第--章--半导体二极管和三极管优秀文档.ppt

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1、第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 半导体二极管半导体二极管 稳压管稳压管 半导体三极管半导体三极管 半导体的导电特性半导体的导电特性退出退出第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 本征半导体就是完全纯净的、具本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。有晶体结构的半导体。9.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子空穴空穴共价键共价键SiSiSiSi本征半导体中自由本征半导体中自由电子和空穴的形成电子和空穴的形成 用用得得最最多多的的半半导导体体是是硅硅或或锗锗,它它们们都都是是四四价价元元素素。将将硅

2、硅或或锗锗材材料料提提纯纯并并形形成成单单晶晶体体后后，便便形形成成共共价价键键结结构构。在在获获得得一一定定能能量量(热热、光光等等)后后，少少量量价价电电子子即即可可挣挣脱脱共共价价键键的的束束缚缚成成为为自自由由电电子子，同同时时在在共共价价键键中中就就留留下下一一个个空空位位，称称为为空空穴穴。自自由由电电子子和和空空穴穴总总是成对出现，同时又不断复合。是成对出现，同时又不断复合。在在外外电电场场的的作作用用下下，自自由由电电子子逆逆着着电电场场方方向向定定向向运运动动形形成成电电子子电电流流。带带正正电电的的空空穴穴吸吸引引相相邻邻原原子子中中的的价价电电子子来来填填补补，而而在在该

3、该原原子子的的共共价价键键中中产产生生另另一一个个空空穴穴。空空穴穴被被填填补补和和相相继继产产生生的的现现象象，可可以以看看成成空空穴穴顺顺着着电电场场方方向向移移动动，形成形成空穴电流空穴电流。可可见见在在半半导导体体中中有有自自由由电电子子和和空空穴穴两两种种载载流流子子，它它们都能参与导电。们都能参与导电。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 外电场方向外电场方向外电场方向外电场方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2 N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体1.N 型半导体型半导体在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入五五价价元元素素磷磷，当当某某一一个个硅硅

4、原原子子被被磷磷原原子子取取代代时时，磷磷原原子子的的五五个个价价电电子子中中只只有有四四个个用用于于组组成成共共价价键键，多多余余的的一一个个很很容容易易挣挣脱脱磷磷原原子子核核的的束束缚缚而而成成为为自自由由电电子子。因因而而自自由由电电子子的的数数量量大大大大增增加加，是是多多数数载载流流子子，空空穴穴是是少少数数载载流流子子，将将这这种种半半导导体体称称为为 N 型型半导体。半导体。SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子多余价电子本本征征半半导导体体中中由由于于载载流流子子数数量量极极少少，导导电电能能力力很很低低。如如果果在在其其中中参参入入微微量量的的杂杂质质(某某种种元元素素)

5、将将使使其其导导电电能能力力大大大大增强。增强。2.P 型半导体型半导体 在在硅硅或或锗锗的的晶晶体体中中掺掺入入三三价价元元素素硼硼，在在组组成成共共价价键键时时将将因因缺缺少少一一个个电电子子而而产产生生一一个个空空位位，相相邻邻硅硅原原子子的的价价电电子子很很容容易易填填补补这这个个空空位位，而而在在该该原原子子中中便便产产生生一一个个空空穴穴，使使空空穴穴的的数数量量大大大大增增加加，成成为为多多数数载载流流子子，电电子子是是少少数数载载流流子子，将将这这种种半半导导体体称称为为 P 型半导体。型半导体。SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空穴空穴价电子填补空位价电子填补空位9.1

6、.3 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性1.PN 结的形成结的形成 用用专专门门的的制制造造工工艺艺在在同同一一块块半半导导体体单单晶晶上上，形形成成 P 型型半半导导体体区区域域和和 N 型型半半导导体体区区域域，在在这这两两个个区区域域的的交交界界处处就就形形成成了一个特殊的薄层，称为了一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。P 区区N 区区N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合PN 结结内电场方向内电场方向2.PN 结的单向导电性结的单向导电性(1)外加正向电压外加正向电压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP 区区N 区区外电场驱使外电场驱使P区的空穴进

7、入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流此后，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。反向工作峰值电压 URWM2 电流分配和放大原理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。工 作 状 态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。即 VC VB V

8、E5 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，UBC UBE。IB=0 时,IC=ICEO(很小)。集射极反向截止电流 ICEOP 区区N 区区内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR2.外加反向电压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外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少少数数载载流流子子越越过过 PN 结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散运动难于进行返回返回9.2 半导体二极管半导体二极管9.2.1 基本结构基本

