第9章半导体二极管和三极管(新)

1、 把纯净的具有把纯净的具有共价共价键结构键结构的半导体单晶的半导体单晶称为称为本征半导体。本征半导体。本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构+4+4+4+4+4+4+4+4+4 在热力学温度零在热力学温度零度和没有外界激发度和没有外界激发时，本征半导体不时，本征半导体不导电。导电。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴本征激发本征激发复合复合在常温下自由电子和空穴的形成在常温下自由电子和空穴的形成成对出现成对出现成对消失成对消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4 空穴被填空穴被填补补和相继产生形和相继产生形成空穴电流。成空穴电流。故半导体中有故半导体中有电子电子和

2、和空穴空穴两两种种载流子载流子。 空穴移动方向空穴移动方向 电子移动方向电子移动方向 在外电场作在外电场作用下，电子和用下，电子和空穴均能参与空穴均能参与导电导电 。 价电子填补空穴价电子填补空穴 空穴失去电空穴失去电子显正电。子显正电。 本征半导体的载流子数目很少，本征半导体的载流子数目很少，导电能力很低，通常用掺参入杂质导电能力很低，通常用掺参入杂质的方法提高导电性。的方法提高导电性。+4+4+4+4+4+4+4+41. N 型半导体型半导体 在硅或锗在硅或锗的晶体中掺入的晶体中掺入少量的五价元少量的五价元 素，如磷，则素，如磷，则形成形成 N 型半导型半导体。体。 磷原子磷原子+4+5多

3、余价电子多余价电子自由电子自由电子正离子正离子 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导中型半导中, 电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴2. P型半导体型半导体在硅或锗的在硅或锗的晶体中掺入晶体中掺入少量的三价少量的三价元素，如硼，元素，如硼，则形成则形成 P 型型半导体。半导体。 +4+4硼原子硼原子填补空位填补空位+3负离子负离子 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子在在P型

4、半导中型半导中, 电子是少数载流子电子是少数载流子, 空穴是多数载流子。空穴是多数载流子。P 区区N 区区 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型半导体区域型半导体区域和和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一个在这两个区域的交界处就形成了一个PN 结。结。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P区的空穴向区的空穴向N区扩散并与电子复合区扩散并与电子复合空间电荷区空间电荷区内电场方向内电场方向多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区 在一定的条件下，多子扩

5、散与少子漂移达到在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 空间电荷区不存在载流子，因而不能导电。空间电荷区不存在载流子，因而不能导电。内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RP 型半导体型半导体外电场驱使外电场驱使P型半导体的空穴进入型半导体的空穴进入空间电荷区抵消一部分负电荷空间电荷区抵消一部分负电荷N 型半导体的电子型半导体的电子进入空间电荷区抵进入空间电荷区抵消一部分正电荷消一部分正电荷N 型半导体型半导体内电场方向内电场方向E外电场方向外电场方向RI空间电荷区变窄空间电荷区变窄 扩散运动增强，形扩散运

6、动增强，形成较大的正向电流成较大的正向电流P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体内电场方向内电场方向ER空间电荷区变宽空间电荷区变宽 外电场方向外电场方向IR外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和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运动难于进行P 型半导体型半导体N 型半导体型半导体 1. PN结加正向电压：结加正向电压：PN结的状态称为结的状态称为正向导通正向导通，其特点：，其特点： PN结正向电流大，结正向电流大，PN结表现的电阻小。结表现的电阻小。 2.

7、PN结加反向电压：结加反向电压：PN结的状态称为结的状态称为反向截止反向截止。其特点：。其特点： PN 结反向电流小，结反向电流小，PN结表现的电阻大。结表现的电阻大。 将将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。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。按结构分，有点接触型和面接触型两类。 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结

8、结PN结结 硅管的死区电压约为硅管的死区电压约为0.5V,锗管约为锗管约为0.1V。导通时的正向。导通时的正向压降，硅管约为压降，硅管约为0.6V0.7V,锗锗管约为管约为0.20.3V604020 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I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的伏安特性锗管的伏安特性0+ U II = f (U) 当反向电压增大至某一数当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。值时，反向电流将突然增大。这种现

