二极管与晶体管LI

1、14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体的导电特性：半导体的导电特性：( (可做成温度敏感元件，如热敏电阻可做成温度敏感元件，如热敏电阻) )。掺杂性掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变能力明显改变( (可做成各种不同用途的半导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）。体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化当受到光照时，导电能力明显变化 ( (可做可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等管、光敏三极管等) )。

2、热敏性：热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强当环境温度升高时，导电能力显著增强现代电子学中，用的最多的半导体是硅和现代电子学中，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。锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。Si硅原子硅原子Ge锗原子锗原子硅的共价键结构硅的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对SiSiSiSi完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半本征半导体导体。本征半导体的导电能力很弱。本征半导体的导电能力很弱。价电子价电子价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子 价电子在获得一定能量价电子在获得一定能量（温

3、度升高或受光照）后，（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成即可挣脱原子核的束缚，成为为自由电子自由电子（带负电），同（带负电），同时共价键中留下一个空位，时共价键中留下一个空位，称为称为空穴空穴（带正电）（带正电）。空穴空穴 温度愈高，晶体中产温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。生的自由电子便愈多。自由电子自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价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）。于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。 当半导体两端加上外电压时

4、，在半导体中将出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现两部分电流 (1)自由电子作定向运动自由电子作定向运动 电子电流电子电流 (2)价电子递补空穴价电子递补空穴 空穴电流空穴电流 (1) 本征半导体中载流子数目极少本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差；其导电性能很差； (2) 温度愈高，温度愈高， 载流子的数目愈多载流子的数目愈多,半导体的导电性能半导体的导电性能也就愈好。也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。所以，温度对半导体器件性能影响很大。自由电子和自由电子和空穴都称为空穴都称为。 自由电子和自由电子和空穴空穴。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平

5、衡，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。半导体中载流子便维持一定的数目。 掺杂后自由电子数目掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导成为这种半导体的主要导电方式，称为电方式，称为或或。掺入五价元素掺入五价元素 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 。 在在N 型半导体中型半导体中，空穴是少数载流空穴是少数载流子。子。 掺杂后空穴数目大量增加，掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主空穴导电成

6、为这种半导体的主要导电方式，称为要导电方式，称为或或 。掺入三价元素掺入三价元素 Si Si Si Si 在在 P 型半导体中型半导体中，B硼原子硼原子接受一个接受一个电子变为电子变为负离子负离子空穴空穴无论无论N型或型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。型半导体都是中性的，对外不显电性。多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 内电场越强，漂移运内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间动越强，而漂移使空间电荷区变薄。电荷区变薄。 扩散的结果使空扩散的结果使空间电荷区变宽。间电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 扩散和漂移扩散和漂移这一对

7、相反的这一对相反的运动最终达到运动最终达到动态平衡，空动态平衡，空间电荷区的厚间电荷区的厚度固定不变。度固定不变。+形成空间电荷区形成空间电荷区 1. PN 结加正向电压结加正向电压（正向偏置）（正向偏置）PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF 内电场被削内电场被削弱，多子的扩弱，多子的扩散加强，形成散加强，形成较大的扩散电较大的扩散电流。流。 PN 结加正向电压时，结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。结处于导通状态。内电场内电场PN+扩散扩散 飘移飘移+PN 结变宽结变宽 内电场被加内电场被加

8、强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。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，结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，反向电阻较大，PN结处于截止状态。结处于截止状态。内电场内电场PN+14.3 半导体二极管半导体二极管14.3.1 基本结构基本结构(a) 点接触型点接触型 结面积小、结面积小、结电容小、正结电容小、正向电流小。用向电流小。用于检波和变频于检波和变频等高频电路。等高频电路。金属触丝金

9、属触丝阳极引线阳极引线N型锗片型锗片阴极引线阴极引线外壳外壳( a ) 点接触型点接触型符号符号: :阴极阴极阳极阳极D铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型(b)面接触型面接触型 结面积大、结面积大、正向电流大、正向电流大、结电容大，用结电容大，用于工频大电流于工频大电流整流电路。整流电路。(c) 平面型平面型 用于集成电路制用于集成电路制作工艺中。作工艺中。PN结结结结面积可大可小，用面积可大可小，用于高频整流和开关于高频整流和开关电路中。电路中。阴极引线阴极引线阳极引线阳极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层

10、P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型14.3.2 伏安特性伏安特性硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降 外加电压大于死区电外加电压大于死区电压二极管才能导通。压二极管才能导通。 外加电压大于反向击外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。失去单向导电性。正向特性正向特性反向特性反向特性特点：非线性特点：非线性硅硅0 0.60.8V锗锗0.20.3VUI死区电压死区电压PN+PN+ 反向电流反向电流在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持常数。常数。14.3.3 主要参数主要参数1. 最大整流电流最大整流电