9、结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极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，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型点接触型表示符号表示符号正极正极负极负极金锑合金金锑合金面接触型面接触型N型锗型锗 正极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳9.2.2 伏安特性伏安特性 二二极极管管和和 PN 结结一一样样，具具有有单单向向导导电电性性，由由伏伏安安特特性性曲曲线线可可见见，当当外外加加正正向向电电压压很很低低时时，电电流流很很小小，几几乎乎为为零零。

10、正正向向电电压压超超过过一一定定数数值值后后，电电流流很很快快增增大大，将将这这一一定定数数值值的的正正向向电电压压称称为为死死区区电电压压。通通常常，硅硅管管的的死死区区电电压压约约为为0.5V，锗锗管管约约为为0.1V。导导通通时时的的正正向向压压降降，硅硅管管约约为为0.6 0.7V，锗锗管管约约为为0.2 0.3V。60402002550I/mAU/V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反反向向特特性性I/mAU/V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0 在在二二极极管管上上加加反反向向电电压压

11、时时，反反向向电电流流很很小小。但但当当反反向向电电压压增增大大至至某某一一数数值值时时，反反向向电电流流将将突突然然增增大大。这这种种现现象象称称为为击击穿穿，二二极极管管失失去去单单向向导导电电性性。产产生生击击穿穿时时的的电电压压称称为为反反向向击穿电压击穿电压 U(BR)。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 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管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。的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URWM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是它是保证二极

12、管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿反向击穿电压的一半或三分之二。电压的一半或三分之二。3.反向峰值电流反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。例例 1 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA=+3 V，VB=0 V，电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。解解 因因为为 VA 高高于于VB，所所以以DA 优优先先导导通通。如如果果二二极极管管的的正正向向压压降降是是 0.3 V，则则 VY=+2.7 V。当当 DA 导通后导通后,DB 因反偏而截止。因反偏而截止。在在这这

13、里里，DA 起起钳钳位位作作用用，将输出端电位钳制在将输出端电位钳制在+2.7 V。二二极极管管的的应应用用范范围围很很广广，主主要要都都是是利利用用它它的的单单向向导导电电性性。它它可可用用与与整整流流、检检波波、限限幅幅、元元件件保保护护以以及及在在数数字字电电路路中中作作为为开关元件。开关元件。DA 12VYVAVBDBR返回返回 9.3 稳压管稳压管 稳稳压压管管是是一一种种特特殊殊的的面面接接触触型型半半导导体体硅硅二二极极管管。其其表表示示符号如下图所示。符号如下图所示。稳稳压压管管工工作作于于反反向向击击穿穿区区。从从反反向向特特性性曲曲线线上上可可以以看看出出，反反向向电电压压

14、在在一一定定范范围围内内变变化化时时，反反向向电电流流很很小小。当当反反向向电电压压增增高高到到击击穿穿电电压压时时，反反向向电电流流突突然然剧剧增增，稳稳压压管管反反向向击击穿穿。此此后后，电电流流虽虽然然在在很很大大范范围围内内变变化化，但但稳稳压压管管两两端端的的电电压压变变化化很很小小。利利用用这这一一特特性性，稳稳压压管管在电路中能起作用。在电路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向正向 +反向反向 UZ IZ 稳压管的主要参数有下面几个：稳压管的主要参数有下面几个：1.稳定电压稳定电压 UZ 4.稳定电流稳定电流 IZ 3.动态电阻动态电阻 rZ2.电压温度系数电压温度系

15、数 U5.最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM 例例 1 图中通过稳压管的电流图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流电阻，是限流电阻，其值是否合适？其值是否合适？IZDZ+20R=1.6 k UZ=12V IZM=18 mAIZ例例 1 的图的图IZ 0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。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

16、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。第 9 章 半导体二极管和三极管UBE/V(3)当 IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中 ICEO 0.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。反向工作峰值电压 URWM5 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。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。工 作 状 态式中，称为动态电流(交流)放大系数9.

