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1、第14章 二极管和晶体管,14.3 半导体二极管,14.4 稳压二极管,14.5 晶体管,14.2 PN结及其单向导电性,14.1 半导体的导电特性,14.6 光电器件,第14章 半导体二极管和三极管,本章要求：一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；三、会分析含有二极管的电路。,器件是非线性的，工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。作业：；,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，讨论器件的目的在于应用。,学会用工程观点分析问题。,自然界中很容易导电的物质称为导体，金
2、属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,14.1 半导体的导电特性,半导体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。比如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。热敏电阻、光敏电阻,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。半导体二极管、三极管、场效应管及晶闸管,半导体为什么会有如此悬殊的导电特性呢？内部结构、导电机理,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,把纯净的没有结构缺陷的半导体单晶称为本征半导体。它
3、是共价键结构。,本征半导体的共价键结构,本征半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。,1.两种载流子,价电子填补空穴,结 论,1.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。,3.温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体
4、的一大特点。,2.本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,两种半导体,（1）N 型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素，如：磷，则形成N型半导体。,多余价电子,N 型半导体结构示意图,在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,（2）P型半导体,在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。,+4,P 型半导体结构示意图,1.N型半导体中电子是多子，其中大部分是掺杂提供的电子，本征半导体中受激产生的电子只占少数。N型半导体中空穴是少子，少子的迁移也能形成电流，由于数量的
5、关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,2.P型半导体中空穴是多子，电子是少子。,结 论,1.在杂质半导体中多子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。,3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。,a,b,c,4.在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流主要是，N 型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,P 区,N 区,1.PN 结的形成,用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域 和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。,14.2
6、PN结及其单向导电性,多子扩散,少子漂移,内电场方向,空间电荷区,P 区,N 区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,内电场方向,R,2.PN 结的单向导电性,P 区,N 区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形成较大的正向电流,（1）外加正向电压,P 区,N 区,内电场方向,R,（2）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,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,1、空间电荷区中没有载流子又称耗尽层。,2、空间电荷区中
7、内电场阻碍扩散运动的进行。（扩散运动为多子形成的运动）,3、少子数量有限，因此由它们形成的电流很小。,4、PN结具有单向导电性。,正向偏置：P区加正、N区加负电压 多子运动增强，PN结导通,反向偏置：P区加负、N区加正电压 少子运动增强，PN结截止,结 论,14.3 半导体二极管,14.3.1 基本结构（一个PN结）,(a)点接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,点接触型二极管,(b)面 接 触 型,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,(c)平面型,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,二极管的型号,例如：
8、2 C K 18 序号（K-开关、W-稳压、Z-功能 整流、P-检波）（A、B-锗）材料（C、D-硅）二极管,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,正向,反向,死区电压硅管0.5V，锗管0.1V导通时的正向压降硅管0.60.8V，锗管0.20.3V,14.3.3 主要参数,1.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
9、平均电流。,2.反向工作峰值电压URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,3.反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流，反向电流越小越好。,二极管的单向导电性,1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3.外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性