11、流 IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压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，一般是二极管反向击穿电压一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。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。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3. 反向峰值电流反向峰值电流IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反。反向电流大，说明管子的单向导电性差，向电流大，说明管子的单

12、向导电性差，IRM受温度的受温度的影响，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。锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。二极管二极管的单向导电性小结的单向导电性小结 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负极接负 ）时，）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正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。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、阴二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正极接正 ）时，）时

13、， 二极管处于反向截止状态，二极管反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。向电阻较大，反向电流很小。 3. 3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，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。失去单向导电性。 4. 4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。反向电流愈大。定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止否则，正向管压降否则，正向管压降硅硅0 0.60.7V锗锗0.20.3V 分析方法：分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位将二极管断开，分析二极管两端电位的高低

14、或所加电压的高低或所加电压UD的正负。的正负。若若 V阳阳 V阴阴或或 UD为正为正( 正向偏置正向偏置 )，二极管导通，二极管导通若若 V阳阳 V阴阴 二极管导通二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否则，否则， UAB低于低于6V一个管压降，为一个管压降，为6.3或或6.7V例例1： 取取 B 点作参考点，断开点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。和阴极的电位。D6V12V3k BAUAB+两个二极管的阴极接在一起两个二极管的阴极接在一起取取 B 点作参考点，断开二极点作参考点，断开二极管，分析二极管阳

15、极和阴极管，分析二极管阳极和阴极的电位。的电位。V1阳阳 =6 V，V2阳阳=0 V，V1阴阴 = V2阴阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通，优先导通， D1截止。截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V例例2:D1承受反向电压为承受反向电压为6 V流过流过 D2 的电流为的电流为mA43122D I求：求：UAB 在这里，在这里， D2 起钳位起钳位作用，作用， D1起隔离作用。起隔离作用。 BD16V12V3k AD2UAB+ui 8V，二极管导通，可看作短路，二极管导通，可看作短路 uo = 8

16、V ui 8V，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路 uo = ui已知：已知： 二极管是理想的，试画二极管是理想的，试画出出 uo 波形。波形。V sin18itu 8V例例3：二极管的用途：二极管的用途： 整流、检波、整流、检波、限幅、钳位、开限幅、钳位、开关、元件保护、关、元件保护、温度补偿等。温度补偿等。uit 18V参考点参考点二极管阴极电位为二极管阴极电位为 8 VD8VRuoui+作业：作业： P32 14.3.5 14.4 稳压二极管稳压二极管1. 符号符号 UZ( (稳定电压稳定电压）IZ ( (稳定电流）稳定电流）IZM( (最大稳定电流）最大稳定电流） UZ I

17、Z2. 伏安特性伏安特性稳压管正常工作时加反向稳压管正常工作时加反向电压电压(反向击穿区反向击穿区）稳压管的击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压管又恢稳压管的击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压管又恢复正常。超过复正常。超过IZM,稳压管会被烧毁，稳压管会被烧毁，_+UIO动态电阻动态电阻ZZ ZIUrrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。电压温度系数电压温度系数 ：环境温度每变化环境温度每变化1 C引起引起稳压值变化的稳压值变化的百分数百分数。最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM例：稳压二极管的应用例：稳压二极管的应用RLuiuORDZiizi

18、LUZ稳压二极管技术数据为：稳压电压稳压二极管技术数据为：稳压电压UZ=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，负载电阻，负载电阻RL=2k ，输入电，输入电压压ui=12V，限流电阻，限流电阻R=200 。若。若负载电阻负载电阻变化范围变化范围为为1.5 k 4 k ，是否还能稳压？，是否还能稳压？RLuiuORDZiiziLUZUZ=10V ui=12VR=200 Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k (1.5 k 4 k ) iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i= （ui - UZ）/R=（12-10）/0.2=10 （mA） iZ = i - iL

19、=10-5=5 （mA）RL=1.5 k , iL=10/1.5=6.7（mA）, iZ =10-6.7=3.3（mA）RL=4 k , iL=10/4=2.5（mA）, iZ =10-2.5=7.5（mA）负载变化负载变化, ,但但i iZ Z仍在仍在12mA12mA和和2mA2mA之间之间, ,所以稳压管仍能起稳压作用所以稳压管仍能起稳压作用光电二极管光电二极管反向电流随光照强度的增加而上升。反向电流随光照强度的增加而上升。IU 照度增加照度增加符号符号光电二极管光电二极管发光二极管发光二极管有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以

