1、第14章 二极管和晶体管,第14章 二极管和晶体管,第14章 二极管和晶体管,14.3 半导体二极管,14.4 稳压二极管,14.5 半导体三极管,14.2 PN结,14.1 半导体的导电特性,本章要求：1. PN结的单向导电性2. 了解二极管、稳压管的工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 会分析含有二极管的电路。3.三极管的电流分配和电流放大作用；,第14章 二极管和晶体管,半导体元器件本质上是非线性元件， 允许的工程误差范围内：非线性元件线性元件,对于元器件，重点放在使用，不要过分追究其内部微观机理。,14.1 半导体的导电特性, 导体、半导体和绝缘体,1、导体:很容易导电，如金属,2
2、、绝缘体：几乎不导电，如橡皮、陶瓷、塑料。,3、半导体：导电能力处于导体和绝缘体之间，如硅、锗、砷化镓等。,一种物质的导电性能取决于它的载流子密度 （浓度）。,所以，半导体的导电能力导体的导电能力,14.1 半导体的导电特性,半导体的独有特性：导电能力易受外界影响。,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净半导体中掺入杂质，导电能力显著增强 (可做成半导体器件，如二极管、晶体管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,14.1.1 本征半导体（纯净物）,完全纯净的、具有晶体结构,晶体中
3、原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,受共价键束缚的电子，称为价电子。 不受束缚，能自由移动的电子，称为自由电子,本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时, 本征半导体中没有载流子（可运动的带电粒子），其导电能力为0。,热激发提高导电能力,掺杂质提高导电能力,加热温度升高价电子获得能量脱离共价键的束缚价电子成为自由电子；共价键上出空位（即空穴）。, 热激发（本征激发）,价电子,空穴,自由电子,热激发： 1）成对产生。 2）电平衡原理：自由电子（-）；空穴（+）。 3）自由电子和空穴都是载流子。 载流子：运载电流的微观粒子。（自由移动）,本征半导体的导电机理,给本征半
4、导体外加电压U， 则空穴吸引临近的价电子来填补，价电子的定向填补成空穴电流。,+,-,2、热激发产生自由电子和空穴对，复合消失自由电子和空穴对。,特点： 1、半导体的载流子：自由电子和空穴,4、外加电压下，半导体产生电流，半导体电流=电子电流+空穴电流，两种电流的电流方向相同。,3、在一定温度下，产生和消失动态平衡， 载流子数维持不变,导电能力不变。,N型半导体Negative,多余电子成 自由电子,磷原子,掺杂浓度为原子浓度的百万分之一(1/ 106) 。,14.1.2 杂质半导体,本征半导体中掺入杂质，杂质半导体，导电性提高。,失去一个电子变为正离子,N型半导体:掺入五价元素如磷,结论：
5、1、杂质半导体的载流子浓度1016本征半导体的载流子浓度1010 。2、自由电子浓度空穴浓度，N型半导体显电中性。多数载流子（多子） 自由电子少数载流子（少子） 空穴。3、同样温度下，杂质半导体和本征半导体的热激发效果是否一样？空穴浓度哪个更大？,P型半导体Positive,掺入三价元素如硼,P 型半导体： 空穴是多子，自由电子是少子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都为电中性，即对外不显电性。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与（a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （
6、a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,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是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,练习与思考14.1,电子导电与空穴导电的关系 粒子运动方向相反；形成的电流方向却相同； 自由电子【-】；空穴【+】 N型半导体的载流子来源 多子：自由电子（由掺杂质和热激发产生） 少子：空穴 （由热激发产生） 同温度下，N型半导体和本征半导体，哪一个的空穴浓度低？为什么？ N型半导体。大量自由电子的存在，抑制了空穴的产生。,练习与思考14.1,判断题：空穴电流是自由电子递补空位产生的 价电子定向递补空位而产生的
