电子技术基础之 二极管和晶体管

1、 第第1515章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管 返回返回 目目 录录 14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。 半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多的本征半 导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们 各有四个价电子，都各有四个价电子，都 是四价元素是四价元素. 硅的原子结构硅的原子结构 纯净的半导体其所有的原子基 本上整齐排列，形成晶体结构，

2、 所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构 14.1.114.1.1 本征半导体本征半导体 SiSi SiSi 共价键共价键 价电子价电子 14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子 在获得一定能量在获得一定能量 后，即可挣脱原后，即可挣脱原 子核的束缚，成子核的束缚，成 为自由电子为自由电子 同时在共价键中同时在共价键中 留下一个空穴。留下一个空穴。 空穴空穴 SiSi SiSi 自由自由 电子电子 热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照由于受热或光照 产生自由电子和产生自由电子和

3、空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发 14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子 在运动中遇在运动中遇 到空穴后，到空穴后， 两者同时消两者同时消 失，称为复失，称为复 合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本 征半导体中的自由征半导体中的自由 电子电子空穴对的数空穴对的数 目基本不变。温度目基本不变。温度 愈高，自由电子愈高，自由电子 空穴对数目越多空穴对数目越多。 SiSi SiSi 自由 电子 空穴 半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中， 同时存在着电子同时存在着电子 导电和空穴导电，导电和空穴导电， 这是半导体导电这是半导体导电 方式的最大特点

4、，方式的最大特点， 也是半导体和金也是半导体和金 属在导电原理上属在导电原理上 的本质差别。的本质差别。 载流子载流子 自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈 高，载流子数目愈高，载流子数目愈 多，导电性能也就多，导电性能也就 愈好，所以，温度愈好，所以，温度 对半导体器件性能对半导体器件性能 的影响很大。的影响很大。 14.1.1 14.1.1 本征半导体本征半导体 SiSi SiSi 价电 子 空穴 当半导体两端当半导体两端 加上外电压时，自加上外电压时，自 由电子作定向运动由电子作定向运动 形成电子电流；而形成电子电流；而 空穴的运动相当于空穴的运动相当于 正电荷的运动正

5、电荷的运动 14.1.2 N14.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 N型半导体型半导体 在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入微量的磷（或掺入微量的磷（或 其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数 载流子，空穴是载流子，空穴是 少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体 或或N N型半导体型半导体 SiSi P+Si 多余 电子 14.1.2 N14.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中 掺入硼（或其它掺入硼（或其它 三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子，空穴是多数载流

6、子， 自由电子是少数载自由电子是少数载 流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体 或或P P型半导体。型半导体。 SiSi B-Si 空穴 14.1.2 N14.1.2 N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体， 虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数， 但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的。的。 14.2 PN14.2 PN结及其单向导通性结及其单向导通性 14.2.1 PN14.2.1 PN结的形成结的形成 自由电子 P N 空穴 PN结是由扩散运动形成的结是由扩散运动形成的 14.2.114.2.

7、1 PN结的形成结的形成 自由电子 PN 空间电荷区 内电场方向 空穴 14.2.1 PN14.2.1 PN结的形成结的形成 扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散运动和漂移运动的动态平衡 扩散强扩散强 漂移运动增强漂移运动增强 内电场增强内电场增强 两者平衡两者平衡 PNPN结宽度基本稳定结宽度基本稳定 外加外加 电压电压 平衡平衡 破坏破坏 扩散强扩散强 漂移强漂移强 PNPN结导通结导通 PNPN结截止结截止 14.2.2 PN结的单向导电性 1 外加正向电压使PN结导通 PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流 基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流

8、正向电流正向电流 + 变窄 PN 内电场 方向 外电场方向 R I 14.2.2 PN结的单向导电性 2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流 特点特点: : 受温度影响大受温度影响大 原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的 + - 变 宽 PN 内电场 方向 外电场方向 R I=0 14.2.2 PN结的单向导电性 结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，

9、处在导通状态，结电阻很低， 正向电流较大。正向电流较大。 （2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高， 反向电流很小。反向电流很小。 14.3 14.3 半导体二极管半导体二极管 15.3.1 基本结构基本结构 14.3.2 伏安特性伏安特性 14.3.3 伏安特性的折线化伏安特性的折线化 14.3.4 二极管的主要参数二极管的主要参数 14.3.1 基本结构 PN结 阴极引线 铝合金小球 金锑合金 底座 N型硅 阳极引线 面接触型面接触型 引线 外壳触丝N型锗片 点接触型点接触型 表示符号表示符号 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性

10、 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死区 电压 击穿 电压 半导体二极半导体二极 管的伏安特性管的伏安特性 是非线性的。是非线性的。 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死区电压 击穿电压 死区电压：死区电压： 硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 1 正向特性正向特

