电工学简明教程 第 9 章二极管和晶体管

1、第第 9 章章 二极管和晶体管二极管和晶体管第第 9 章二极管和晶体管章二极管和晶体管9.1半导体的导电特性半导体的导电特性9.2二极管二极管9.3稳压二极管稳压二极管9.4晶体管晶体管9.5光电器件光电器件9.1半导体的导电特性半导体的导电特性本征半导体就是完全纯净的、具有本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。晶体结构的半导体。 9.1.1本征半导体本征半导体 自由电子自由电子空穴空穴共价键共价键SiSiSiSi本征半导体中自由本征半导体中自由电子和空穴的形成电子和空穴的形成用得最多的半导体是硅或锗用得最多的半导体是硅或锗, ,它们它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形都是四价元素

2、。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量得一定能量( (热、光等热、光等) )后，少量价电子后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为即可挣脱共价键的束缚成为自由电子自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴空穴。自由电子和空穴总是成对出现。自由电子和空穴总是成对出现, ,同时又不断复合。同时又不断复合。在外电场的作用下，自由在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形电子逆着电场方向定向运动形成成电子电流电子电流。带正电的空穴吸。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，引相邻原子中的价电子来

3、填补，而在该原子的共价键中产生另而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成着电场方向移动，形成空穴电空穴电流流。可见在半导体中有可见在半导体中有自由电自由电子子和和空穴空穴两种载流子，它们都两种载流子，它们都能参与导电。能参与导电。空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 外电场方向外电场方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2N 型半导体和型半导体和 P 型半导体型半导体1N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被当某

4、一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。型半导体。 SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子多余价电子本征半导体中由于载流本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。子数量极少，导电能力很低。如果在其中掺入微量的如果在其中掺入微量的杂质杂质(

5、 (某种元素某种元素) )将将使其导电能力使其导电能力大大增强。大大增强。2. P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼入三价元素硼，在组成共在组成共价键时将因缺少一个电子价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为流子，将这种半导体称为 P 型半导体。型半导体。 SiSiSiSiSiSiSiB空位空位B空

6、穴空穴价电子填补空位价电子填补空位9.1.3PN 结及其单向导电性结及其单向导电性1. PN 结的形成结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成形成 P 型半型半导体区域和导体区域和 N 型半导体区域型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为一个特殊的薄层，称为 PN 结。结。 P 区区N 区区N区的电子向区的电子向P区扩散并与空穴复合区扩散并与空穴复合PN结结内电场方向内电场方向2PN 结的单向导电性结的单向导电性( (1) )外加正向电压外加正向电压内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RIP

7、区区N 区区外电场驱使外电场驱使 P 区的空穴进入空间区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷电荷区抵消一部分负空间电荷N 区电子进入空间电荷区区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流P 区区N 区区内电场方向内电场方向ER外电场方向外电场方向IR2外加反向电压外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走自由电子移走少数载流子越过少数载流子越过 PN 结结形成很小的反向电流形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行多数载流子的扩散

8、运动难于进行空间电荷区变宽空间电荷区变宽 9.2二极管二极管9.2.1基本结构基本结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极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。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型点接触型表示符号表示符号正极正极负极负极金锑合金金锑合金面接触型面接触型N型锗型锗 正极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳9.2.2伏安特性伏安特性二极管和二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当

9、外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为 0.5 V。导导通时的正向压降，硅管约为通时的正向压降，硅管约为 0.6 0.7 V。 604020 0.02 0.0400.4 0.82550I / mAU / V正向特性正向特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性死区电压死区电压击穿电压击穿电压U(BR)反向特性反向特性在二极管上加反向电压在二极管上加反向电压时，

10、反向电流很小。但当反时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种反向电流将突然增大。这种现象称为现象称为击穿击穿，二极管失去，二极管失去单向导电性。产生击穿时的单向导电性。产生击穿时的电 压 称 为 反 向 击 穿 电 压电 压 称 为 反 向 击 穿 电 压 U(BR)。 I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0锗管死区电压为锗管死区电压为 0.1V，导通时的正向压降为导通时的正向压降为 0.2 0.3 V。9.2.3主要参数主要参数1最大整流电流最大整流电流 IOM最大整流电流

11、是指二极管长时间使用时，允许流过二极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。管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它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般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。是反向击穿电压的一半或三分之二。3反向峰值电流反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 例例 1 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA = +3 V， VB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端

12、电位。求输出端电位 VY。 解解 因为因为 VA 高于高于 VB ，所以所以 DA 优先导通。如果二极管优先导通。如果二极管的正向压降是的正向压降是 0.3 V，则，则 VY = +2.7 V。当。当 DA 导通后导通后，DB 因反因反偏而截止。偏而截止。在这里在这里，DA 起钳位作用起钳位作用，将输出端电位钳制在将输出端电位钳制在 +2.7 V。 二极管的应用范围很广二极管的应用范围很广, ,主要都是利用它的单向导电性。主要都是利用它的单向导电性。它可用作它可用作整流、检波、限幅、元件保护整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作以及在数字电路中作为为开关开关元件。元件。DA 12VYVA