20、发出从红外到可见波段的光，它的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，正向电压较一般二极管电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几高，电流为几 几十几十mA发光二极管发光二极管NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC14. 5. 2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理1. 三极管放大的外部条件三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 PNP发射结正偏发射结正偏 VBVE集电结反偏集电结反偏 VCVE集电结反偏集电结反偏 VCVB 2. 各电极电流关系及电流放大作用各电极电流关系及电流放大作

21、用1）三电极电流关系）三电极电流关系 IE = IB + IC2） IC IB ， IC IE 3） IC IB晶体管的电流放大作用。晶体管的电流放大作用。 实质实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是变化，是CCCS器件器件。3.3.三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEiBEICEICBO 基区空穴向基区空穴向发射区的扩散发射区的扩散可忽略。可忽略。 发射结正偏，发发射结正偏，发射区电子不断向基射区电子不断向基区扩散，形成发射区扩散，形成发射极电流极电流I IE E。进入进入P P 区的电区的电

22、子少部分与基区子少部分与基区的空穴复合，形的空穴复合，形成电流成电流iBE ，多数，多数扩散到集电结。扩散到集电结。从发射区扩散到从发射区扩散到基区并到达集电基区并到达集电区边缘的电子被区边缘的电子被拉入集电区而被拉入集电区而被收集，形成收集，形成iCE。集电结反偏，集集电结反偏，集电区的空穴和基电区的空穴和基区的电子向对方区的电子向对方运动形成的反向运动形成的反向电流电流iCBO。3. 三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律IC = ICE+ICBO ICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB = IBE- ICBO IBE ICE 与与 IBE 之比称

23、为共之比称为共发射极电流放大倍数发射极电流放大倍数BCCBOBCBOCBECEIIIIIIII CEOBCBOBC)(1 IIIII BC CEO III ，有，有忽略忽略, 温度温度ICEO (常用公式常用公式)若若IB =0, 则则 IC ICEO14.5.3 特性曲线特性曲线 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是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。分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：为什么要研究特性曲线： 1 1）直观地分析管子的工作状态）直观地分析管子的工作

24、状态 2 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路电路 重点讨论应用最广泛的重点讨论应用最广泛的是输入回路、输出回路的公共端是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路共发射极电路输入回路输入回路输出回路输出回路 测量晶体管特性的实验线路测量晶体管特性的实验线路ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+1. 输入特性输入特性常常数数 CE)(BEBUUfI特点特点: :非线性非线性死区电压：死区电压：硅管硅管0.50.5V，锗管锗管0.10.1V。IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1VOICEBmA AVUCEUBER

25、BIBECV+2. 输出特性输出特性IB=020 A40 A60 A80 A100 A常常数数 B)(CECIUfI36IC(mA )1234UCE(V)912O放大区放大区输出特性曲线通常分三个工作区：输出特性曲线通常分三个工作区：(1) 放大区放大区 在放大区，在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体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。管工作于放大状态。ICEBmA AVUCEUBERBIBECV+IB=020 A40 A60 A80 A100 A36IC(mA )1234UCE(V)912O（2）截止区）截止区IB 0 以下区域为以下区域为截止区，

26、有截止区，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。向偏置，晶体管工作于截止状态。饱饱和和区区截止区截止区（3）饱和区）饱和区 当当UCE UBE时时，晶体晶体管工作于饱和状态。管工作于饱和状态。 在饱和区，在饱和区， IB IC， 深度饱和时，深度饱和时， 硅管硅管UCES 0.3V， 锗管锗管UCES 0.1V。发射结处于正向偏置，发射结处于正向偏置，集电结也处于正集电结也处于正偏。偏。 +UBC0UCE+_+UBC0_IBIBICUCC/RC+_UBE0UCE0+_晶体管的开关作用：晶体管的开关作用：

27、当晶体管饱和时，当晶体管饱和时，UCE0V，发射极与集电极之间如同，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；一个开关的接通，其间电阻很小； 当晶体管截止时，当晶体管截止时，IC0。发射极与集电极之间如同一个开。发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大关的断开，其间电阻很大。晶体管三种工作状态的电压和电流晶体管三种工作状态的电压和电流（a）放大）放大（b）截止）截止（c）饱和）饱和IB：晶体管刚晶体管刚刚饱和时的电流刚饱和时的电流RCRBEC=UCCICIBT+_U1例：已知例：已知UCC=6V，RC=3k，RB=10k， =25，当输入电压，当输入电压U1分别为分别为3V，1V和和-1V时，时，试问晶体管处于何种工作状态？试问晶体管处于何种工作状态？解：晶体管饱和时有解：晶体管饱和时有3362 123 10CCCCUIAAmAR晶体管刚饱和时的基极电流为晶体管刚