半导体二极管和三极管课件

半導體二極體和三極管

學會用工程觀點分析問題，就是根據實際情況，對器件的數學模型和電路的工作條件進行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結果。

對電路進行分析計算時，只要能滿足技術指標，就不要過分追究精確的數值。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差、工程上允許一定的誤差、採用合理估算的方法。

對於元器件，重點放在特性、參數、技術指標和正確使用方法，不要過分追究其內部機理。討論器件的目的在於應用。15.1

半導體的導電特性半導體的導電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純淨的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極體、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當環境溫度升高時，導電能力顯著增強15.1.1

本征半導體

完全純淨的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式矽單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子

Si

Si

Si

Si價電子

價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）後，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現象稱為本征激發。空穴

溫度愈高，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現一個空穴，其結果相當於空穴的運動（相當於正電荷的移動）。本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現兩部分電流

(1)自由電子作定向運動

電子電流

(2)價電子遞補空穴

空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數目極少,其導電性能很差；

(2)溫度愈高，載流子的數目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷複合。在一定溫度下，載流子的產生和複合達到動態平衡，半導體中載流子便維持一定的數目。15.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜後自由電子數目大量增加，自由電子導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為電子半導體或N型半導體。摻入五價元素

Si

Si

Si

Sip+多餘電子磷原子在常溫下即可變為自由電子失去一個電子變為正離子

在本征半導體中摻入微量的雜質（某種元素）,形成雜質半導體。

在N

型半導體中自由電子是多數載流子，空穴是少數載流子。動畫15.1.2N型半導體和P型半導體

摻雜後空穴數目大量增加，空穴導電成為這種半導體的主要導電方式，稱為空穴半導體或P型半導體。摻入三價元素

Si

Si

Si

Si

在P型半導體中空穴是多數載流子，自由電子是少數載流子。B–硼原子接受一個電子變為負離子空穴動畫無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。

1.在雜質半導體中多子的數量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

2.在雜質半導體中少子的數量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關。

3.當溫度升高時，少子的數量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba15.2PN結15.2.1PN結的形成多子的擴散運動內電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區變薄。

擴散的結果使空間電荷區變寬。空間電荷區也稱PN結

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態平衡，空間電荷區的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區15.2.2PN結的單向導電性

1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF

內電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處於導通狀態。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場P接負、N接正內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－動畫–+PN結變寬2.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場

內電場被加強，少子的漂移加強，由於少子數量很少，形成很小的反向電流。IRP接負、N接正溫度越高少子的數目越多，反向電流將隨溫度增加。動畫–+PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處於截止狀態。內電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－15.3

半導體二極體15.3.1基本結構(a)點接觸型(b)面接觸型

結面積小、結電容小、正向電流小。用於檢波和變頻等高頻電路。

結面積大、正向電流大、結電容大，用於工頻大電流整流電路。(c)平面型

用於積體電路製作工藝中。PN結結面積可大可小，用於高頻整流和開關電路中。陰極引線陽極引線二氧化矽保護層P型矽N型矽(

c

)平面型金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)

點接觸型鋁合金小球N型矽陽極引線PN結金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型圖1–12

半導體二極體的結構和符號15.3

半導體二極體二極體的結構示意圖陰極陽極(

d

)

符號D15.3.2伏安特性矽管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大於死區電壓二極體才能導通。

外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性矽0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓範圍內保持常數。15.3.3主要參數1.

最大整流電流

IOM二極體長期使用時，允許流過二極體的最大正向平均電流。2.

反向工作峰值電壓URWM是保證二極體不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極體反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極體擊穿後單向導電性被破壞，甚至過熱而燒壞。3.