13、VBDBR稳压二极管是一种特殊的面稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。符号如下图所示。 稳压稳压二极管工作于反向击穿二极管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧到击穿电压时，反向电流突然剧增，增，稳压稳压二极管反向击穿。此后，二极管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但电流虽然在很大范围内变化，但稳压稳压二极管两端的电压变化很小。二极管两端的电压变化很小。

14、利用这一特性，利用这一特性，稳压稳压二极管在电二极管在电路中能起稳压作用。路中能起稳压作用。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZ9.3稳压二极管稳压二极管 稳压二极管的主要参数有下面几个：稳压二极管的主要参数有下面几个：1稳定电压稳定电压 UZ4稳定电流稳定电流 IZ 3动态电阻动态电阻 rZ2电压温度系数电压温度系数 U5最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZMZZZIUr 例例 1 图中通过稳压管的电流图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少等于多少？R 是限流电是限流电阻阻，其值是否合适其值是否合适？IZDZ+20 VR = 1.6 k UZ = 12 V IZ

15、M = 18 mAIZ例例9.3.1的图的图IZ IZM ，电阻值合适。，电阻值合适。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I9.4.1基本结构基本结构N 型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BECN 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型N 型锗型锗ECB铟球铟球铟球铟球PP( (b) )合金型合金型9.4晶体管晶体管1NPN 型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极 C基极基极 B发射极发射极 EP不论平面型或合金型，都分成不论平面型或合金型，都分成 NPN 或或 PNP 三层，因此三层，因此又把晶体管分为又把晶体管

16、分为 NPN 型型和和 PNP 型型两类。两类。ECB符号符号T集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区N集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPPN2PNP 型三极管型三极管CBET符号符号9.4.2电流分配和放大原理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。实验中用的是极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管型管，为了使晶体管具为了使晶体管具有放大作用，电源有放大作用，电源

17、EB 和和 EC 的极性必须使的极性必须使发射结上发射结上加正向电加正向电压压( (正向偏置正向偏置) )，集电结加反向电压，集电结加反向电压( (反向偏置反向偏置) )。mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100设设EC = 6 V；改变可变电阻改变可变电阻 RB ，则，则基极电流基极电流 IB、集电极电、集电极电流流 IC 和发射极电流和发射极电流 IE都发生变化，测量结果都发生变化，测量结果如下表：如下表：基极电路基极电路集电极电路集电极电路mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100基极电路基极电路集电极电路集电极电

18、路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据结论结论：( (1) )BCEIII 符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律( (2) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得大得多。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。这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态称为共发射极静态电电流流( (直流直流) )放大放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量系数

19、。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化可以引起集电极电流较大的变化 IC 。 4002. 080. 004. 006. 050. 130. 2BC II 式中，式中， 称为称为动态动态电流电流( (交流交流) )放大放大系数。系数。CB1.5037.50.04II ，3 .3806. 030. 2BC II ( (3) ) 当当 IB = 0( (将基极开路将基极开路) )时时，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0UBC VB VE对于对于 PNP 型晶体管应满足：型晶体管应满足： UEB 0UCB 0即即 VC VB 0，UBC UBE。BC

20、II 饱和区饱和区截止区截止区( (2) )截止区截止区 IB = 0 的曲线以下的曲线以下的区域称为截止区。的区域称为截止区。IB = 0 时时，IC = ICEO( (很小很小) )。对对 NPN 型硅管，当型硅管，当 UBE 0.5 V 时时，即已开始截即已开始截止止，但为了使晶体管可但为了使晶体管可靠截止靠截止，常使常使 UBE 0，截止时集电结也处于反截止时集电结也处于反向偏置向偏置( (UBC 0) )，此时此时，IC 0 ，UCE UCC 。( (3) )饱和区饱和区当当 UCE 0) )，晶体晶体管工作于饱和状态。在饱和区，管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和和 IB 不成正比

21、。此时，发不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一，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，个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发，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。见，晶体管除

22、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。晶体管的三种工作状态如下图所示。+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0 IB+ UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截止截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止开始截止可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值当晶体管接成共发射极电路时当晶体管接成共发射极电路时, ,在静态在静态( (无输入信号无输入信号) )时集时集电极电流与基极电流的比值称为电极电流与基极电流的比值称为静态电流静态电流( (直流直流) )放大系数放大系数 BCII 9.4.4主要参数主要参数1. 电流放大系数电流放大系数 ， 当晶体管工作在当晶体管工作在动态动态( (有输入信号有输入信号) )时，基极电流的变化量时，基极电流的变化量为为 IB ，它引起集电极电流的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与与 IB 的比的