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1、1,半导体二极管和晶体管,第十四章,2,电子技术是研究各种半导体器件的性能、电路及其应用的学科。,从本学科内容大的方面来划分，可分为模拟电子技术和数字电子技术。,模拟电子技术主要讨论连续变化信号电路。,数字电子技术主要讨论脉冲信号电路。,电子器件的发展：,真空电子管 晶体管 集成电路,3,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 半导体三极管,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,4,本章要求：1.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；2.了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性
2、曲线，理解主要参数的意义；3.会分析含有二极管的电路！,第14章 二极管和晶体管,基本课时：4-5个,5,本章作业：,P32页14.3.6 14.3.8,6,14.1 半导体的导电特性,几个基本概念：,1、很容易导电的物质称为导体金属一般都是导体。,2、有的物质几乎不导电，称为绝缘体 如橡皮、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，称为半导体 如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,7,一种物质的导电性能取决于 其载流子密度（浓度）。,8,半导体的特点：,半导体的优点（与电子真空管相比）1、体积小，重量轻 2、耗电省 3、成本低（特别是大规模生产）,缺点：1、受温度影响大
3、2、参数离散3、半导体器件对静电非常敏感：半导体生产车间对去静电要求非常强，进车间前要去静电、穿防护服,9,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,10,14.1.1 本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,11,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,
4、完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,12,硅和锗的共价键结构,共价键 共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子。因此本征半导体中的自由电子很少，导电能力很弱。,注意：半导体中两种电子：共价键中的价电子自由电子,13,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1、本征激发（热激发）,14,本征半导体的导电机理,空穴吸引邻近价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为空穴是载流子。,空穴导电：,15,注
5、意：,1、半导体有两种载流子：自由电子 和空穴；2、自由电子和空穴是成对出现，又不断复合。3、在一定温度下，电子空穴对处于动态平衡，载流子数目便维持一定。4、温度对半导体的导电性能影响很大。,16,N型半导体,多余电子,磷原子,掺杂浓度为百万分之一，则电子浓度就会增加到：,2、掺杂,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,17,N型半导体,多余电子,磷原子,硅原子,硅或锗+少量磷 N型半导体,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,18,N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,结论：1、自由电子和空穴，且掺杂后载流子的浓度远远大于本征半导体中载流子浓度。2、
6、自由电子浓度远远大于空穴浓度。多数载流子（多子）自由电子 少数载流子（少子）空穴。,19,空穴,P型半导体,硼原子,20,P型半导体特点：,1、在本征半导体中掺入三价元素。,2、P型半导体中载流子是自由电子和空穴 多子：空穴 少子：自由电子,21,总 结,掺杂半导体导电性能大大增强的原因是：掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加！,22,1.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
7、导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,b,a,23,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 PN 结的形成,先将基片做成P型，然后在另一边掺入五价元素，使其成为N型半导体。先将基片做成N型，然后在另一边掺入三价元素，使其成为P型半导体。,24,P型半导体,N型半导体,空间电荷区,25,一、PN 结的形成,26,1、空间电荷区中几乎没有载流子。(故空间电荷区的电阻率很高),2、空间电荷区中内电场阻碍多子的扩散运动，促进少子的漂移运动。,3、P区中的电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小即漂移电流很小，nA级。,请注意,4、扩散与漂移达到动态平衡时,
8、空间电荷区的宽度基本稳定，PN结处于相对稳定状态。,27,P区接外电源的正极、N区接负极：PN结加上正向电压、正向偏置,14.2.2 PN 结的单向导电性,28,PN结反向偏置,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区接外电源负极、N区接正极。,29,结论：PN结具有单向导电特性,30,14.3 半导体二极管,14.3.1 基本结构,(a)点接触型,(b)面接触型,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。,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。,31,图 1 12 半
