电工学08第十五章半导体二极管和三极管.ppt

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1、第十五章第十五章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 15 1 半导体的导电特性半导体的导电特性 15 2 PN结结 15 3 半导体二极管半导体二极管 15 4 稳压管稳压管 15 5 半导体三极管半导体三极管15 1 15 1 半导体的导电特性半导体的导电特性一、一、导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体 1、很容易导电的物质称为很容易导电的物质称为导体导体，金属一般金属一般都是导体。都是导体。2、有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如如橡皮、陶瓷、塑料和石英。橡皮、陶瓷、塑料和石英。3、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物

2、质，称为称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。氧化物等。（导体导体）半半导导体体 载流子载流子密度（浓度）举例：密度（浓度）举例：一种物质的导电性能取决于它的一种物质的导电性能取决于它的载流子载流子密度（浓度）。密度（浓度）。由于由于半导体半导体的导电机理不同于其它物质，的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。所以它具有不同于其它物质的特点。例如，当受外界例如，当受外界热和光热和光的作用时，它的导的作用时，它的导电能力将明显变化电能力将明显变化热激发热激发。又例如，往纯净的半导体中又例如，往纯净的半导体中掺入掺入某些某些杂质杂

3、质，会使它的载流子数量大大的增加，半导体的导电会使它的载流子数量大大的增加，半导体的导电能力也大大的改变能力也大大的改变掺杂掺杂。而。而掺杂可大大增加掺杂可大大增加导电率正是半导体能制成各种导电率正是半导体能制成各种电子器件电子器件的基础的基础。（1）通过一定的工艺过程，可以将半）通过一定的工艺过程，可以将半导体制成导体制成晶体晶体。（2）完全纯净的（单一元素组成的）、）完全纯净的（单一元素组成的）、结构完整的半导体晶体，称为结构完整的半导体晶体，称为本征半导体本征半导体。（3）在硅和锗晶体中，原子按四角形）在硅和锗晶体中，原子按四角形 系统组成，每个原子与其相临的原子之间系统组成，每个原子与

4、其相临的原子之间形成形成共价键共价键，共用一对价电子。，共用一对价电子。二、二、本征半导体本征半导体1。要点：。要点：2。硅和锗的共价键结构。硅和锗的共价键结构+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子 共价键中的两个电共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键子被紧紧束缚在共价键中，称为中，称为束缚电子束缚电子，常，常温下束缚电子很难脱离温下束缚电子很难脱离共价键成为共价键成为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力由电子很少，导电能力很弱。很弱。共价键共价键 共共用电子对用电子对3。本征半导体的导电机理。本征半导体的导电机理 在绝对

5、零度（在绝对零度（T=0 K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为可以运动的带电粒子，它的导电能力为0。在常温下，由于在常温下，由于热激发热激发，使一些价电子，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空位，称，同时共价键上留下一个空位，称为为空穴空穴。自由电子和空穴都可以参与导电，。自由电子和空穴都可以参与导电，通称通称载流子载流子。本本征征半半导导体体的的导导电电机机理理 自由电子在外电场的

6、作用下，在晶格点阵自由电子在外电场的作用下，在晶格点阵中定向运动，形成中定向运动，形成电子电流电子电流。空穴导电：空穴导电：空穴吸引邻近空穴吸引邻近价价电子来填补，这样电子来填补，这样 的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为空穴空穴 是呈正电性的载是呈正电性的载 流子，其定向运流子，其定向运 动的方向与自由动的方向与自由 电子电子相反相反，所形，所形 成的电流称为成的电流称为空空 穴电流穴电流。2、自由电子和空穴总是、自由电子和空穴总是成对成对出现，同时又不出现，同时又不 断相遇断相遇“复合复合”。3、在一定温度下，电子空穴对的产生和复合、在一定温度下，电子空

7、穴对的产生和复合 达到达到动态平衡动态平衡，于是半导体中的载流子数，于是半导体中的载流子数 目便维持一定。目便维持一定。1、半导体有、半导体有两种两种载流子：载流子：自由电子自由电子和和空穴空穴 本征半导体的特点：本征半导体的特点：4、温度愈高，半导体的载流子愈多，导电性、温度愈高，半导体的载流子愈多，导电性 能也愈好。能也愈好。例如，掺杂浓度为百万分之一，则载流例如，掺杂浓度为百万分之一，则载流子浓度约为：子浓度约为：电阻率为：电阻率为：在本征半导体中掺入某些在本征半导体中掺入某些微量微量的杂质，的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。就会使半导体的导电性能发生显著变化。可见，掺杂大大提