9、象称为击穿，二极管失这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的去单向导电性。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)。1、对二极管加的正向电压稍大于零，二极管处于、对二极管加的正向电压稍大于零，二极管处于正向导通正向导通状态，状态，相当于开关闭合。相当于开关闭合。S2、对二极管加反向电压时，二极管处于、对二极管加反向电压时，二极管处于反向截止反向截止状态，状态，相当于开关断开。相当于开关断开。 二极管的死区电压和正向压降为零，反向电流二极管的死区电压和正向压降为零，反向电流也为零。二极管在电路中相当于开关，开关闭合和也为零。二极管在电路中相当于开关，开关闭合和断

10、开由加在二极管两极的电压控制。断开由加在二极管两极的电压控制。+ U I U +S1. 最大整流电流最大整流电流IOM 二极管长时间使用时，允许流二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。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 是保证二极管不被击穿而给出是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击的反向峰值电压，一般是反向击穿电压穿电压UBR的一半或三分之二。的一半或三分之二。3. 反向峰值电流反向峰值电流IRM 是指二极管上加反向工作峰值是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。电压时的反向电流值。604020 0.02 0.0400.4 0

11、.82550I / mAU / V硅管的伏安特性硅管的伏安特性击穿电压击穿电压U(BR) 例例9.2.1 在图中，二极管的正向压降为在图中，二极管的正向压降为0.3伏，输入电位伏，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻，电阻R 接负电源接负电源12V。求输出端电位。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。优先导通。 二极管二极管DA 起钳位作用，将起钳位作用，将输出端电位钳制在输出端电位钳制在+2.7V。 二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导二极管的应用范围很广，主要是利用它的单向导电性。它可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在电性。它可用于整流、

12、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。数字电路中作为开关元件。 DA 12VYVAVB DBR+ 由于二极管的正向压降是由于二极管的正向压降是 0.3V，则，则VY=+2.7V。当。当DA导导通后，通后，DB 因反偏而截止，在电因反偏而截止，在电路中起隔离作用。路中起隔离作用。二极管限幅电路二极管限幅电路DE3VRuiuouRuD例：下图中例：下图中D为理想二极管为理想二极管, ui = 6 Sin tV, E= 3V,画出画出 uo波形。波形。 t t ui / Vuo /V63300 2 2 解：解：ui 3V时，时，D导通，导通，uo = 3Vui 3V时，时，D截止，截止，

13、uo= ui ；DE3VRuiuo uRuD t ui / V630 2 DE3VRuiuRuDDE3V 双向限幅电路双向限幅电路 uo t uo /V03-33 稳压管是一种特殊的面接触型稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号为半导体硅二极管。其表示符号为 稳压管工作于反向击穿区。稳压管工作于反向击穿区。 当反向电压增高到击穿电压当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。管反向击穿。 此后，电流虽然在很大范围此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳变化很小。利用这一特性，

14、稳压管在电路中能起稳压作用。压管在电路中能起稳压作用。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向正向 +反向反向 UZ IZABDZ 稳压管的主要参数：稳压管的主要参数：2. 稳定电流稳定电流 IZ 稳压管工作电压等于稳定电压时的反向电流。稳压管工作电压等于稳定电压时的反向电流。 4. 最大允许耗散功率最大允许耗散功率PZM 稳压管稳压管所允许的耗散功率。所允许的耗散功率。 例例9.3.1 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是限流电阻，其值是否合适是限流电阻，其值是否合适?IZ 0UBC VB VE+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

15、电极集电极C基极基极B发射极发射极EPECRCIC UCECEBUBE共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路PNP型三极管具有电流型三极管具有电流控制作用的外部条件控制作用的外部条件: （1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足:EBRBIBIE即即 VC VB 0UBE 0+发射区向基区发射区向基区扩散电子扩散电子IEIB电子在基区电子在基区扩散与复合扩散与复合集电区收集电子集电区收集电子 电子流向电源正极形成电子流向电源正极形成 ICICNPN电源负极向发射电源负极向发射区补充电子形成区补充电子形成 发射极电

