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1、1,第14章 二极管和晶体管,2,第 14 章 二极管和晶体管,3,14.1 半导体的导电特性,一、本征半导体,二、杂质半导体,三、半导体中的电流,4,物质按导电性能分类 导 体(Conductor)半导体(Semiconductor)绝缘体(Insulator),电导率（Scm-1)导体 105 半导体 10-9 102 绝缘体 10-22 10-14,半导体是构成当代微电子的基础材料。,半导体-硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅等。,5,一、本征半导体(Intrinsic Semiconductor),本征半导体化学成分纯净的半导体 制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到 99.
2、9999999%。-硅、锗等。,6,(1）本征半导体的结构-晶体结构,四价元素在原子最外层轨道上的四个价电子。共 价 键相邻原子共有电子对。,共价键共用电子对,7,（2）本征半导体的载流子-电子空穴对,载流子(Carrier)：半导体结构中获得运动能量的带电粒子。有温度环境就有载流子。绝对零度（-2730C）时晶体中无自由电子。,热激发（本征激发）,本征激发 和温度有关会成对产生电子空穴对-自由电子(Free Electron)-空 穴(Hole),两种载流子,8,因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。,9,自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动也可形成空穴
3、电流，它们的方向相反。,10,（3）本征半导体中载流子的浓度,本征半导体中载流子的浓度很低,导电性能很差。,本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。,11,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,归纳,12,二、杂质半导体,(1)N型半导体(2)P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。,13,多子(Majority)：自由电子(Free Electron)-由掺杂形成，取决于掺杂浓度
4、少子(Minority)：空 穴(Hole)-由热激发形成，取决于温度。,(1)N型半导体(电子型半导体),多余电子,磷原子,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。,14,(2)P型半导体(空穴型半导体),空穴,硼原子,多子(Majority)：空 穴(Hole)-由掺杂形成，取决于掺杂浓度；少子(Minority)：自由电子(Free Electron)-由热激发形成，取决于温度。,在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。,15,问题,1、杂质半导体的导电能力由谁决定？为什么用杂质半导体制作器件？,2、杂质半导体多子浓度由什么决定？杂质半
5、导体少子浓度由什么决定？,16,归纳,3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。,4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。,2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。,17,三、半导体中的电流,半导体中有 两种电流漂移电流(Drift Current)由载流子的漂移运动形成的电流 扩散电流(Diffusion Current)由载流子的扩散运动形成的电流,电流方向,空穴电流的方向与运动方向一致，电子电流的方向与运动方向相反。-所以总电流方向仍然
6、一致。,漂移运动：由电场力引起的载流子定向运动,扩散运动：由于载流子浓度不均匀（浓度梯度）造成的运动,18,14.2 PN结及其单向导电性,一、PN结的形成,二、PN结的单向导电性,三、PN结的伏安特性,19,一、PN结的形成,在一块本征半导体在两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。,因浓度差 多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,20,PN结建立在在N型和P型半导体的结合处，由于扩散运动，失空穴和电子后形成不能移动的负离子和正离子状态。PN结称为-空间电荷区耗尽层、阻挡层。PN结很窄（几个到几十个 m)。,21
7、,空间电荷区,N型区,P型区,PN结,22,空间电荷区中没有载流子。,空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的 空穴、N中的电子）的扩散运动。,P中的电子和N中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们形成的漂移电流 很小。,空间电荷区中内电场推动少子（P中的 电子、N中的空穴）的漂移运动。,归纳,23,二、PN结的单向导电性,外加电压使PN结中：P区的电位高于N区的电位，称为加正向电压，简称正偏；,若外加正向电压，使电流从P区流到N区，PN结呈低阻性，所以电流大；,P区的电位低于N区的电位，称为加反向电压，简称反偏。,若外加反向电压，PN结呈高阻性，所以电流小；,24,1）PN结加正向电压时的导电情况