8、高了半导体的导电能力，可见，掺杂大大提高了半导体的导电能力，同时也导致杂质半导体的产生！同时也导致杂质半导体的产生！三、三、N N 型半导体和型半导体和 P P 型半导体型半导体 （1 1）掺杂浓度远大于本征半导）掺杂浓度远大于本征半导 体中载流子浓度体中载流子浓度 。（2 2）自由电子浓度远大于空穴）自由电子浓度远大于空穴浓度。浓度。+4+4+5+41、N型半导体型半导体多余电子多余电子磷原子磷原子特点：特点：本征半导体中掺本征半导体中掺五价五价元素元素多数载流子多数载流子（多子多子）自由电子自由电子少数载流子少数载流子（少子少子）空穴）空穴+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子2、P型半导体

9、型半导体本征半导体中掺本征半导体中掺三价三价元素元素 （1 1）掺杂浓度远大于本征）掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度半导体中载流子浓度 。（2 2）空穴浓度远大于自由）空穴浓度远大于自由电子浓度。电子浓度。多数载流子多数载流子（多子多子）空穴空穴 特点：特点：自由电子自由电子少数载流子少数载流子（少子少子）结结 论论1 1、P型半导体：本征半导体中掺入型半导体：本征半导体中掺入三价三价元素；元素；N型半导体：本征半导体中掺入型半导体：本征半导体中掺入五价五价元素。元素。3 3、多数载流子多数载流子的数目取决于的数目取决于掺杂浓度掺杂浓度，少数载流子少数载流子的数目取决于的数目取决于温度温度

10、。4 4、无论、无论P型半导体或型半导体或N型半导体，就其整体而言，正型半导体，就其整体而言，正负电荷平衡仍为负电荷平衡仍为电中性电中性。2 2、P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 多数载流子多数载流子 空穴空穴 自由电子自由电子 少数载流子少数载流子 电子电子 空穴空穴一、一、PN 结的形成结的形成15 2 P N 结结空间电荷区形成内电场空间电荷区形成内电场1、空间电荷区（耗尽层）中没有载流子。、空间电荷区（耗尽层）中没有载流子。2、空间电荷区中内电场是、空间电荷区中内电场是阻碍阻碍多子的扩多子的扩散运动散运动，促进促进少子的漂移运动少子的漂移运动。3、P区的电子和区的电子和N区的空穴

11、（区的空穴（都是都是少子少子），），数量有限，因此由它们形成的电流即数量有限，因此由它们形成的电流即漂移电流漂移电流很小（很小（A级）。级）。请注意请注意4、扩散扩散与与漂移漂移达到动态平衡时即形成达到动态平衡时即形成PN结结。二、二、PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结结加上正向电压（或正向偏置）加上正向电压（或正向偏置）的意思的意思是：是：P区加正、区加正、N区加负电压区加负电压。1、PN结正向偏置结正向偏置外电场外电场削弱削弱内电场，空间电荷区内电场，空间电荷区变窄变窄。有利于多子的扩散，形成较大正向电流，有利于多子的扩散，形成较大正向电流，PN结呈结呈低电阻低电阻。在一定范围内，在

12、一定范围内，正向电流随外电压增加而增大正向电流随外电压增加而增大。内电场内电场外电场外电场I正正向向导导通通2、PN结反向偏置结反向偏置 PN结结加上反向电压（或反向偏置）加上反向电压（或反向偏置）的意思的意思是：是：P区加负、区加负、N区加正电压区加正电压。外电场外电场加强加强内电场，空间电荷区内电场，空间电荷区变宽变宽。有利于少子的漂移，扩散很难，形成微弱反向（漂移）有利于少子的漂移，扩散很难，形成微弱反向（漂移）电流，此时电流，此时PN结呈结呈高反向电阻高反向电阻。电场强度一定时，反向电场强度一定时，反向电流只随温度变化电流只随温度变化。反反向向截截止止外电场外电场内电场内电场结结 论论

