1、第 9 章 二极管和晶体管,第 9 章 二极管和晶体管,9.1 半导体的导电特性,9.2 二极管,9.3 稳压二极管,9.4 晶体管,9.5 光电器件,自由电子,9.1 半导体的导电特性,本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,9.1.1 本征半导体,本征半导体中自由 电子和空穴的形成,用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现,同时又不断复合。,在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形
2、成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流。,可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。,空穴移动方向,电子移动方向,外电场方向,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,外电场的作用下电子、空穴的移动,9.1.2 N 型半导体和 P 型半导体,1N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴
3、是少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。,Si,Si,Si,Si,Si,Si,Si,多余价电子,本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强。,2. P 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为 P 型半导体。,空穴,价电子填补空位,9.1.3 PN 结及其单向导电性,1. PN 结的形成,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
4、区域和 N 型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。,P 区,N 区,2PN 结的单向导电性,(1)外加正向电压,内电场方向,R,P 区,N 区,外电场驱使 P 区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷,N 区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形 成较大的正向电流,P 区,N 区,内电场方向,R,2外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过 PN 结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,9.2 二极管,9.2.1 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，
5、有点接触型和面接触型两类。,a 点接触型,b 面接触型,c 平面型,9.2.2 伏安特性,二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为 0.5 V。导通时的正向压降，硅管约为 0.6 0.7 V。,60,40,20, 0.02, 0.04,0,0.4,0.8,25,50,I / mA,U / V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极
6、管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。,0.02,I / mA,U / V,0.2,0.4, 25, 50,5,10,15,0.01,锗管的伏安特性,0,锗管死区电压为 0.1V，导通时的正向压降为 0.2 0.3 V。, 25, 50,锗管的伏安特性,锗管死区电压为 0.1V，导通时的正向压降为 0.2 0.3 V。,9.2.3 主要参数,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
7、,它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,例 1 在图中，输入电位 VA = +3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 12 V。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 0.3 V，则 VY = +2.7 V。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 +2.7 V。,二极管的应用范围很广,主要都是利用它的单向导电性。它可用作整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,以及管子的好坏？,作业,9.2.5,稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如
8、下图所示。,稳压二极管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压二极管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。,I/mA,U/V,O,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,9.3 稳压二极管,稳定电压,稳定电流,最大 稳定电流,稳压范围,稳压二极管的主要参数有下面几个：,1稳定电压 UZ,4稳定电流 IZ,3动态电阻 rZ,2电压温度系数 U,5最大允许耗散功率 PZM,例 1 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电
9、阻，其值是否合适？,IZ IZM ，电阻值合适。,解,9.3.3,作业,9.4 晶体管,9.4.1 基本结构,9.4 晶体管,1NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极 C,基极 B,发射极 E,P,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。,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 B,N,P,P,N,2PNP 型三极管,9.4.2 电流分配和放大原理,9.4.2 电流分配和放大原理,9.4.2 电流分配和放大原理,我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验
10、电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具有放大作用，电源 EB 和 EC 的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。,设 EC = 6 V； 改变可变电阻 RB ，则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE都发生变化，测量结果如下表：,基极电路,集电极电路,晶体管电流测量数据,结论：,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：,(1),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
