第8章 二极管 晶体管

1、第第8章章: 二极管、晶二极管、晶体管和场效应管体管和场效应管 任课教师：贠素君任课教师：贠素君 办公室办公室: 物电院物电院322室室电工电子技术电工电子技术8.1 半导体的导电特性半导体的导电特性1、半导体基础知识、半导体基础知识半导体：半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，导电特性处于导体和绝缘体之间的物质， 例如例如硅硅Si、锗、锗Ge、砷化镓、砷化镓GaAs 和和一些硫化物一些硫化物、金属金属氧化物氧化物等。等。导导 体：体：电阻率电阻率 cm 的物质。的物质。如铜、银、如铜、银、铝等金属材料。铝等金属材料。410绝缘体：绝缘体：电阻率电阻率 cm 物质。物质。如橡胶、塑料如橡

2、胶、塑料、云母、陶瓷云母、陶瓷等。等。9102、半导体的导电特性：、半导体的导电特性：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，导电能力显著增强共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴 若若 温度温度 T ，将有，将有少数价电子克服共价键少数价电子克服共价键的束缚成为的束缚成为自由电子自由电子，在原来的共价键中留下在原来的共价键中留下一个空位一个空位空穴。空穴。T

3、自由电子自由电子和和空穴空穴使使本本征半导体具有导电能力，征半导体具有导电能力，但很微弱。但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。空穴可看成带正电的载流子。电子空穴对电子空穴对 由热激发而产生由热激发而产生本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种本征半导体中存在数量相等的两种载流子载流子，即，即自由电子自由电子和和空穴空穴。温度温度越高越高运动加剧运动加剧载流子的载流子的浓度浓度越高越高本征半导体的本征半导体的导电能力越强导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于本征半导体的导电能力取决于载流子的载流子的浓度浓度。归纳归纳本征半导体中载流子的浓度很低本征半导体中载流子的

4、浓度很低, ,导电性能很差。导电性能很差。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。杂质半导体有两种杂质半导体有两种N 型半导体型半导体(掺入掺入5价杂质元素价杂质元素)P 型半导体型半导体(掺入掺入3价杂质元素价杂质元素)1、 N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 5 价价杂质元素，杂质元素，如磷、砷、锑等，即构成如磷、砷、锑等，即构成 N 型半导体型半导体( (或称电子型或称电子型半导体半导体) )。常用的常用的 5 价杂质元素有磷、砷、锑等。价杂质元素有磷、砷、锑等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 自由电子浓

5、度远大于空穴的浓度，即自由电子浓度远大于空穴的浓度，即 n p 。电电子称为多数载流子子称为多数载流子( (简称多子简称多子) )，空穴称为少数载流子空穴称为少数载流子( (简称少子简称少子) )。+5施主原子施主原子自由电子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的在硅或锗的晶体中掺入少量的 3 价价杂质元素，杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成如硼、镓、铟等，即构成 P 型半导体型半导体。+3空穴浓度多于电子空穴浓度多于电子浓度，即浓度，即 p n。空穴空穴为多数载流子为多数载流子，电子为，电子为少数载流子。少数载流子。3 价杂质原子称为价杂质原子称为受主原子。受主

6、原子。受主原子受主原子空空 穴穴2、 P 型半导体型半导体图图 8.1.5P 型半导体的晶体结构型半导体的晶体结构归纳归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、N型半导体中电子是多子，空穴是少子型半导体中电子是多子，空穴是少子； P型半导体中空穴是多子，电子是少子。型半导体中空穴是多子，电子是少子。1、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多、杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。2、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂、杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流

7、子的数量取决于温度。浓度，少数载流子的数量取决于温度。杂质半导体的导电机理杂质半导体的导电机理一、一、PN 结的形成结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体型半导体和和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了面处就形成了PN结。结。+空间电荷区空间电荷区N型区型区P型区型区 PN结结漂移运动漂移运动P型半导体型半导体N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场EPN结处载流子的运动结处载流子的运动内电场越强，就使漂移内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。间电荷区

8、变薄。扩散的结果是使空间电扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。荷区逐渐加宽。所以扩散和漂所以扩散和漂移这一对相反移这一对相反的运动最终达的运动最终达到平衡，相当到平衡，相当于两个区之间于两个区之间没有电荷运动没有电荷运动，空间电荷区，空间电荷区的厚度固定不的厚度固定不变。变。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场空间电荷区中内电场阻碍多子阻碍多子（ P区中的区中的空穴、空穴、N区中的电子）区中的电子） 的的扩散运动。扩散运动。 P区中的电子和区中的电子和N区中的空穴（区中的空穴（都是少子都是少子） 数量有限，因此由它们形成的漂移电流数量有限，因此由它们形成的漂移电流

9、很小。很小。空间电荷区中内电场空间电荷区中内电场推动少子推动少子（ P区中的区中的电子、电子、N区中的空穴）区中的空穴） 的的漂移运动。漂移运动。归纳归纳 外电场外电场IFPN+ 二、二、PN 结的单向导电性结的单向导电性+IR PN结的单向导电性结的单向导电性正向特性正向特性反向特性反向特性归纳归纳P（+），），N（-），外电场削弱内电场，结导通，），外电场削弱内电场，结导通，I正正大；大；I 的大小与外加电压有关；的大小与外加电压有关；P（-），），N（+），外电场增强内电场，结不通，），外电场增强内电场，结不通，I反反很小；很小；I反反的大小与少子的数量有关，与温度有关；的大小与少子的数