10、分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,二极管导通时等效电路,二极管截止时等效电路,例1.试求下列电路中的电流。（二极管为硅管）,二极管应用举例,二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,其中：US=5V，R=1K,解：所示电路中二极管处于导通状态，因此：,二极管为电流控制型元件，R是限流电阻。,例2：下图中，已知VA=3V，V
11、B=0V，VDA、VDB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解：VDA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,VDA导通后,VDB因反偏而截止,起隔离作用,VDA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,二极管导通后，管子上的管压降基本恒定。,14.4 稳压二极管,1.符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2.伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3.主要参数,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起
12、稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,1.NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极C,基极B,发射极E,14.5.1 基 本 结 构,14.5 晶 体 管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2.PNP型三极管,三极管的型号,例：3 D G 6,A-锗PNPB-锗NPNC-硅PNPD-硅NPNG高频小功率；A高频大功率X低频小功率D低频大功率K开关管,三极管,材料,功能,序号,基区：最薄
13、，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,发射结,集电结：面积大,结构特点：,集电区：面积最大,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,NPN型三极管应满足:UBE 0UBC 0,公共端,EB,RB,IB,14.5.2 电流分配和放大原理,晶体管具有电流控制作用的外部条件,2.各电极电流关系及电流放大作用,结论:,1）三电极电流关系 IE=IB+IC2）IC IB，IC IE 3）IC IB4）,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化
14、。,IC,N,P,N,3.三极管内部载流子的运动规律,VCC,RC,EB,RB,特性曲线,即晶体管各电极电压与电流的关系曲线，是晶体管内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线：1）直观地分析晶体管的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,测量晶体管特性的实验线路,输入回路,输出回路,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降：硅管UBE0.60.8V,锗管UBE0.20.3V。,一、晶体管的输入特性曲线,IB=40A,IB=6
15、0A,IB=20A,二、三极管的输出特性曲线,IC/mA,UCE/V,0,三极管输出特性上的三个工作区,IB=0 A,20A,40 A,60 A,80 A,1.放大区（工作区）,IC(mA),特点：满足IC=IB；IC受IB的控制；IC和UCE无关，呈现恒流特性。称为线性区（放大区）。,条件：发射结正偏，集电结反偏。,特点：此区域中UCE UBE,集电结正偏，IC不再受IB的控制;IBIC,IC饱和;UCES 0.3V称为饱和压降。,2.饱和区,条件:发射结和集电结均为正偏.,此区域中特点:IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,3.截止区,条件:发射结和集电结均为反偏.,主
16、要参数,1.电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,4.集电极最大允许电流 ICM,5.集-射极反向击穿电
17、压U(BR)CEO,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。,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.集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。PC PCM=IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,例1：UCE=6 V时，在 Q1 点IB=40A,IC=1.5mA；在 Q2 点IB=60 A,IC=2.3
18、mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=。,Q1,Q2,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,（1）V1=3.5V，V2=2.9V，V3=12V。,例2：测得工作在放大电路中几个晶体管三个极电位值V1、V2、V3，判断管子的类型、材料及三个极。,NPN型硅管，1、2、3依次为B、E、C,（2）V1=3V，V2=2.8V，V3=12V。,（3）V1=6V，V2=11.4V，V3=12V。,（4）V1=6V，V2=11.8V，V3=12V。,NPN型鍺管，1、2、3依次为B、E、C,PNP型硅管，1、2、3依次为C、B、E,PNP型鍺管，1、2、3依次为C、B、E,例3：测得电路中三极管各极
19、对地的电位值如下表所示，判断各管的工作状态及类型。,T1：UBE=-0.3V，放大状态，PNP型,T2：UCE=0.3V，饱和状态，NPN型,T3：UCE=-6V，截止状态，PNP型,14.6 光电器件,显示、报警、耦合和控制,1、发光二极管(LED)-Light Emitting Diode,特点：工作电压:1.53V，工作电流：几毫安十几毫安，寿命很长，一般作显示用。常用的有2EF等系列。,数字显示管,a b c d e f g,1 1 1 1 1 1 0,0 1 1 0 0 0 0,1 1 0 1 1 0 1,共阴极,共阳极,2、光电二极管,特点：在反向电压下工作-当无光照时，反向电流很小(通常小于0.2A)-暗电流 当有光照时产生的反向电流增大-光电流(几十微安,应 用时须进行放大)照度愈强，光电流也愈大。常用的有2AU，2CU等系列。,利用PN结的光敏特性，接收到的光的变化转换为电流的变化。,3、光电晶体管,特点：用入射光照度的强弱来控制集电极电流。,当无光照时，集电极电流ICEO很小-暗电流 当有光照时，集电极电流增大-光电流(零点几毫安到几个毫安)常用的有3AU，3DU等系列。,
