半导体二极管和三极管讲稿.ppt

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1、半导体二极管和三极管第一页，讲稿共四十四页哦9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性(2).半导体的半导体的导电导电特性：特性：掺杂性掺杂性掺杂性掺杂性：光敏性：光敏性：热敏性：热敏性：(1).半导体半导体导电能力导电能力介乎于导体和绝缘体之间介乎于导体和绝缘体之间。温度温度导电能力导电能力光照光照导电能力导电能力掺杂掺杂导电能力导电能力1.概念概念 常用的半导体材料常用的半导体材料硅硅 Si原子结构原子结构:2-8-4锗锗 Ge原子结构原子结构:2-8-18-4第二页，讲稿共四十四页哦9.1.1 本征半导体本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体完全纯净的

2、、具有晶体结构的半导体完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半，称为本征半导体。导体。硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构硅单晶中的共价健结构共价健共价健共价键中的两个电子，称为共价键中的两个电子，称为价电子价电子价电子价电子。Si Si Si Si价电子价电子本征半导体本征半导体本征半导体本征半导体第三页，讲稿共四十四页哦 Si Si Si Si价电子价电子在获得一定能量（温度升高或在获得一定能量（温度升高或在获得一定能量（温度升高或在获得一定能量（温度升高或受光照）后，少量价电子即可受光照）后，少量价电子即可受光照）后，少量价电子即可受光照）后，少量价电子即可挣

3、脱原子核的束缚，而成为挣脱原子核的束缚，而成为挣脱原子核的束缚，而成为挣脱原子核的束缚，而成为自自自自由电子由电子由电子由电子（带负电），同时在（带负电），同时在共价键中就留下一个空位，共价键中就留下一个空位，称为称为空穴空穴空穴空穴（带正电）（带正电）。(2)本征激发本征激发这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子自由电子自由电子本征激发成对产生本征激发成对产生空穴空穴第四页，讲稿共四十四页哦(3)本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理 当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部当半导体两端加上外电压时，在半导体

4、中将出现两部当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流分电流分电流分电流 自由电子作定向运动自由电子作定向运动自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流电子电流电子电流 仍被原子核束缚的价电子递补空穴仍被原子核束缚的价电子递补空穴 空穴电流空穴电流空穴电流空穴电流注意：注意：注意：注意：(1)温度愈高，温度愈高，温度愈高，温度愈高，载流子的数目愈多载流子的数目愈多载流子的数目愈多载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就半导体的导电性能也就愈好。愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。(2)(2)本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流

5、子数目极少本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；其导电性能很差；其导电性能很差；其导电性能很差；自由电子和自由电子和空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。空穴都称为载流子。自由电子和自由电子和自由电子和自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在空穴成对地产生的同时，又不断复合。在空穴成对地产生的同时，又不断复合。在空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导半导半导半导体中

6、载流子便维持一定的数目体中载流子便维持一定的数目体中载流子便维持一定的数目体中载流子便维持一定的数目。第五页，讲稿共四十四页哦9.1.2 N型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体 Si Si Si Sip+磷原子磷原子 在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成形成形成形成杂质杂质杂质杂质半导体半导体半导体半导体。N型半导体型半导体本征半导体中掺入微量的本征半导体中掺入微量的五价五价元素元素(如如磷磷,原子结构原子结构:2-8-5)特点：特点：多数载流子多数载流子自由

7、电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N 型半导体型半导体+示意图示意图第六页，讲稿共四十四页哦 Si Si Si SiB P型半导体型半导体特点：特点：多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子多数载流子数目多数载流子数目由由掺杂浓度掺杂浓度确定确定少数载流子数目少数载流子数目与与温度温度有关有关.温度温度少子少子结论：结论：本征半导体中掺入微量的本征半导体中掺入微量的三价元素三价元素(如如硼硼,原子结构原子结构:2-3)无论无论无论无论N N型或型或型或型或P P型半导体都是型半导体都是型半导体都是型半导体都是中性的，对外不显电性。中性的，对外不显电性。中性的，对外

8、不显电性。中性的，对外不显电性。P型半导体型半导体示意图示意图第七页，讲稿共四十四页哦 1.1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。温度）有关。温度）有关。2.2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。3.3.当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 （a.减少、减少、减少、减少、b.b.不变、不变、c.c.

