电工学教案-半导体二极管和三极管

1、哈尔滨工业大学 电工学教研室,第15章 半导体二极管和三极管,返回,15.1 半导体的导电特性 15.2 PN结 15.3 半导体二极管 15.4 稳压管 15.5 半导体三极管,目 录,15.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。,半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,本征半导体就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,15.1.1 本征半导体,自由电子与空穴,15.

2、1.1 本征半导体,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中 留下一个空穴。,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 热激发,15.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,半导体导电方式,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很

3、大。,15.1.1 本征半导体,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,15.1.2 N型半导体和P型半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电子型半导体或N型半导体,15.1.2 N型半导体和P型半导体,P型半导体,在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,15.1.2 N型半导体和P型半导体,不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,返回,15.2 PN

4、结,15.2.1 PN结的形成,PN结是由扩散运动形成的,15.2.1 PN结的形成,15.2.1 PN结的形成,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,15.2.2 PN结的单向导电性,1 外加正向电压使PN结导通,PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,15.2.2 PN结的单向导电性,2 外加反向电压使PN结截止,PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 -反向电流 特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的,1

5、5.2.2 PN结的单向导电性,结 论,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,返回,15.3 半导体二极管,15.3.1 基本结构 15.3.2 伏安特性 15.3.3 伏安特性的折线化 15.3.4 二极管的主要参数,15.3.1 基本结构,15.3.2 伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,15.3.2 伏安特性,1 正向特性,反向电流： 反向饱和

6、电流： 反向击穿电压U（BR）,15.3.2 伏安特性,2 反向特性,15.3.4 伏安特性的折线化,15.3.4 主要参数,1 最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。,2 反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。,3 反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,15.3.5 应用举例,主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。,VY=+2.7V,解：,D

7、A优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。,DA起钳位作用， DB起隔离作用。,返回,15.4 稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。,1 稳压管表示符号：,IZ,UZ,2 稳压管的伏安特性：,3 稳压管稳压原理：,稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。,稳压管的反向特性曲线比较陡。,反向击穿 是可逆的。,15.4 稳压管,4 主要参数,（2）电压温度系数,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,说明稳压管受温度变化影响的系数,1

8、5.4 稳压管,（3）动态电阻,（4）稳定电流,（5）最大允许耗散功率,rZ,稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值,IZ,PZM,管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM,15.4 稳压管,例题,稳压管的稳压作用,当UUZ大于时,稳压管击穿,此时,选R，使IZIZM,返回,15.5 半导体三极管,15.5.1 基本结构,15.5.1 基本结构 15.5.2 电流分配和放大原理 15.5.3 特性曲线 15.5.4 主要参数,结构,15.5.1 基本结构,15.5.1 基本结构,15.5.2 电流分配和放大原理,共发射极接法,15.5.2 电流分配和放大原理,晶体管电流测量

9、数据,由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）当IB=0（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO0.001mA,用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。,15.5.2 电流分配和放大原理,外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。 UBE0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBEUCE,15.5.2 电流分配和放大原理,发射结正偏,扩散强,E区多子（自由电子）到B区,B区多子（空穴）到E区,穿过发射结的电流主要是电子流,形成发射极电流IE,IE是由扩散运动形成的,1 发射区向基区扩散电子，

10、形成发射极电流IE。,15.5.2 电流分配和放大原理,2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB,E区电子到基区B后，有两种运动,同时基区中的电子被EB拉走形成,IB,IEB=IB时达到动态平衡,形成稳定的基极电流IB,IB是由复合运动形成的,15.5.2 电流分配和放大原理,3 集电极收集电子，形成集电极电流IC,集电结反偏,阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子,有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO,形成集电极电流IC,15.5.2 电流分配和放大原理,15.5.3 特性曲线,用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的

11、重要依据。,以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。,15.5.3 特性曲线,1输入特性曲线：,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。 正常工作时，发射结的压降： NPN型硅管UBE=0.60.7V; PNP型锗管UBE=-0.2-0.3V。,15.5.3 特性曲线,2 输出特性曲线,晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,15.5.3 特性曲线,晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,（1）放大区（线性区）,输出特性曲线的近似水平部分。,发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置,15.5.3 特性曲线,（2）截止区,IB=0曲线以下的区域为截

12、止区,IB=0 时，IC=ICEO0.001mA,对NPN型硅管而言，当UBE0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。,（3）饱和区,当UCEUBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态,在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例,15.5.3 特性曲线,15.5.4 主要参数,注意：,15.5.4 主要参数,2 集基极反向截止电流ICBO,ICBO=IC|IE=0,ICBO受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。,15.5.4 主要参数,3 集射极反向截止电流ICEO,ICEO=IC|IB=0,穿透电流ICEO与ICBO的关系：,15.5.4 主要参数,4 集电极最大允许电流ICM,在使用晶体管时，IC超过ICM并不一定会使晶体管损坏，但以