7、判断题：N型半导体中，自由电子数空穴数，所以，N型半导体带负电。 多出的自由电子与带正电的磷离子互相一对一的中和电性，所以，N型半导体不带电,14.2 PN结,14.2.1 PN结的形成,初始时刻,稳定时刻,14.2 PN结,14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场促进反向的少子漂移运动。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移（相反的运动）最终会达到动态平衡，此时的空间电荷区，其厚度固定不变。,多子扩散，自由电子和空穴互相中和，只剩下带电离子， 形成空间电荷区，产生内电场。,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压
8、（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,PN 结外加正向电压时，PN结变窄，正向扩散电流较大， PN结体现的电阻很小(导通/闭合) 。,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,IR,P接负、N接正,温度越高，少子越多，反向饱和电流越大。,PN 结外加反向电压时，PN结变宽，反向飘移电流很小， PN结体现的电阻很大(截止/断开) 。,结论：PN结具有单向导电特性,单向导电性：P+ N。,14.3 半导体二极管,14.3.1 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于小功率高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于大功率工频电路。,
9、14.3.2 伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,（截止区与击穿区的分界线） 反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压死区电压二极管导通,外加电压反向击穿电压击穿二极管（反向击穿区）,正向特性,反向截止区 反向饱和电流小且恒定,特点：非线性,硅0.7V 锗0.3V,死区电压,反向击穿区 击穿电流大 串R来限流,练习与思考14.3,为什么会有死区电压 削弱PN结（阻挡层）需要一定的能量 硅管、锗管的死区电压值、导通电压值 硅管：0.5V 0.7V 锗管：0.1V 0.3V,练习与思考14.3,判断题：反向电流IR与反向电压UR无关 反向电压反向击穿电压UBR时，反向电流IR猛然增大，因为半导体
10、中发生雪崩击穿与齐纳击穿，使得载流子数量急剧增大判断题：反向饱和电流IBS随温度升高而增大 构成反向饱和电流的少子数量会随温度升高而增多（热激发）,14.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 反向击穿电压UBR,反向截止区与反向击穿区的分界线。 反向峰值电压URWM=0.5*反向击穿电压UBR,3. 反向峰值电流IRM,二极管处反向截止区时，所流经的反向饱和电流IBS。 温度高反向饱和电流大单向导电性差 硅管的反向电流小，锗管的反向电流大。,大信号的二极管电路分析:,分析关键：判断二极管的状态导通还是截止？ 导通下的电路分析；截止下
11、的电路分析要分析两次,分析方法: (假设法) 假定二极管断开，分析二极管两端电位的高低。,若 V阳 V阴( 正向偏置 )，则二极管导通需重新分析 若 V阳 V阴 ( 反向偏置 )，则二极管截止假设正确,理想二极管：正向导通的二极管=闭合的闸刀， 反向截止的二极管=断开的闸刀。,假定二极管断开： 则Vp=ui；Vn=5ui5时D通； uo=ui（保留波形ui）； ud=0 uR=ui-5;ui5时D断; uo=5（画水平线）; ud=ui-5（波形ui下移） uR=0;,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 VV阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V
12、若考虑0.7V管压降，为6.7,例1：,解：首先要确定D管的实际状态- 假定二极管断开， 计算二极管两端的电位 （取 B 点作参考电位点 ）。,导通的二极管-钳位作用。,解：确定D管的实际状态。假定D1D2断开，分析二极管两端的电位。 (取 B 点作参考点：),V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1随后反向截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,D2 ：（导通）钳位D1：（截止）隔离,ui 8V，二极管导通
13、（短路 ）uo = 8V；即画水平线ui 8V，二极管截止（开路 ）uo = ui ；即保留波形,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,解题思路：对输入波形ui进行删减（削头或砍脚）,参考点,二极管阴极电位为 8 V,虚线以上波形保留； 虚线以下以水平线代替。,3V,假定D断,则vn=ui;vp=5 2种电路工作状态： 1）D断;ui5;则uo=5（画水平线） 2）D通;ui5;则uo=ui（保留输入波形）,第2小问：VA=6,VB=5.8时的电路状况？,假定DA/DB均断开，则两管同时处 正向电压，但DA的正向压降更大，所以， DA优先导通。过渡状态1： DA通DB断 V