9、增多）。增多）。增多）。增多）。a ab bc c 4.4.在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，在外加电压的作用下，P P 型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流型半导体中的电流主要是主要是 ，N 型半导体中的电流主要是型半导体中的电流主要是 。（a.电子电流、电子电流、电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流）空穴电流）空穴电流）ba a思考题：第八页，讲稿共四十四页哦9.1.3 PN结及其单向导电性结及其单向导电性1 PN PN结的形成结的形成多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差P P 型半导体型半导体型半

10、导体型半导体N N 型半导体型半导体型半导体型半导体 内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷越强，而漂移使空间电荷越强，而漂移使空间电荷越强，而漂移使空间电荷区变薄。区变薄。区变薄。区变薄。扩散的结果扩散的结果使空间电荷区变使空间电荷区变宽。宽。扩散和漂移这扩散和漂移这扩散和漂移这扩散和漂移这一对相反的运动一对相反的运动一对相反的运动一对相反的运动最终达到动态平最终达到动态平最终达到动态平最终达到动态平衡，空间电荷区衡，空间电荷区衡，空间电荷区衡，空间电荷区的厚度固定不变。的厚度固定不变。的厚度固定不变。的厚度固定不变。+动画动画

11、形成空间电荷区形成空间电荷区第九页，讲稿共四十四页哦2 PN结的单向导电性结的单向导电性 (1).PN (1).PN 结加正向电压结加正向电压结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF 内电场被削内电场被削内电场被削内电场被削弱，弱，弱，弱，多子的扩多子的扩多子的扩多子的扩散散散散加强，形加强，形成较大的正成较大的正向电流。向电流。PN PN 结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，结加正向电压时，PNPN结变窄，结变窄，结变窄，结变窄，正向电流正向电流正向电流正向电流较较较较大大大大，正正向电

12、阻向电阻较较较较小小小小，PNPN结处于结处于结处于结处于导通导通导通导通状态。状态。状态。状态。内电场内电场PN+动画动画+第十页，讲稿共四十四页哦PN PN 结变宽结变宽结变宽结变宽(2).PN(2).PN 结加反向电压结加反向电压（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）（反向偏置）外电场外电场外电场外电场 内电场被内电场被加强，加强，少子少子的漂移的漂移加强，加强，由于少子数由于少子数量很少，形量很少，形成很小的反成很小的反向电流。向电流。IR P P接负、接负、接负、接负、N N接正接正 温度越高温度越高温度越高温度越高少子的数目越多，少子的数目越多，少子的数目越多，少子的数目越多，反向电

13、流反向电流反向电流反向电流将随温度将随温度将随温度将随温度增加增加增加增加。动画动画+PN PN 结加反向电压时结加反向电压时结加反向电压时结加反向电压时，PNPN结变宽，结变宽，反向电流反向电流反向电流反向电流较较较较小小小小，反向反向反向反向电阻电阻电阻电阻较较较较大大大大，PNPN结处于结处于结处于结处于截止截止截止截止状态。状态。状态。状态。内电场内电场内电场内电场P PN N+第十一页，讲稿共四十四页哦9.2半导体二极管半导体二极管9.2.1 基本结构基本结构(a)点接触型点接触型(b)(b)面接触型面接触型面接触型面接触型点接触型：点接触型：结面小、结电容小，结面小、结电容小，适用

14、高频小电流场合适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路如：检波电路、数字开关电路 结面积大、正向电流大、结结面积大、正向电流大、结结面积大、正向电流大、结结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流电容大，用于工频大电流电容大，用于工频大电流电容大，用于工频大电流整整流电路流电路。金属触丝金属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳(a )点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线(b )面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极(c )符号符号D第十二页，讲稿共四十四页哦半导体二极管图片半导体二极管图片第十三

15、页，讲稿共四十四页哦半导体二极管图片半导体二极管图片第十四页，讲稿共四十四页哦9.2.2.伏安特性伏安特性UBR 反向击穿电压反向击穿电压 正向特性正向特性死区电压死区电压 =0 0.1V.1V（锗管）（锗管）0.5V0.5V（硅管）（硅管）UD=0.20.3V （锗管）（锗管）0.60.7V （硅管）（硅管）导通时的正向压降：导通时的正向压降：反向特性反向特性UIo死区死区电压电压+-+UBRUD第十五页，讲稿共四十四页哦UIoUBRUDID 温度对二极管的影响温度对二极管的影响 温度升高二极管温度升高二极管 正向压降减小正向压降减小温度温度载流子载流子导电能力导电能力等效电阻等效电阻正向压

16、降正向压降UD 温度升高二极管反向电流增大温度升高二极管反向电流增大温度温度少数载流子少数载流子反向电流反向电流温度每升高温度每升高10C。反向电流增大一倍。反向电流增大一倍。第十六页，讲稿共四十四页哦理想二极管的开关特性理想二极管的开关特性正向导通正向导通反向截止反向截止+-开关闭合开关闭合+-开关断开开关断开第十七页，讲稿共四十四页哦9.2.3.主要参数主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。（点接触型电流。（点接触型VV阴阴阴阴或或 U UD D为正为正为正为正(正向偏置正向偏置正向