8、,正向偏置P接电源正，N接电源负外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使 PN结变窄。扩散运动漂移运动。称为“正向导通”。,25,反向偏置P接电源负，N接电源正外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PN结变宽。扩散运动漂移运动称为“反向截止”,2).PN结加反向电压时的导电情况,在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流也称为反向饱和电流。,26,PN结的单向导电性,正向特性,反向特性,归纳,外电场削弱内电场，PN结电阻小，电流大，导通；,I的大小与外加电压有关；,外电场增强内电场，结电阻大，反向电流很小，截止
9、；,I反的大小与少子的数量有关，与温度有关。,P（+），N（-）,P（-），N（+）,27,三、PN结的伏安特性,u0，ui,正向特性,反向特性,|u|U（BR），反向击穿,u0，i-IS，恒定不变,按指数规律快速增加,28,14.3 二极管,29,小功率二极管,大功率二极管,稳压二极管,发光二极管,PN结+引线+封装=二极管。,14.3 二极管,一、基本结构,30,二极管结构类型,(1)点接触型二极管,PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。,(2)面接触型二极管,(3)平面型二极管,PN结面积大，用于工频大电流整流电路。,PN 结面积可大可小，用于集成电路制造工艺中。,31,二、
10、伏安特性,开启电压,反向饱和电流,击穿电压,32,2.反向特性,硅：Is0.1 A，锗：Is几十A。,U（BR）=几十伏,1.正向特性,死区电压UT：正向电压超过某一数值后，才有明显的正向电流。,硅：UT=0.5V；锗：UT=0.1V,正向导通电压U范围：,硅：0.60.8V（计算时取0.6V），U=0.6锗：0.10.3V（计算时取0.2V），U=0.2,使用时应加限流电阻。,反向电流很小，与温度有关；,|U|击穿电压，击穿导通，反向电流急剧增加；,33,温度对二极管伏安特性的影响,0,IS,温度增加，Uon减小，IS增加。正向曲线左移，反向曲线下移。,T（）在电流不变情况下管压降u 反向饱
11、和电流IS，U(BR),34,三、主要参数,1.最大整流电流 IOM,2.最大反向工作电压URM,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。,二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。,3.最大反向电流 IRM,指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。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，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,35,1.理想二极管,U 0，D导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关,U 0，D截止；I=0，UD（负值）取
12、决于外电路；相当于一个断开的开关,四、应用举例,36,2.二极管的应用,电路如图示：已知E=5V，ui=10sint V,解：,此类电路的分析方法：,当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线；,当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关；,将二极管看成理想二极管,5V,削波,求：uO的波形,37,设=RC tp，求uo的波形,38,电路如图示：已知 VA=3VVB=0V 求：VF=？,解：,此类电路的分析方法：,将二极管看成理想二极管。,当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。,DB通，VF=0V,箝位,隔离,39,二极管的特点,单向导电性
13、,二极管的应用,开关、箝位、隔离、检波、整流等,40,14.4 稳压二极管,一、基本结构,二、伏安特性,三、主要参数,四、应用电路,41,UZ,IZ,曲线越陡，电压越稳定。,结构：结构同二极管（击穿可逆）,二、伏安特性：,稳压值,基本同二极管,稳压误差,一、基本结构,42,1.稳定电压UZ,2.稳定电流IZ,稳压管中的电流为规定电流时，稳压管两端的电压值。,稳压管正常工作时的参考电流值，对应UZ的值。,三、主要参数,UZ,IZmin,IZmax,4）最大允许功耗,43,4.动态电阻rZ,类似二极管的动态电阻，反映了稳压区电压变化量与电流变化量之比，越小越好。一般为几欧到几十欧。,5.温度系数,
14、温度升高，UZ增加，正温度系数。温度升高，UZ减小，负温度系数。,（%/）,44,稳压管与二极管的主要区别,稳压管比二极管的反向特性更陡。,45,稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。,电阻的作用：一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。,R-串联在稳压电路中；-必不可少！-取值合适（使稳压管 工作在击穿区）,R-限流电阻-调整电阻,四、应用电路,46,已知图示电路中，UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA，负载电阻RL=600，求限流电阻R的取值范
