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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,