11、性 反向电流：反向电流： 反向饱和电流：反向饱和电流： 反向击穿电压反向击穿电压U（BR） 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死区电 压 击穿电 压 2 反向特性反向特性 14.3.4 伏安特性的折线化 U 0 U 0 US 14.3.4 14.3.4 主要参数主要参数 1 最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。 2 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿

12、而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。 3 反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 14.3.5 14.3.5 应用举例应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限主要利用二极管的单向导电性。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。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 例例: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位 VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。 VY=+

13、2.7V 解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上加的是反向电压， 因而截止。因而截止。 DA起钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。 -12V A B +3V 0VDB DA Y 14.4 14.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中 与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号： 正向 + - 反向 + -IZ UZ 2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性： 3 稳压管稳压原理：稳压管稳压

14、原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向 击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时， 电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内 变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的 电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这 一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路 中能起稳压作用。中能起稳压作用。 稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。 反向击穿 是可逆的。 U/V I/mA 0 IZ IZM UZ 14.4 14.4 稳压管稳压管 4 主要参数主要参数 （2）电压温度系数）电压温度系数 U （1）稳定电压）稳定电压 UZ 稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的

15、电压。 说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数 14.4 14.4 稳压管稳压管 （3）动态电阻）动态电阻 （4 4）稳定电流）稳定电流 （5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 rZ 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值 IZ PZM 管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM 14.4 14.4 稳压管稳压管 例题例题 + _ U U0UZ R 稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用 当当UUZ大于时大于时,稳压管击穿稳压管击穿 R UU I Z Z 此时此时 选选R，使，

16、使IZIZM 14.5 14.5 半导体三极管半导体三极管 14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构 14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构 14.5.2 14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理 14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线 14.5.4 14.5.4 主要参数主要参数 4 结构结构 平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP 14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构 发射结集电结 B NNP 发射区 基区 集电区 EC N N P B E C C E B 发射结集电结 B PPN 发射区 基区 集电区 EC P P N B E C C E B 14.

17、5.1 14.5.1 基本结构基本结构 14.5.2 14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理 A mA mA IB IC IE RB EC + + _ _ EB B C E 3DG6 共发射极接法 14.5.2 14.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理 晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据 IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 由此实验及测量结果可得出如下结论：由此实验及测量结果可得出如下结论： （

18、1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。 （3）当）当IB=0（将基极开路）时，（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1 14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线 2 输出特性曲线输出特性曲线 CICEC B | )U(I f 晶体管的输晶体管的输 出特性曲线是出特性曲线是 一组曲线。一组曲线。 UCE/V 1 3 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 2 14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线 晶体管的输出特性曲线分为三

19、个工作区晶体管的输出特性曲线分为三个工作区： （1）放大区）放大区 （2）截止区）截止区 （3）饱和区）饱和区 （1）放大区（线性区）放大区（线性区） 1 3 2 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 放大区 UCE/V 输出特性曲线的近似水平部分。输出特性曲线的近似水平部分。 B _ C II 发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置 14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线 （2）截止区）截止区 IB=0曲线以下的区域为截止区曲线以下的区域为截止区 IB=0 时，时，IC=ICEO0.001mA 对对NPN型硅管而

20、言，当型硅管而言，当UBE0.5V时，即已开时，即已开 始截止，为了截止可靠，常使始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。小于等于零。 1 3 2 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 截止区 UCE/V （3）饱和区）饱和区 当当U UCECEU UBEBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱 和状态和状态 在饱和区，在饱和区，I IB B的变化对的变化对I IC C的影响较小，两者不成比例的影响较小，两者不成比例 1 3 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 2 饱和区

21、UCE/V 14.5.3 14.5.3 特性曲线特性曲线 14.5.4 14.5.4 主要参数主要参数 1 电流放大系数电流放大系数 , _ _ ：静态电流（直流）放大系数 B C _ I I ：动态电流（交流）放大系数 B C I I 注意：注意： , _ 两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行 等距并且等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接较小的情况下，两者数值较为接 近。在估算时，常用近。在估算时，常用 _ 近似关系近似关系 （1） （2） 对于同一型号的晶体管，对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的值有差别，常用晶体管的 值在值在2

22、0-100之间。之间。 14.5.4 14.5.4 主要参数主要参数 2 2 集集基极反向截止电流基极反向截止电流I ICBOCBO ICBO=IC|IE=0 ICBO受温度的影响大。受温度的影响大。 在室温下，小功率锗管的在室温下，小功率锗管的 ICBO约为几微安到几十微安，约为几微安到几十微安， 小功率硅管在一微安以下。小功率硅管在一微安以下。 ICBO越小越好。越小越好。 EC A + _ T + _ ICB0 14.5.4 14.5.4 主要参数主要参数 3 集集射极反向截止电流射极反向截止电流ICEO ICEO=IC|IB=0 穿透电流穿透电流ICEO与与ICBO的关系：的关系： CEOB _ CBOCBOB _ C CBO _ CBOCBO _ CEO CBO CBOCEO 0I CBOB