11、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。,(3) 当 IB = 0(将基极开路)时，IC = ICE0， 表中 ICE0 0.001 mA = 1 A。,(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晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。,NPN 型晶体管,PNP 型晶体管,对于 NPN 型晶体管应满足： UBE 0 UBC VB VE,对于 PNP 型晶体管应满足： UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,1. 输入特性曲
12、线,输入特性曲线是指当集-射极电压 UCE为常数时，输入电路(基极电路)中，基极电流 IB 与基-射极电压 UBE 之间的关系曲线 IB = f (UBE )。,晶体管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生 IB。,9.4.3 特性曲线,2输出特性曲线,输出特性曲线是指当基极电流 IB 为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流 IC 与集-射极电压 UCE 之间的关系曲线 IC = f (UCE )。 在不同的 IB下，可得出 不同的曲线，所以晶体 管的输出特性曲线是一 组曲线。,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三个工作区,2输出特性曲线,(1) 放
13、大区,输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区， 。放大区也称为线性区，因为 IC 和 IB 成正比的关系。对 NPN 型管而言，应使 UBE 0，UBC UBE。,(2)截止区,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时，IC = ICEO(很小)。对 NPN 型硅管，当 UBE 0.5 V 时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使 UBE 0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC 0)，此时，IC 0 ，UCE UCC 。,(3)饱和区,当 UCE 0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和 IB 不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UC
14、C/RC 。,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。,晶体管结电压的典型值,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,9.4.4 主要参数,1. 电流放大系数 ，,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
15、于平行等距并且 ICEO 较小的情况下，可近似认为 ，但两者含义不同。,2. 集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO 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 ICEO,ICEO 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。,4集电极最大允许电流 ICM,当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM 。,5集-射反相击穿电压 U(BR)CEO,6. 集电极最大允许耗散功率 PCM,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集-射反相击穿电压 U(BR)CEO 。,当晶体管因受热而引起的参
16、数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。,由 ICM 、U(BR)CEO 、PCM三者共同确定晶体管的安全工作区。,单电子晶体管结构示意图,单电子晶体管,1.单电子存储器 2.电子、电流检测和基准器件 3.单电子数字集成电路,量子隧穿效应：电子与某一势垒碰撞时，如果势垒的厚度减薄到能够与电子的德布罗意波长相当，那么电子具有一定的概率穿过该势垒。 库仑阻塞效应：如果一个库仑岛的静电势能能级间隔比电子运动的能量大，那么该电子就难以隧穿进入该库仑岛。,晶闸管的外形 (a)螺旋式；(b)平板式；(c)压膜塑封式,晶闸管的结构与工作原理,1. 晶闸管的结构,晶闸
17、管的内部结构和符号 (a)内部结构；(b)符号,常用晶闸管的结构,螺栓型晶闸管,晶闸管模块,平板型晶闸管外形及结构,晶闸管导通关断实验电路,2. 晶闸管的导通关断实验,作业,9.5 光电器件,9.5.1 发光二极管,p,n,在正向偏置下，电子和空穴发生辐射复合，发出光子，光子能量等于Eg。,VCCVD,发光二极管发光原理,1907年，人们发现半导体PN结通电发光的现象，100年来LED真正产业化的时期是上世纪60年代，当时的LED只能发红光，而且很暗，只可作信号指示灯，仅用于昂贵的仪器上。 70年代, 开发出绿光和黄光LED，开始在各种信号灯上作光源。 90年代, 发明蓝光LED后，借助黄色的
18、荧光材料，蓝光和黄光复合后发出白色的光芒；或者将蓝光与绿光和红光的芯片组成RGB三基色混合白光及各种不同颜色的光。 1997年高亮度AlInGaN（氮化铝铟镓）、AlGaAs（砷化铝镓）、AlInGaP（磷化铝铟镓） 、AlInGaN/YAG: Ce (氮化铝铟镓 /钇铝石榴石:铈)白光LED发光效率超过白炽灯，目前已超过了荧光灯。 2000年商品白光LED发光效率14 lm/W 。 2004年国内商品发光效率61 lm/W 显色指数80,日本产业界提出的高效率型、高显色型白光LED产品发光效率目标：,荧光粉转换形白光LED发光效率的理论上限是270lm/W,从照明到大屏幕,从交通安全信号到商
19、业广告,从IT行业到城市景观,LED的特点,寿命长，可达到20000100000小时以上； 单个体积小，适应性强； 耐热冲击和振动性能好； 对环境无污染，不含有害物质，比如汞； 响应快，二次触发时间短（小于100ns）； 数字控制，100可变亮度； 能量转换效率高； 没有红外或紫外辐射； 使用低压直流电源供电； 直接光输出使系统效率更高； 自身总体损耗更低； 不需滤光就能产生生动饱和的颜色； 颜色动态可控白点可调； 耐低温，在-40下仍能启动； 高温操作至接点温度185； 不会产生电磁辐射和谐波干扰。,9.5.2 光电二极管,光电流随照度E增大而增大约为几十A,光电二极管工作原理,入射光进入材料内部被吸收而产生大量电子 - 空穴对，在外电场作用下形成光电流,9.5.3 光电晶体管,光电流随照度E增大而增大约为几mA,光电耦合器,光电耦合器,9.5.1.,作业,