17、4.2 电流分配和放大原理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，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电配，实验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。实验中用的是极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具型管，为了使晶体管具有放大作用，电源有放大作用，电源 EB 和和 EC 的极性必须使的极性必须使发射结上加正向电发射结上加正向电压压(正向偏置正向偏置)，集电结加反向电压，集电结加反向电压(反向偏置反向偏置)。mA AVVmAICECIBIERB+UBE+UCE EB

18、CEB3DG100 设设 EC=6 V，改改变变可可变变电电阻阻 RB，则则基基极极电电流流 IB、集集电电极极电电流流 IC 和和发发射射极极电电流流 IE 都都发发生生变变化化，测测量量结果如下表：结果如下表：基极电路基极电路集电极电路集电极电路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据结论：结论：(1)符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律(2)IC 和和 IE 比比 IB 大得多。从第三列和第

19、四列的数据可得大得多。从第三列和第四列的数据可得 这就是晶体管的电流放大作用。这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态称为共发射极静态电流电流(直流直流)放大系数。电流放大作用还体现在放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的基极电流的少量变化少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化可以引起集电极电流较大的变化 IC。式中，式中，称为称为动态电流动态电流(交流交流)放大系数放大系数 (3)当当 IB=0(将基极开路将基极开路)时，时，IC=ICEO，表中，表中 ICEO 0UBC VB VE对于对于 PNP 型三极管应满足型三极管应满足:UEB 0UCB 0即即 VC VB 0，UBC

20、UBE。ICEC=UCCIBRB+UBE +UCE EBCEB共发射极电路共发射极电路IC/mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 饱和区饱和区截止区截止区(2)截止区截止区 IB=0 的的曲曲线线以以下下的的区区域域称称为为截截止止区区。IB=0 时时,IC=ICEO(很很小小)。对对 NPN 型型硅硅管管，当当UBE 0.5 V 时时，即即已已开开始始截截止止，但但为为了了使使晶晶体体管管可可靠靠截截止止，常常使使 UBE 0，截截止止时时集集电电结结也也处处于于反反向向偏偏置置(UBC 0)，此此时时,IC

21、 0，UCE UCC。(3)饱和区饱和区 当当 UCE 0)，晶晶体体管管工工作作于于饱饱和和状状态态。在在饱饱和和区区，IC 和和 IB 不不成成正正比比。此此时时，发发射射结也处于正向偏置，结也处于正向偏置，UCE 0，IC UCC/RC。IC/mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB=0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 当当晶晶体体管管饱饱和和时时，UCE 0，发发射射极极与与集集电电极极之之间间如如同同一一个个开开关关的的接接通通，其其间间电电阻阻很很小小；当当晶晶体体管管截截止止时时，IC 0，发发射射极极与与集集电电极极之之间间如如同同

22、一一个个开开关关的的断断开开，其其间间电电阻阻很很大大，可可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。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的三种工作状态如下图所示+UBE 0 ICIB+UCE(a)放大放大 UBC 0+IC 0 IB=0+UCE UCC (b)截止截止 UBC 0 IB+UCE 0 (c)饱和饱和 UBC 0+管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止开始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管(NPN)锗管锗管(PNP)0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0

23、.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值9.4.4 主要参数主要参数1.电流放大系数电流放大系数 ，当晶体管接成共发射极电路时，在静态当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号无输入信号)时集时集电极电流与基极电流的比值称为电极电流与基极电流的比值称为静态电流静态电流(直流直流)放大放大系数系数 001 mA=1 A。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于平行等距并且 ICEO 较小的情况下,可近似认为 ，但二者含义不同。反向工作峰值电压 URWM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反向工作峰值电压

24、 URWMUBE在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.最大允许耗散功率 PZM对于 PNP 型三极管应满足: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。UCE UCC集射极反向截止电流 ICEO它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。如果二极管的正向压降是 0.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。当晶体管工作在动态当晶体管工作在动态(有输入信号有输入信号)时，基极电流的变化时，基极电流的变化量为量为 IB，它引起集电极电流的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC。IC 与与 IB的比值称为的比值称

25、为动态电流动态电流(交流交流)放大系数放大系数 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下较小的情况下,可近似认为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。2.集集基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3.集集射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。电流，其值越小越好。4.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM

26、 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为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集电极最大允许电流 ICM。5.集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 6.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 基基极极开开路路时时，加加在在集集电电极极和和发发射射极极之之间间的的最最大大允允许许电电压压，称为集称为集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO。当当晶晶体体管管因因受受热热而而引引起起的的参参数数变变化化不不超超过过允允许许值值时时，集集电电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区 由由 ICM、U(BR)CEO、PCM 三三者者共共同同确确定定晶晶体体管管的安全工作区。的安全工作区。返回返回