17、偏置正向偏置 )，二极管导通，二极管导通，二极管导通，二极管导通若若若若 V V阳阳 UDB D DA A 优先导通，优先导通，优先导通，优先导通，D DB B截止。截止。VA阳阳=3 V，VB阳阳=0 V，VA阴阴=VB阴阴=12 VUDA=15V，UDB=12V若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，V VF F=3V=3V否则，否则，否则，否则，V VF F低于低于3V3V一个管压降，为一个管压降，为2.72.7或或或或2.3V第二十一页，讲稿共四十四页哦电路如图，求：电路如图，求：电路如图，求：电路如图，求：U UABAB V V阳阳阳阳 =6 V 6 V V

18、V阴阴阴阴 =12 V12 V V V阳阳阳阳V V阴阴阴阴 二极管导通二极管导通二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，U UABAB=6V6V否则，否则，否则，否则，U UAB低于低于低于低于6V6V一个管压降，为一个管压降，为一个管压降，为一个管压降，为6.36.3或或6.7V6.7V 取取 B B 点作参考点，断点作参考点，断点作参考点，断点作参考点，断开二极管，分析二极管开二极管，分析二极管开二极管，分析二极管开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。阳极和阴极的电位。阳极和阴极的

19、电位。阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3k BAUAB+例例2第二十二页，讲稿共四十四页哦u ui i 8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 u uo=8V u ui i U UD1D1 D D2 2 优先导通，优先导通，D D1 1截止。截止。截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UABAB =0 V=0 V求：求：求：求：UA

20、BAB 在这里，在这里，在这里，在这里，D D2 2 起钳位作用，起钳位作用，起钳位作用，起钳位作用，D D1 1起隔离作起隔离作起隔离作起隔离作用。用。用。用。BD16V12V3k AD2UAB+例例5第二十五页，讲稿共四十四页哦9.3 稳压稳压二极管二极管1.1.结构和符号结构和符号UIUZIZIZM UZ IZoab-+DZ符号符号面接触型硅二极管面接触型硅二极管2.伏安特性伏安特性正向特性与普通硅二极管相同正向特性与普通硅二极管相同 未击穿区（未击穿区（o a段）段）I0，反向截止，反向截止 击穿区（稳压区击穿区（稳压区 a b段）段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用特性陡直，

21、电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：动态电阻：动态电阻愈小稳压效果愈好动态电阻愈小稳压效果愈好 热击穿区（热击穿区（b 点以下线段）点以下线段）过热烧坏过热烧坏PN结结 稳压管稳压管稳压管稳压管正常工作正常工作正常工作正常工作时加时加时加时加反向电压反向电压反向电压反向电压第二十六页，讲稿共四十四页哦3.稳压二极管的参数稳压二极管的参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管的稳压值稳压管的稳压值（3）动态电阻）动态电阻 越小，稳压性越好越小，稳压性越好 温度变化温度变化1 C，稳压值变化的百分数。，稳压值变化的百分数。（4）稳定电流）稳定电流IZ、最大稳定

22、电流、最大稳定电流IZM使用时稳压管的电流要大于使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流，小于最大稳定电流IZM（5）最大允许功耗）最大允许功耗PZM稳压管不发生热击穿的最大功率损耗稳压管不发生热击穿的最大功率损耗第二十七页，讲稿共四十四页哦9.4 半导体三极管半导体三极管9.4.1 基本结构基本结构B基极基极E发射极发射极C集电极集电极NPN型型PNP型型NNP发射结发射结集电结集电结BECIBIEICTBECIBIEICTB基极基极E发射极发射极C集电极集电极PPN硅管硅管主要是主要是平面型平面型,锗管锗管都是都是合金型合金型。硅管硅管多为多为NPN型型,锗管锗管多为多为PNP型型。

23、第二十八页，讲稿共四十四页哦BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：基区：掺杂浓度掺杂浓度最低最低并并且且很薄很薄集电区：集电区：掺杂浓度掺杂浓度较低较低发射区：发射区：掺杂浓度掺杂浓度最高最高9.4.2.9.4.2.电流分配和放大原理电流分配和放大原理1.1.晶体管的电流放大的条件晶体管的电流放大的条件 (1)(1)内部条件内部条件 三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。第二十九页，讲稿共四十四页哦(2)(2)外部条件外部条件 发射结发射结加上加上正向电压，集电结正向电压，集电结加上加上反向电压反向电压 NNPBEC+BECT+UBE UBCPPNBEC+BE