14、O=6*0.9=5.4 由于电阻存在，DB并没有因动作慢而被阻断， 仍承受正向电压， DB也导通。,所以，最终稳定状态： DA通DB通 节点电压法求VO=（6+5.8）/(1+1+1/9)=5.59,14.3.5,假定D断开，则二极管承受压降为： uD=E+e=10+30sinwt（原始输入波形）,若u =10+30sinwt 0， 正向偏置D导通, u D=0（波形被砍，代以0轴线）,14.4 稳压二极管,稳压管正常工作时处反向击穿区,稳压管正常工作时， 承受大的反向击穿电流，故要串联限流电阻R,正常工作的稳压管，其电流变化很大， 其电压变化很小0， 可起稳压作用。,3. 主要参数（关注发热
15、安全和稳压效果）,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时的两端电压。,(2) 电压温度系数环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ ：最大稳定电流 IZmax 最小稳定电流 IZmin,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,练习与思考14.4,判断题：动态电阻rz越小，稳压管质量越好 电压变化量0，稳压管两端电压保持不变。判断题：稳压二极管可获得0.7V的稳定电压 稳压管由硅材料做成，利用其正向压降，可获得0.7V的稳定电压。,2.5.1 稳压二极管,3. 稳压电路,正常稳压时 VO =V
16、Z,# 稳压条件是什么？,# 不加R可以吗？,# 上述电路VI为正弦波，且幅值大于VZ ， VO的波形是怎样的？,end,反向击穿区，UDZ=UZ,反向截止区，UDZ=VI,正向导通区，UDZ=0.7V,UO=5.5+0.5=6V,UO=0.5+0.5=1V,UO=8.5+5.5=14V,UO=5.5V,UO=8.5V,UO=0.5V,UO=5.5-0.5=5V,UO=5.5-0.5=5V,UO=5.5-8.5=-3V,UO=5.5V,14.5 半导体三极管(晶体管),14.5.1 基本结构,14.5 半导体三极管,晶体管的结构示意图和表示符号,(a)NPN型晶体管；,(b)PNP型晶体管,基
17、区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区： 掺杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,两个二极管串联可形成三极管？ 集电极C和发射极E可互相调换？,14. 5. 2 电流分配和放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看：NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,所以：NPN管为VCVBVE PNP管为VCVBVE,所以：NPN管为VCVBVE PNP管为VCVBVE,根据三极管的各管脚电位判断三极管类型及管脚类型：1）处放大状态的三极管，电位居中的管脚为基极B2）与基极B电位相近的管脚为
18、发射极E 若电位相差值为0.7,则为硅管 若电位相差值为0.3，则为锗管 VBVE ， NPN管；VBVE， PNP管3）剩余的最后一个管脚为集电极C,实验电路 ,2. 满足放大条件后，三极管具有什么样的特点呢？ 实验室搭建电路，观察并记录数据。,晶体管电流测量数据,总结:,(1) IE = IB + IC 符合基尔霍夫电流定律KCL (2) IC IB ， IC/ IB =常数 (3) IC IB；且 IC / IB =常数,输入电流IB的小变化能引起输出电流IC的大变化，-晶体管的电流放大作用。,实质: 小电流的变化控制大电流的变化，是CCCS器件。,(a) NPN 型晶体管；,电流方向和
19、发射结与集电结的极性,所以，要使晶体管有电流放大作用： 发射结正向偏置，而且, 集电结反向偏置。,(b) PNP 型晶体管,3.电流放大作用的微观解释,发射结正偏，促进多子移动；发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少数与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结附近。,集电结反偏，促进少子移动；从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,如果考虑到少子的影响，则：,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比-共发射极电流放大倍数,评估少子数量的参数：,集射极穿透电流, 温度