13、PN结的单向导电性为：结的单向导电性为：PN结加正向偏置时，导通，正向电流很大，结加正向偏置时，导通，正向电流很大，正向电阻很小；正向电阻很小；PN结加反向偏置时，截止，反向电流很小，结加反向偏置时，截止，反向电流很小，反向电阻很大。反向电阻很大。一、基本结构一、基本结构PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳线外壳线触丝线触丝线基片基片点接触型点接触型PN 15 3 半导体二极管半导体二极管电电流流方方向向D表示符号表示符号二二极极管管实实际际结结构构U/VI/mA0I/A二、伏安特性二、伏安特性死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管

14、0.2V。导通压降导通压降:硅硅管管0.60.8V,锗锗管管0.2。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)IUD三、主要参数三、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二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。向平均电流。2.反向击穿电压反向击穿电压U(BR)二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般一般是是U(BR)的一半。的一半。3.反向峰值

15、电流反向峰值电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流反向电流大大，说明管子的单向导电性，说明管子的单向导电性差差，因此，因此反反向电流越小越好向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。的反向电流要大几十到几百倍。四、二极管电路的分析方法及应用（图解法）四、二极管电路的分析方法及应用（图解法）直流信号直流信号REUIuDiDIU0大交流信号大交流信号:相当电子开关相当电子开关 二极管的二极管的应用应

16、用主要是利用它的主要是利用它的单向导电单向导电性性来实现来实现整流整流、限幅（削波）、钳位隔离等限幅（削波）、钳位隔离等作用。作用。iDuD整流作用：整流作用：uitE限幅（削波）作用：限幅（削波）作用：EuiuoRDRuiuoDuituouo钳位、隔离钳位、隔离作用：作用：FABR-12VDADBUA UB 时，时，UF UA DA 将将 F 端电位钳位在端电位钳位在 UADB 将将 F 端与输入端端与输入端 B 隔离隔离UA UB时，时，UF UBDB 将将 F 端电位钳位在端电位钳位在 UBDA 将将 F 端与输入端端与输入端 A 隔离隔离ABR12VFDADB例例1解解:YABR-12

17、VDADB+3v0v在如图所示的的电路中，求输入端在如图所示的的电路中，求输入端Y的电的电位位VY。DA优先导通优先导通设管压降为，则设管压降为，则 VY=2.7 v此时，此时，VY VB,DB反偏截止反偏截止效果效果 钳位：钳位：VY 钳在钳在 2.7 v 隔离：隔离：DB使使 B 与与 Y 隔离断开，不通。隔离断开，不通。例例2已知已知ui=2Esint,试画出各电路的输出电压试画出各电路的输出电压uo的波形。的波形。REuiuoD(1)并联下限幅器并联下限幅器uit2E-2E0解解:ui 正半周时，正半周时，D截止，截止，E 断开，断开，uoui ;ui 负半周且负半周且 时时,D导通，

18、输出为导通，输出为 uo=E。uot2E-2E-E0EuiuoDR(2)并联上限幅器并联上限幅器uit2E-2E0ui 正半周正半周且且 时时,D截止，截止，uoE;当当 时，时，D导通，导通，输出为输出为 uo=ui;ui 负半周负半周时，时，D截止，截止，uoE。t2E-2EEuo0RE1uiuoD1D2E2(3)双向限幅（削波）器双向限幅（削波）器uit2E-2E0时时,D2 截止截止,uo ui;时时,D2导通导通,uo=E2。时时,D1截止截止,uo ui;时时,D1导通导通,uo=E1。ui 正半周，正半周，D1截止，截止，ui 负半周，负半周，D2截止，截止，0uot2E-2E-

19、E1E2-E2E1例例3 对如图的电路，试求下列情况下输出对如图的电路，试求下列情况下输出 端的电位端的电位VY及各元件中通过的电流及各元件中通过的电流:(1)VA=10 v,VB=0;(2)VA=6 v,VB=5.8 v;(3)VA=VB=5 v。设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无限大。设二极管的正向电阻为零，反向电阻为无限大。VYVAR=9kDBDAVB1k1k(1)VA=10 v,VB=0时，时，解解:IBIAIRVYVAR=9kDBDAVB1k1kDB反向截止！反向截止！(2)VA=6 v,VB=5.8 v时，时，VY VB，DA优先导通优先导通进一步可求出进一步可求出IR、IA、I