24、CT+UBE UBC即：即：NPN型型或或 VBVE ,VCVB PNP型为：型为：或或 VBVE ,VCIB IC与与IB之比称为之比称为静态电流（静态电流（直流直流）放大系数放大系数IE=IC+IB结论：结论：IB(mA)0 0.02 0.040.060.08 0.10IC(mA)0.001 0.701.502.303.103.95IE(mA)IB，IC与与 IB之比称为之比称为动态电流动态电流（交流）放大倍数（交流）放大倍数IB(mA)0 0.02 0.040.060.08 0.10IC(mA)0.001 0.701.502.303.103.95IE(mA)0.001 0.721.542

25、.363.184.05晶体管电流测试数据晶体管电流测试数据 第三十三页，讲稿共四十四页哦IC电子在基区与空穴复电子在基区与空穴复合，形成电流合，形成电流IB，复，复合机会小，合机会小，IB小小IBIE发射结正偏，发射结正偏，发射区向基发射区向基区发射区发射(扩散扩散)电子，形成电子，形成发射极电流发射极电流IE3.放大原理放大原理BENNPEBRBEC+-+-+集电结反偏，扩散到基区的电集电结反偏，扩散到基区的电子被收集子被收集(漂移漂移)到集电区形成到集电区形成IC，收集能力强，收集能力强，IC大大C第三十四页，讲稿共四十四页哦9.4.3 特性曲线及主要参数特性曲线及主要参数ICmA AV1

26、V2UCEUBERBIBECEB 实验线路实验线路输入回路输入回路输入特性输入特性 IB=f（UBE）|UCE输出回路输出回路输出特性输出特性 IC=f（UCE）|IB第三十五页，讲稿共四十四页哦 死区电压，硅死区电压，硅管管0.5V，锗管，锗管0.1V。令令UCE=常数常数IB=f（UBE）1.输入特性输入特性工作压降：工作压降：UBE 0.60.7V,硅管硅管UBE 0.20.3V 锗管锗管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V0IB=f（UBE）|UCE3DG100晶体管的输入特性曲线晶体管的输入特性曲线第三十六页，讲稿共四十四页哦2.输出特性输出特性1234IC

27、(mA )UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 放大区放大区IC=f（UCE）|IB第三十七页，讲稿共四十四页哦此区域中此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为死区电压，称为截止区。截止区。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0截止区截止区ICEO第三十八页，讲稿共四十四页哦IC(mA )1234UCE(V)36 9 12IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCEUBE,集电结正偏，集电结正偏，IB的变化对的变化对IC的影的影响较小。响较小。0饱和区饱

28、和区第三十九页，讲稿共四十四页哦9.4.4 主要参数主要参数前述电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称前述电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射共射直流电流放大系数直流电流放大系数：1.电流放大系数电流放大系数 和和 共射共射交流电流放大系数：交流电流放大系数：常用的小功率晶体管，常用的小功率晶体管，值一般为值一般为2020200200。第四十页，讲稿共四十四页哦集集-基极反向截止电流基极反向截止电流ICBOICBO是当是当发射发射极开路极开路时流经时流经集电结的反向集电结的反向电流，其值很电流，其值很

29、小。小。2.两个极间电流两个极间电流 AICBO温度温度少子少子 ICBO ICBO越小越好越小越好第四十一页，讲稿共四十四页哦集集-射极反向截止电流射极反向截止电流ICEO AICEOICEO是当是当基极开路基极开路时的时的集电极电流，也称为集电极电流，也称为穿穿透电流透电流。ICEO越小越好越小越好第四十二页，讲稿共四十四页哦集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICMIC 当当 值值下降到下降到正常值的三分之正常值的三分之二时二时的集电极电流即为的集电极电流即为ICM。3.极限参数极限参数集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEO基极开路基极开路时集时集-射极之间的最大允许电压。射极之间的最大允许电压。集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率PCM当晶体管因当晶体管因受热而引起的参数变化受热而引起的参数变化不超过允许值时不超过允许值时，集电结所消耗的集电结所消耗的最大功率最大功率使用晶体管时：使用晶体管时：IC ICM、UCE U(BR)CEO、UCE IC PCM第四十三页，讲稿共四十四页哦ICUCEPCM=UCEICICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区o由三个极限参数共同确定晶体管的的安全工作区由三个极限参数共同确定晶体管的的安全工作区由三个极限参数共同确定晶体管的的安全工作区由三个极限参数共同确定晶体管的的安全工作区第四十四页，讲稿共四十四页哦