10、量有关，与温度有关； PN结结呈现低电阻，称为呈现低电阻，称为“正向导通正向导通” PN结结呈现高电阻，称为呈现高电阻，称为“反向截止反向截止” 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动 扩散运动扩散运动 漂移运动漂移运动小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管 + 引线引线 + 封装封装 = 二极管二极管 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P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金属触丝金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 ) 点接触型点接触型铝合金小球铝合金小球N型硅型硅阳极引线阳极引线

11、PN结结金锑合金金锑合金底座底座阴极引线阴极引线( b ) 面接触型面接触型阴极阴极阳极阳极( d ) 符号符号DUI死区电压死区电压 硅管硅管0.5V,锗管锗管0.1V。导通压降导通压降: 硅硅管管0.60.8V,锗锗管管0.20.3V。反向击穿电反向击穿电压压UBR正向特性：正向特性：EDI反向特性：反向特性：EDI反反U死区死区电压，导电压，导通通UI I反反很小，与温很小，与温度有关；度有关；U 击击穿电压，击穿穿电压，击穿导通导通UI U（BR）= =几十伏几十伏uiU(BR)0UonIS20开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压材料材料开启电压开启电压导通电压导通

12、电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si Si0.5V0.5V0.60.8V0.60.8V( (计算时取计算时取0.7V0.7V）1 1A A以下以下锗锗GeGe0.1V0.1V0.20.3V0.20.3V（计算时取（计算时取0.2V0.2V）几十几十A A理想伏安特性曲线理想伏安特性曲线vDiD在许多情况下，可以忽略二极管的正向压降和反向饱在许多情况下，可以忽略二极管的正向压降和反向饱和电流。这时二极管就是一个理想开关。和电流。这时二极管就是一个理想开关。uiU(BR)0UonIS20开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压二极管经常应用于以下场合：二极管经常应用于以下场合：（1

13、 1）整流。）整流。（2 2）限幅。）限幅。（4 4）逻辑（二极管逻辑）。）逻辑（二极管逻辑）。（3 3）检波。）检波。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 若二极管是若二极管是理想理想的，的，【例8.3.1】图8.3.3所示电路中，ui=10 sin314 t V，E=5 V，当1、2端开路时，画出uD、uR、uo的波形图。 解解图图 8.3.4 ui、uR、uD、uo的波形图的波形图【例8.3.2】图8.3.5所示电路中，试求下列几种情况下输出端Y的电位Vo及各元件中的电流: (1) VA=+6 V，VB=+4 V; (2) VA=+6 V， VB=

14、+5.5 V。设二极管为理想二极管。 图图 8.3.5例例8.3.2的电路的电路解解电路中二极管VDA、VDB的阴极接在一起，如果两个二极管的阳极电位都高于阴极电位，则阳极电位高的管子抢先导通，然后再判断另一个管子是否导通。(1) 当VAVB时，VDA抢先导通，如果VDB不导通，则R1、VDA、R3串联，由于VoVB，VDB的阳极电位低于阴极电位，假设是正确的，因此mA 6 . 0A8000200063131RRVIIA02IV 8 . 4oV8 . 468000200080001330VVRRRVA(2) 当VAVB时，VDA抢先导通，如果VDB不导通， 则Vo=4.8 V，但现在VDB=5

15、.5 V，所以可以认为VDA、VDB均导通，则 3o2oB1oARVRVVRVVV 23. 5oV此时VBVo，与假设吻合，说明VDB也导通。这时有:mA 39. 0A200023. 561oA1RVVImA 27. 0A 100023. 55 . 52oB2RVVImA 66. 0213IIIUZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr稳压管与二极管的主要区别稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区，稳压管运用在反向击穿区， 二极管运用在正向区；二极管运用在正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。稳压管比二极管的反向特性更陡。【例8.4.1】图8.4.3中，通过稳压管的电流IZ等于

16、多少？ R是限流电阻，其值是否合适？mA 5A105A106 . 1122033ZI图8.4.3 例8.4.1图 IZVB VEVCVB EB保证集电结反偏。保证集电结反偏。晶体管内部载流子的运动及电流分配晶体管内部载流子的运动及电流分配1. 1.发射极加正向电压，扩散运动形成发射极加正向电压，扩散运动形成扩散扩散电流电流IE（发射载流子）（发射载流子）2. 2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成运动形成复合电流复合电流IBE3. 3.集电结加反向电压，推动基区电子向集电结加反向电压，推动基区电子向集电区漂移，形成漂移电流集电区漂移，形成漂移电流ICE（收

17、集（收集载流子）载流子）4. 4.集电结的集电结的反向电流反向电流ICBO( (少子漂移）少子漂移）反向饱和电流反向饱和电流ICBO大大小小极小极小大大EBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE发射极电流发射极电流IE基极电流基极电流IB=IBE-ICBO集电极电流集电极电流IC=ICE+ICBOCBEIIICBOCECIIICBOBEBIIIEBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE晶体管的电流放大系数晶体管的电流放大系数定义：定义：BCBECEIIII1结论：结论：且与晶体管的结构有关且与晶体管的结构有关很小的基极电流很小的基极电流IB，就可以控制较，就可以控制较大

18、的集电极电流大的集电极电流IC，从而实现了放，从而实现了放大作用。大作用。 即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子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，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。是分析放大电路的依据。 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线8.5.3、晶体管的共射特性曲线、晶体管的共射特性曲线 测试线路：测试线路： 输入特性：输入特性： 输出特性：输出特性：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发射极是输入回路、发射极是输入回路、输出回路的公共端输出回路的公共端 当当UCE为常数时发射结电压为常数时发射结电压UBE与基极与基极电流电流IB的关系；的关系；当当IB为常数时集电极电流为常数时集电极电流IC与管压降与管压降UCE的关系。的关系。ICmA AVVUCEUBERBIBECEBRC常常数数 CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)2040