20、B 如下：如下：(3)VA=VB=5 v时，时，DA、(4)DB同时导通，同时导通，此时此时VY由由VA和和VB共同作用，共同作用，可根据结点电压法求出：可根据结点电压法求出：IAIBIRVYVAR=9kDBDAVB1k1k 15 4 稳稳 压压 管管稳压管是一种特殊的半导体二极管。稳压管是一种特殊的半导体二极管。特殊处：反向击穿电压低，反向击穿特性陡，且特殊处：反向击穿电压低，反向击穿特性陡，且 击穿后除去反向电压又能恢复正常。击穿后除去反向电压又能恢复正常。+-DZ稳压管的图形符号和文字符号稳压管的图形符号和文字符号一、伏安特性及工作特点：一、伏安特性及工作特点：稳压误差稳压误差曲线越曲线

21、越陡，电陡，电压越稳压越稳定。定。DZU/VI/mAUZIZIZM UZ IZ+-+0DZ（1 1）在）在反向击穿区反向击穿区 UZ很小很小,IZ 很大很大,管子处于管子处于 稳压工作状态；稳压工作状态；（2 2）工作在）工作在其它区其它区 域域与一般二极与一般二极 管性质相同。管性质相同。二、稳压管的主要参数二、稳压管的主要参数（1 1）稳定电压）稳定电压 UZ ：稳压管正常工作时管稳压管正常工作时管 两端电压。两端电压。（2 2）电压温度系数）电压温度系数 U（%/%/）：）：稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3 3）动态电阻：是衡量稳压管性能好坏的指标）动态电

22、阻：是衡量稳压管性能好坏的指标rZ 越小，曲线越陡，越小，曲线越陡，管子性能越好。管子性能越好。（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 PZM（4 4）稳定电流）稳定电流 IZ ：稳压管在稳压管在UZ 作用下的电作用下的电 流，是一个参考数据。流，是一个参考数据。每种型号的稳压管都有每种型号的稳压管都有 最大稳定电流最大稳定电流 IZM 。uit0三、稳压管的主要应用三、稳压管的主要应用1、限幅作用限幅作用RED1D2uiuouiuoDZRRL 在限幅电路中，在限幅电路中，二极管工作在正向特性区；二极管工作在正向特性区；稳压管工作在反向击穿区。稳压管工作在反向击穿区。EuoUZ2、稳压作

23、用稳压作用RL-UiUoDZRZ+-稳压管稳压管稳压电路稳压电路由限流电阻由限流电阻RZ与稳压管与稳压管DZ构成。构成。当电源电压增大而引起当电源电压增大而引起Ui 时，受其影响有时，受其影响有Uo,Uo=UZ是是DZ的反向工作电压，的反向工作电压，有有UiUo=UZIZ很多很多 I RZ=(IZ+Io)RZ 很多很多 Uo=Ui IRZ 基本不变（基本不变（稳压稳压!）IIZIo 当电源电压不变而负载变化时，当电源电压不变而负载变化时，RLIo Uo UZ=Uo IZ很多很多 I=(IZ+Io)基本不变基本不变 Uo=Ui IRZ 基本不变（基本不变（稳压稳压!）一、基本结构一、基本结构NN

24、P基极基极BEC发射极发射极集电极集电极NPN型型PNP型型基极基极BECPPN发射极发射极集电极集电极 15 5 半导体三极管半导体三极管BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，基区：较薄，1um以下，掺杂以下，掺杂浓度低浓度低集电区：集电区：面积较大面积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高BECNNP基极基极发射极发射极集电极集电极发射结发射结集电结集电结三区三区:基区基区 发射区发射区 集电区集电区 三极三极:基极基极 B 发射极发射极 E 集电极集电极 C两结两结:发射结发射结 集电结集电结结构特点结构特点:Ec二、二、电流放大原理电流放大原理BECNNPEBR