15、围。,R,IR,解：,由：,得：,47,一、晶体管的结构及类型二、晶体管的电流分配和放大作用三、晶体管的共射特性曲线四、晶体管的主要参数,14.5 晶体管,48,Bipolar Junction Transistor-BJT简称晶体管或三极管双极型 器件两种载流子（多子、少子）,双极型晶体管,晶体管具有的能力电流控制（current control）电流放大（current amplify）,49,一、结构及类型,1.基区很薄2.发射区掺杂浓度基区掺杂浓度3.集电区尺寸发射区尺寸，集电区掺杂浓度发射区掺杂浓度,结构特点：,50,晶体管的类型及符号,NPN型,PNP型,51,晶体管放大的工作条件
16、,内部条件发射区高掺杂(故管子e、c极不能互换)基区很薄(几个m)外部条件 发射结(eb结)正偏 集电结(cb结)反偏,二、电流分配及放大作用,52,发射结正偏，集电结反偏,VCVB VE,VCVB VE,53,晶体管内部载流子的运动及电流分配,1.发射极加正向电压，扩散运动形成扩散电流IE（发射载流子）,2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成复合电流IBE,3.集电结加反向电压，推动基区电子向集电区漂移，形成漂移电流ICE（收集载流子）,4.集电结的反向电流ICBO(少子漂移）,反向饱和电流ICBO,54,晶体管的电流放大系数,定义：,结论：,且与晶体管的结构有关,55,三、晶体管的共
17、射特性曲线,测试线路,（共发射极电路）,输入特性：,输出特性：,发射结电压uBE与基极电流iB的关系；,集电极电流iC与管压降uCE的关系。,56,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V,工作压降：硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V,(1)输入特性曲线,57,（2）输出特性曲线,取IB=IB2，起始部分很陡，UCE1V后，较平坦。,原因：UCE较小时，UCE增加，集电区收集能力增强，使IC增强；UCE1V后，集电区收集能力足够大，IC不再增强。,IB取不同的值，可得到一组曲线。,原因：相同UCE下，IB增加，IC增加，曲线上移。,58,晶体管的三个工作区域,放大区：线性区,特点：
18、IC=IB；,特点：IB0，IC ICEO0,饱和区：,特点：ICIB。,饱和管压降：UCE(sat)0.1V，IC取决于外电路。,条件：发射结反偏(UBE UT)。,截止区：的区域。,条件：发射结正偏(UBE UT)，集电结反偏(UCE UBE),条件：发射结正偏，集电结正偏(UCE UBE),59,iC(mA),60,61,62,特性归纳,输入特性,同二极管的正向特性,UBE IB,输出特性,一组曲线（一个IB对应一条曲线）,UBE 0，UCE UBE,发射结正偏，集电结反偏,IC=IB,电流放大作用,UBE0，IB 0,发射结反偏,UBE 0，UCE UBE,IC=IB,发射结正偏，集电
19、结正偏,无电流放大作用,放大区,截止区,饱和区,63,四、主要参数,直流电流放大倍数：,1.电流放大倍数,交流电流放大倍数：,两者非常接近，通常用作：,一般为 20 200,64,2.集-射极反向截止电流ICEO,基极开路时的集电极电流。,所以集电极电流应为：IC=IB+ICEO,ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,65,3.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,4.集电极最大允许功耗PCM,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCP
20、CM,66,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,当集-射极之间的电压UCE超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR)CEO。,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,67,ICUCE=PCM,安全工作区,68,例5 测得电路中各晶体管各极的电位，判断各管的工作状态,解：,判据：发射结正偏，且UBEUT，集电结反偏；放大 发射结正偏，集电结正偏；饱和 发射结反偏，或UBEUon，集电结反偏；截止,69,例6：在一个单管放大电路中，电源电压为
21、30V，已知三只管子的 参数如表所示，请选用一只管子。,解：选用管子的依据：兼顾ICBO小，大，安全 T1值小，T3UCEO小，T2 值较大，ICBO较小,UCEO大于电源电压。故应选T2,70,例7：关于PNP型管子及其电路,要满足发射结正偏，集电结反偏的条件，VBB、VCC的极性应如图所示,电流实际方向如图所示,电位高低如图所示,71,14.6 光电器件,1.发光二极管与光电二极管,1）发光二极管,LED 发光器件,结构：由能发光的化合物半导体材料制作成PN结,功能：将电能转换成光能。,导通电压：1 2V,导通电流：几 几十毫安，须接限流电阻,72,注意：光电二极管工作在反向状态！,2）光
22、电二极管,受光器件,功能：将光能转换成电能。,73,注意：光电三极管工作时，发射结正偏，集电结反偏！,3）光电三极管,受光器件,功能：将光能转换成电能，且有电流放大作用。,74,特点：输入输出电气隔离，抗干扰能力强；传输信号失真小，工作稳定可靠。,4）光电耦合器,功能：由光将输入端的电信号传递到输出端。,75,第14章 小结提纲,一、PN结的单向导电性,二、二极管,三、稳压管,四、三极管,五、光电器件,正向导通：,反向截止：,结构、伏安特性、主要参数、特点、应用,结构、伏安特性、主要参数、特点、应用,结构、伏安特性、主要参数、特点、应用,特点、应用,76,习题,P28 14.3.1,14.3.2(a),(b),14.3.5,14.3.6,14.5.1,14.5.2,
