE大于一定的数

值

时

，Ic=βIB80μA60μA40μA20μAIp=069

12UCE(V)(放大区)

满足Ic=βIB321输出特性三个区域的特点：(1)放大区：

发射结正偏，集电结反偏。即：

Ic=BlB(2)饱和区：

发射结正偏，集电结正偏。即：UCE<UBE,βIB>Ic,UCE≈0.3V(3)截止区：

UBE<

死

区

电

压

，Ig=0,Ic=1cEo≈01B=0截止区

3

6

9

12

UcE(V)Ic(mA)100μA有三个区饱和区7.4.2特性曲线7.4例：β=50,

Ucc=12V,RB=70kΩ,Rc=6kΩ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

：IB=0,Ic=0Q位于截止区Ic最大饱和电流：Ic=βIB=50×0.019mA=0.95mAUcE=Ucc-IRc=12-0.95×6=6.3V

可知

Q位于放大区例

：β=50,

Ucc=12V,RB=70kΩ,Rc=6kΩ当UsB=2V,2V

,5V时，晶体管的静态工作点Q

位

于哪个区?SBUsB=2V时7.4IBRERUCEUcc

).BD

E例

：β=50,Ucc=12V,RB=70kΩ,Rc=6kΩ当UsB=5V,2V,

5V时，晶体管的静态工作点Q位于哪个区?UsB=5V

时

：Iʙ=

UsB-UBE=5-0.7

=0.061mAβIg=50×0.061mA=3.05m<1cmaxUcE=12-3.05×6=-6.3VQ位于饱和区，此时Ic和Ig已不是β倍的关系。工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为△B,相应集

电极电流变化为△Ic,则交流电流放大倍数为7.4.3

晶体管的主要参数1)电流放大倍数β和β直流电流放大倍数：例

：UcE=6V时

：IB=40μA,Ic=1.5mA;IB=60μA,Ic=2.3mA在以后的计算中，

一般作近似处理：

7.4·

集-射穿透电流ICEO基极开路，从集电极穿

透至发射极的电流ICEo受温度影响大，T个-

IcEo↑

个，Ic

也

相应增加7.4.3

主要参数2)极间反向电流·

集电结反向饱和电流ICBoIcBOIcEo=(1+β)IcBO三极管的温度特性较差发射结开路，集电结反

偏时由少子漂移形成的

反向电流，受温度影响3)极限参数

7.4.3

主要参数·集电极最大电流IcMIc过大，会导致β值下降，当降到正常值2/3时的Ic即为ICM·

反向击穿电压当C开

路

，B-E

间反向击穿电压BUEBO,一般约5V当E开路，C-B

间反向击穿电压BUc

Bo,一般约几十伏以上当B开路，C-E

间反向击穿电压BUceo.·

集电极最大允许功耗PcM·集电极电流Ic流过

三极管，所发出的焦耳热为

：Pc=icUCE·

必定导致结温上升所以Pc

有限制

P≤PcM比

BUcBo

小些

安全工作区IcUcE=PcM7.4.3

主要参数4)晶体管参数与温度的关系·IcBo与温度T成指数关系温度每增加10℃

,ICBo增大1倍·UBE

与温度的关系温度每升高1℃

,UBE减小2~2.5mV·

β与温度的关系温度每升高1℃,β增加0.5%~1%~测得工作在放大电路中几个三极管的三个电位如下图，判断他们是PNP型还是NPN型?是硅管还是锗管?同时确定三个电极3.5V

6YbC12V

NPN

硅管6VCb11.3V

PNP

硅管e

b12V

PNP

锗管

11.8VNPN

锗管