9、导体二极管的结构和符号,二极管的结构示意图,32,二极管实际外形,33,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿电压U(BR),导通压降,当外加电压死区电压,二极管才能导通。,当外加电压反向击穿电压,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基本保持常数。,电流的正半部分单位为mA，负半部分为A,34,14.3.3 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，一般是二极
10、管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,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。反向电流大，说明管子的单向导电性差，IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,35,总结：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.当外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，
11、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。,36,二极管电路分析举例（考点）,定性分析：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(正向偏置)，二极管导通若 V阳 V阴或 UD为负(反向偏置)，二极管截止,定量分析：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。,37,电路如图，求：UAB,V阳=6 V V阴=12 V V阳V阴 二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=6V否则，UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,思路：1
12、、取 B 点作参考点2、断开二极管3、分析二极管V阳、V阴,在这里，二极管起钳位作用。,38,两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳=6 V，V2阳=0 V，V1阴=V2阴=12 VUD1=6V，UD2=12V UD2 UD1 D2 优先导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=0 V，D1截止。,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。,共阴连接,39,B,D1,6V,12V,3k,A,D2,UAB,+,共阳连接,求：UAB,V1阳=12 V，V2阳=12 V，V1阴
13、=-6 V，V2阴=0 VUD1=18V，UD2=12V UD2 UD1 D1 优先导通，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=-6 V，D2截止。,40,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo=8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo=ui,已知：二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,总结二极管的用途：限幅、钳位、开关、整流、检波、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,41,例4：二极管的应用,R,RL,ui,uR,uo,42,PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,（2）二极管的极间电容（了解）,43,一、工作区域,U,UZ
14、,IZ,曲线越陡，电压越稳定。,-,14.4 稳压二极管,稳压管工作在反向击穿区,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。,44,二、工作特点：,（1）在反向击穿区处于稳压状态；,（3）工作在其它区域与一般二极管相同。,（2）其反向击穿是可逆的；,45,(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引起稳压值变化的百分数。,三 主要参数,对Si管而言，正值,UZ 6V 很小,UZ=6V 负值,UZ 6V所以一般的多选用工作在6V的稳压管,46,(3)动态电阻,(4)稳定电流 IZ、最
15、大稳定电流 IZMax，最小稳定电流 IZMin,(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。,书上的例子自己看看,47,基极,NPN型,PNP型,基极,14.5 半导体三极管,14.5.1 基本结构,48,发射结,集电结,49,基区：较薄，1um以下，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺杂浓度较高,结构特点,50,三极管结构特点（工作的内部条件）：1、集电区：面积最大，掺杂浓度大于基区掺杂浓度（收集电子的作用）2、基区：最薄，掺杂浓度最低（过渡电子的作用）3、发射区：掺杂浓度最高，远远大于集电区的掺杂浓度（发射电子的作用）,51,1,1.三极管放大的外
16、部条件,发射结正偏、集电结反偏,14.5.2 电流分配和放大原理,EB,RB,Ec,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。,52,EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,从发射区扩散来的电子与基区的少子漂移进入集电结而被集电区收集，形成ICE。,2,多子的运动,少子的运动,53,IB=IBE-ICBOIBE,3,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,54,4,55,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,电流关系式：,三极管放大的实