反向峰值電流IRM指二極體加最高反向工作電壓時的反向電流。反向電流大，說明管子的單向導電性差，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。矽管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為矽管的幾十到幾百倍。二極體的單向導電性

1.二極體加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極體處於正嚮導通狀態，二極體正向電阻較小，正向電流較大。

2.二極體加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極體處於反向截止狀態，二極體反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大於反向擊穿電壓二極體被擊穿，失去單向導電性。

4.二極體的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

二極體電路分析舉例定性分析：判斷二極體的工作狀態導通截止否則，正向管壓降矽0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極體斷開，分析二極體兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極體導通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極體截止

若二極體是理想的，正嚮導通時正向管壓降為零，反向截止時二極體相當於斷開。電路如圖，求：UABV陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極體導通若忽略管壓降，二極體可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低於－6V一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點作參考點，斷開二極體，分析二極體陽極和陰極的電位。

在這裏，二極體起鉗位作用。

D6V12V3k

BAUAB+–兩個二極體的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極體，分析二極體陽極和陰極的電位。V1陽

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=

－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極體可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UAB

在這裏，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。

BD16V12V3k

AD2UAB+–ui>8V，二極體導通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極體截止，可看作開路uo=ui已知：二極體是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極體的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關、元件保護、溫度補償等。ui18V參考點二極體陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫15.4

穩壓二極體1.符號UZIZIZM

UZ

IZ2.伏安特性

穩壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩壓管反向擊穿後，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩壓管在電路中可起穩壓作用。_+UIO3.主要參數(1)穩定電壓UZ

穩壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)電壓溫度係數

ｕ環境溫度每變化1

C引起穩壓值變化的百分數。(3)動態電阻(4)穩定電流IZ、最大穩定電流IZM(5)最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩壓性能愈好。光電二極體反向電流隨光照強度的增加而上升。IU照度增加符號發光二極體有正向電流流過時，發出一定波長範圍的光，目前的發光管可以發出從紅外到可見波段的光，它的電特性與一般二極體類似，正向電壓較一般二極體高，電流為幾~幾十mA光電二極體發光二極體15.5

半導體三極管15.5.1

基本結構NNP基極發射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區：最薄，摻雜濃度最低發射區：摻雜濃度最高發射結集電結BECNNP基極發射極集電極結構特點：集電區：面積最大15.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發射結正偏、集電結反偏PNP發射結正偏

VB<VE集電結反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發射結正偏VB>VE集電結反偏VC>VB

2.各電極電流關係及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）三電極電流關係IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為電晶體的電流放大作用。

實質:用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。3.三極管內部載流子的運動規律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區空穴向發射區的擴散可忽略。

發射結正偏，發射區電子不斷向基區擴散，形成發射極電流IE。

進入P區的電子少部分與基區的空穴複合，形成電流IBE，多數擴散到集電結。從基區擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。

集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.

三極管內部載流子的運動規律IC=ICE+ICBO

ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBO

IBEICE與IBE之比稱為共發射極電流放大倍數集－射極穿透電流,溫度

ICEO

(常用公式)若IB=0,則

IC

ICE015.5.3

特性曲線

即管子各電極電壓與電流的關係曲線，是管子內部載流子運動的外部表現，反映了電晶體的性能，是分析放大電路的依據。為什麼要研究特性曲線：

1）直觀地分析管子的工作狀態

2）合理地選擇偏置電路的參數，設計性能良好的電路

重點討論應用最廣泛的共發射極接法的特性曲線發射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發射極電路輸入回路輸出回路

測量電晶體特性的實驗線路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++1.

輸入特性特點:非線性死區電壓：矽管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發射結電壓：NPN型矽管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區輸出特性曲線通常分三個工作區：(1)放大區

在放大區有IC=

IB

，也稱為線性區，具有恒流特性。

在放大區，發射結處於正向偏置、集電結處於反向偏置，電晶體工作於放大狀態。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區IB<0以下區域為截止區，有IC0

。

在截止區發射結處於反向偏置，集電結處於反向偏置，電晶體工作於截止狀態。飽和區截止區（3）飽和區

當UCE

UBE時，電晶體工作於飽和狀態。在飽和區，

IB

IC，發射結處於正向偏置，集電結也處於正偏。

深度飽和時，矽管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。15.5.4

主要參數1.電流放大係數，

直流電流放大係數交流電流放大係數當電晶體接成發射極電路時，

表示電晶體特性的數據稱為電晶體的參數，電晶體的參數也是設計電路、選用電晶體的依據。注意：

和

的含義不同，但在特性曲線近於平行等距並且ICE0較小的情況下，兩者數值接近。常用電晶體的

值在20~200之間。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以後的計算中，一般作近似處理：

=