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1、第 9 章 半导体二极管和三极管,9.2 半导体二极管,9.3 稳压管,9.4 半导体三极管,9.1 半导体的导电特性,退出,9.4 半导体三极管,9.5 光电器件,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,第 9 章 半导体二极管和三极管,9.1 半导体的导电特性,本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导
2、体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流(1)自由电子作定向运动 电子电流(2)价电子
3、递补空穴 空穴电流,注意：(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半
4、导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,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
5、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,PN结及其单向导电性,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,9.1.3 PN结的单向导电性,1.PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导
6、通状态。,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,PN 结变宽,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,9.2 半导体二极管,9.2.1 基本结构,将 PN 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。,点接触型,9.2.2 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
7、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。,9.2.3 主要参数,1.最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2.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，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。,3.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。,二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。
8、,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，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，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,若二极管是理想的，正向导通时正向
9、管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,例 1:在图中，输入电位 VA=+3 V，VB=0 V，电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。,解 因为 VA 高于VB，所以DA 优先导通。如果二极管的正向压降是 0.3 V，则 VY=+2.7 V。当 DA 导通后,DB 因反偏而截止。,在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7 V。,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,练习：,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。,9.3
10、 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。,例 1 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否合适？,IZ IZM，电阻值合
11、适。,解,9.4 半导体三极管,9.4.1 基本结构,返回,1.NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极 C,基极 B,发射极 E,P,不论平面型或合金型，都分成 NPN 或PNP 三层，因此又把晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两类。,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,集电极 C,发射极 E,基极 B,N,P,P,N,2.PNP 型三极管,9.4.2 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 NPN 型管，为了使晶体管具有放大作用，电源 EB 和
12、 EC 的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。,设 EC=6 V，改变可变电阻 RB，则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：,晶体管电流测量数据,(2)IC 和 IE 比 IB 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。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化 IC。,式中，称为动态电流(交流)放大系数,9.4.3 特性曲线,1.输入特性曲线,输入特性曲线是指当集 射极电压UCE为常数时，输入电路(基极电路)中，基极电流
13、 IB 与基射极电压 UBE 之间的关系曲线 I B=f(UBE)。,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。,(3)当 IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中 ICEO 0.001 mA=1 A。,(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,2.输出特性曲线,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。,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三
14、个工作区,(1)放大区,输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，。放大区也称为线性区，因为 IC 和 IB 成正比的关系。对 NPN 型管而言，应使 UBE 0，UBC UBE。,放 大 区,(2)截止区,IB=0 的曲线以下的区域称为截止区。IB=0 时,IC=ICEO(很小)。对 NPN 型硅管，当UBE 0.5 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。,(3)饱和区,当 UCE 0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和 IB 不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE 0，IC
15、 UCC/RC。,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，可见，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,晶体管结电压的典型值,9.4.4 主要参数,1.电流放大系数，,当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数,当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为 IB，它引起集电极电流的变化量为 IC。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
16、 ICEO 较小的情况下,可近似认为，但二者含义不同。,2.集基极反向截止电流 ICBO,ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。,3.集射极反向截止电流 ICEO,ICEO 是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。,4.集电极最大允许电流 ICM,当 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 ICM。,5.集射反相击穿电压 U(BR)CEO,6.集电极最大允许耗散功率 PCM,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射反相击穿电压 U(BR)CEO。,当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所
17、消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。,由 ICM、U(BR)CEO、PCM 三者共同确定晶体管的安全工作区。,返回,9.5 光电器件,符号,9.5.1 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。,9.5.2 光电二极管,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时,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 E1,9.5.3 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,