25、B发射结正发射结正偏，发射偏，发射区电子不区电子不断向基区断向基区扩散，形扩散，形成发射极成发射极电流电流IE。IE基区空基区空穴向发穴向发射区的射区的扩散可扩散可忽略。忽略。IBE进入进入P区的电子区的电子少部分与基区的少部分与基区的空穴复合，形成空穴复合，形成电流电流IBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。BECNNPEBRBEcIE集电结反偏，有集电结反偏，有少子形成的反向少子形成的反向电流电流ICBO。ICBO从基区扩散从基区扩散来的电子作来的电子作为集电结的为集电结的少子，漂移少子，漂移进入集电结进入集电结而被收集，而被收集，形成形成ICE。IC=ICE+ICBO ICEIB

26、EICE多子的运动多子的运动少子的运动少子的运动IBBECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBO ICEIBEICE与与IBE之比即之比即IC与与IB之比之比称为称为电流放大倍数电流放大倍数IB=IBE-ICBO IBE BECIBIEICNPN型三极管型三极管BECIBIEICPNP型三极管型三极管三极管的表示方法三极管的表示方法TT图中图中箭头方向箭头方向代表发射结正偏时的代表发射结正偏时的正向电流方向正向电流方向！三、特性曲线三、特性曲线特性曲线实验线路特性曲线实验线路ICmA AVVUCEUBERBIBECEBCBE（1）输入特性）输入特性IB(A)UBE(V)20

27、4060800.40.8UCE 1V 死区电死区电压，硅管，压，硅管，锗管。锗管。工作压降：工作压降：硅管硅管UBE 0.60.8V,锗管锗管UBE。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCE 0.3V UBE ,集电结、发射结均正偏，集电结、发射结均正偏，IBIC，无放大作用，称，无放大作用，称为饱和区。为饱和区。（2）输出特性）输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域此区域IC=ICEO,UBE0,UBC0，此，此区称为放大区或线性区。区称为放大区或线

28、性区。（3）主要参数）主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射极接法，相应入输出的公共点，称为共射极接法，相应地还有共基极地还有共基极、共集电极接法。、共集电极接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：电流放大倍数电流放大倍数和和 工作于动态的三极管，真正的信号工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为的变化量为 IB，相应的集电极电流变，相应的集电极电流变化为化为 IC，则，则交流电流放大倍数交流电流放大倍数为：为：例：例：UCE=6V 时：时：IB=40 A,IC

29、；IB=60 A,IC。在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：=集集-基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO AICBOICBO是集是集电结反偏电结反偏由少子的由少子的漂移形成漂移形成的反向电的反向电流，受温流，受温度的变化度的变化影响。影响。集集-射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO AICEOBECNNPICBOICEO=IBE+ICBO=(1+)ICBO IBE IBE因基极开路，因基极开路，ICBO继续向下进入发射继续向下进入发射区区,形成形成 IBE ICBO根据放大关系根据放大关系,由由于于IBE的存在的存在,必有必有电流电流 IBE=ICBO集

30、电结反偏，集电结反偏，有少子漂移电有少子漂移电流流 ICBO 集电极最大电流集电极最大电流 ICM集电极电流集电极电流 IC 上升会导致三极管的上升会导致三极管的 值值的下降，当的下降，当 值下降到正常值的三分之二时值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为的集电极电流即为 ICM。所以集电极电流应为：所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO而而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以增加很快，所以IC也相应增加。也相应增加。三极管三极管的温度特性较差的温度特性较差。集集-射极反向击穿电压射极反向击穿电压 U(BR)CEO当集当集-射极之间的电

31、压射极之间的电压UCE超过一超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是册上给出的数值是25 C C、基极开路时基极开路时的击穿电压的击穿电压U(BR)CEO。集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗 PCM集电极电流集电极电流 IC流过三极管，所发出的流过三极管，所发出的焦耳热必定导致结温上升焦耳热必定导致结温上升,所以所以PC有限制：有限制：PC PCM=ICUCE PCM曲线是一条双曲线，与直线曲线是一条双曲线，与直线ICM及及U(BR)CEO构成管子的安全工作区。构成管子的安全工作区。ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作区安全工作区三三极极管管的的实实际际结结构构第十五章结 束