20、ICEO,(该参数越小，则三极管的质量越好),若IB =0, 则 IC ICE0,14.5.3 特性曲线,即管子电压与管子电流的关系曲线I=f(U)，是管子内部载流子运动的外部宏观表现，反映了晶体管的性能。,为什么要研究特性曲线：(1)可分析管子所有可能的工作状态 (2)可设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,绘制晶体管特性曲线的实验线路,1. 输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压： NPN型硅管UBE 0.7V PNP型锗管UBE 0.3V,3DG100晶体管的 输入特性曲线,死区电压：
21、硅管0.5V，锗管0.1V。,2. 输出特性,共发射极电路,3DG100晶体管的输出特性曲线,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。,2. 输出特性,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1) 放大区/线性区,线性放大：IC = IB 恒流特性：IC 不随UCE而变化,发射结正向偏置 集电结反向偏置,以NPN 管为例：VC VB VE VB居中。,IC/mA,UCE/V,100 A80A60 A40 A20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,(2),截止区,截止区： 独有
22、 UBE 0（NPN为例）。 集电结反偏, 发射结反偏, 此时, IC 0。,IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。,IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA),截止区,NPN 管：VB VE 且VB VC VB最小,IC/mA,UCE/V,100 A80A60 A40 A20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,(3) 饱和区,实际电流IB IBS(临界饱和电流)发射结正偏，集电结正偏。 饱和区特点：硅管UCES 0.3V，锗管UCES 0.1V。,当 UCE 0.3V时， 处饱和区,饱和区,NPN管：VB VE 且VB
23、VC VB最大,晶体管三种工作状态：,(a)放大 （模拟电子）,(b)截止 （数字电子）,(c)饱和 （数字电子）,饱和状态： UCE 0，发射极E与集电极C之间如同一个闭合的闸刀，电阻很小; 截止状态：IC 0 ，发射极E与集电极C之间如同一个断开的闸刀，电阻很大; 放大状态则介于两者之间。,14.5.4 晶体管的主要参数,1. 电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,注意：,特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小时，两者相近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,仅在特性曲线的水平部分（放大区）， 值才是常数。,例：在UCE= 6 V时， Q1 点IB=40A, IC=1.5
24、mA； Q2 点IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,25C下，基极开路时，集-射间击穿电压U(BR) CEO,5.集电极最大允许电流 ICM,集电极电流 IC上升值的下降， 当值下降到正常值的2/3时,此时集电极电流即为 ICM
25、, 超过最大电流ICM ，并不烧坏管子。,6.集电极最大允许耗散功耗PCM,超过PCM会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,晶体管参数与温度的定性关系,温度升高，ICBO增大， 增加， UBE将减小。,练习与思考14.5,判断题：晶体管的发射极E与集电极C可互相调换 发射区掺杂浓度最大；集电区掺杂浓度居次，而体积最大。构造不同，不能互换。 判断题：晶体管在饱和区和放大区工作时，其电流放大系数一样。 饱和区的更低，放大性能受到破坏。 晶体管具有电流放大作用，需要什么条件？ 内部条件：基区薄且掺杂少复合机会少，IB小而IC大，有较大的；发射区掺杂多能输出更大的IE；集电区体积大便于收集穿越过来的多子。 外部条件：发射结JE正偏，集电结JC反偏便于发射区的多子顺利通过这两个PN结，到达集电区。,练习与思考14.5,有两个晶体管。A管：=50，ICBO=0.5uA；B管： =150，ICBO=2uA；哪个晶体管更好？ 晶体管质量的评价参数：穿透电流ICEO=(1+)ICBO；A管的ICEO小，所以，A管好。 判断题：晶体管的IB=10uA,IC=1mA,则其电流放大系数=100。 只有当晶体管处放大区时， =IC/IB=100,第32页起： 14.3.6 14.3.8 14.4.3 14.5.8 14.5.9,