17、质：小电流控制大电流。,56,NPN型三极管T,PNP型三极管T,三极管工作于放大区时，各电极电位关系：,57,IC,实验线路,2.各电极电流关系及电流放大作用,58,晶体管电流测量数据,结论:,(1)IE=IB+IC 符合基尔霍夫定律(2)IC IB，IC IE(3)IC IB,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，是CCCS器件。,59,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,特性曲线,60,1、输入特性,死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V
18、。,工作压降：硅管UBE0.60.7V锗管UBE0.20.3V,61,2.输出特性,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有 IC=IB，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,62,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。深度饱和时，硅管UCES 0.3V，锗管UCES
19、 0.1V。,63,晶体管三种工作状态的电压和电流,(a)放大,(b)截止,(c)饱和,当晶体管饱和时，UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大。所以晶体管除了有放大作用外，还有开关作用,64,晶体管结电压的典型值,四 主要参数,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数。作用：表示晶体管各项性能的指标；设计、计算和调整晶体管电路不可缺少的依据；评价晶体管的优劣和选用晶体管的依据。,65,四 主要参数,1.电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成共发射极电路时，,注意：,和 的
20、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。,由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有在特性曲线的近于水平部分，IC随IB成正比变化，值才可认为是基本恒定的。,表示对电流的放大作用，常用晶体管的 值在20 200之间。,66,例：在UCE=6 V时，在 Q1 点IB=40A,IC=1.5mA；在 Q2 点IB=60 A,IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=。,在 Q1 点，有,由 Q1 和Q2点，得,67,2.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,68,3.集-射极反向截止电
21、流(穿透电流)ICEO,B,E,C,N,N,P,ICEO是当基极开路（IB=0）集电结反偏发射结正偏时集电极的电流。也称为穿透电流。数值越小越好。,ICEO=（1+）ICBO,69,4.集电极最大允许电流 ICM,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC超过某一值时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 P
22、CM=IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,70,三极管正常工作要同时满足三个条件：,注：瞬时超过未必损坏,瞬时超过损坏,71,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,ICUCE=PCM,安全工作区,72,晶体管参数与温度的关系,1.温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优于 锗管。,2.温度每升高1C，UBE将减小(22.5)mV，即晶体管具有负温度系数。,3.温度每升高 1C，增加 0.5%1.0%。,73,晶体管的放大作用：本质：电流控制作用，即 iB对iC或iE的控制作用。基极电流iB是由发射结间电压uBE控制的。ui uBE iB iC在集电极回路中串接一个
23、负载电阻，就可以在负载电阻两端得到相应的幅度较大的变化电压。,半导体晶体管总结（1）,74,三极管三种工作状态注：+表示“正偏”；-表示“反偏”,75,三极管的实际结构,76,三极管的类型判定,77,例：说明图示电路中的开关S分别处于a、b、c三个位置时,三极管分别工作于什么区;并计算IB,IC及UCE分别为多少?,78,解：a位置：UBE=0故IB=0 IC=0 UCE=12V 工作于截止区。,b位置：UBE=0.7V故IB=(3-0.7)/10*103=0.23mAIB=100*0.23=23mA,(ICsat),故IC=12mA UCE=0 工作于饱和区,c位置：UBE=0.7V故IB=
24、(3-0.7)/(20+10)*103=0.0767mAIB=100*0.0767=7.67mA ICsat=12mA,故IC=7.67mA UCE=12-IC*1K=4.33V 工作于放大区,79,晶体管的三种工作状态对比总结（2）,80,14.6 光电器件,符号,14.6.1 发光二极管(LED),当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电流时，就能发出一定波长范围的光。目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似。常用的有2EF等系列。发光二极管的工作电压为1.5 3V，工作电流为几 十几mA。,81,14.6.2 光电二极管,光电二极管在反向电压作用下工作。当无
25、光照时,和普通二极管一样,其反向电流很小,称为暗电流。当有光照时,产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。常用的光电二极管有2AU,2CU等系列。光电流很小,一般只有几十微安,应用时必须放大。,(a)伏安特性,(b)符号,E2 E1,82,14.6.2 光电晶体管,光电晶体管用入射光照度E的强弱来控制集电极电流。当无光照时,集电极电流 ICEO很小,称为暗电流。当有光照时,集电极电流称为光电流。一般约为零点几毫安到几毫安。常用的光电晶体管有3AU,3DU等系列。,(b)输出特性曲线,(a)符号,83,本章知识点小结,本征半导体N型、P型半导体PN结以及多子少子概念二极管的曲线、死区电压、UBR、导通压降二极管电路的分析晶体管的输入曲线、输出曲线晶体管主要参数的意义二极管：单向导电三极管：电流放大（内、外条件）,