16、流发射极电流IE电源正极拉走电源正极拉走电子，补充被电子，补充被复合的空穴，复合的空穴，形成形成IBECRCEBRBCBEIB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA IB三极管具有电流控制作用三极管具有电流控制作用, 也称之为电流放大作用。也称之为电流放大作用。ECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIE = IC IBIC= IB 集电结、发射结均反向偏置，即集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0 （1） IB增加时，增加时，IC基本不变，基本不变， 且且IC UC / RC （2） U

17、CE 0 晶体管晶体管C、E之间相当于短路之间相当于短路即即UCE UBE （1） IB=0、 IC 0（2） UCE EC晶体管晶体管C、E之间相当于开路之间相当于开路条条件件特特征征（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。）集电结正向偏置。条件条件特特征征ECRCIC UCECEBUBEEBRBIBIEIBUBE0UCE 1V死区电压死区电压IB = f (UBE )UCE = 常数常数ECRCIC UCEUBEEBRBIBIE+ + PNP型锗管的发射结电压型锗管的发射结电压UBE= 0.2V 0.3V。 通常通常NPN型硅管的发射结电压型硅管的发射结电压UBE=

18、0.6V 0.7VIB =40AIB =60AUCE 0IC IB增加增加IB 减小减小IB = 20AIB = 常数常数 IC = f (UCE )IC / mAUCE /V0放放大大区区三极管输出特性上的三个工作区域三极管输出特性上的三个工作区域 IB= 0 A20A40 A截止区截止区饱和区饱和区60 A80 AUCE小小IC小小即即UCE VB VE且且 IC = IB对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: VC VB VE且且 IC = IB（一一）放大状态放大状态条条件件特特征征ECRCIC UCEUBEEBRBIBIE+ + （二）（二） 饱和状态饱和状态 集电结、发射结均

19、反向偏置，即集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0 （1）IB增加时，增加时，IC基本不变基本不变 且且IC EC / RC （2）UCE 0 晶体管晶体管C、E之间相当于短路之间相当于短路（三）（三） 截止状态截止状态即即UCE UBE （1）IB=0、 IC 0（2）UCE EC晶体管晶体管C、E之间相当于开路之间相当于开路共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路条条件件特特征征（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。）集电结正向偏置。条件条件特特征征ECRCIC UCEUBEEBRBIBIE+ + 三极管三极管类型类型 工工 作作 状状 态态饱和饱和放大放大截止截止

20、UBE/VUCE/VUBE/V UBE/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 0.60.7 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1. 电流放大系数电流放大系数 当晶体管接成共发射极电路时，在静态当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号无输入信号)时时集电极电流与基极电流的比值称为集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 当晶体管工作在动态当晶体管工作在动态(有输入信号有输入信号)时，基极电流的变化时，基极电流的变化量为量为 IB ，它

21、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的比值的比值 称为称为动态电流动态电流( (交流交流) )放大系数放大系数 BCII 在输出特性曲线近于平行等距，并且在输出特性曲线近于平行等距，并且ICEO较小的情况下较小的情况下,可近似认为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。 2. 集集-基极反向截止基极反向截止电流电流 ICBOICBO是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3. 集集-射极反向截止射极反向截止电流电流 ICEO ICEO是当基极开路是当基极开路(IB =0)时的集电极电流，也

22、称为穿透电时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。流，其值越小越好。4. 集电极最大允许集电极最大允许电流电流 ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，电流，称为称为集电极最大允许集电极最大允许电流电流 ICM 。 5. 集集-射反向击穿电压射反向击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率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，基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集称为集射反向击穿电压射反向击穿电压 U(BR)CEO 。 当晶体管因受热而引起当晶体管因受热而引起的

23、参数变化不超过允许值时，的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功称为集电极最大允许耗散功率率 PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO 安安 全全 工工 作作 区区 由由 ICM、U(BR)CEO 、PCM三者共同确定晶体管的安全三者共同确定晶体管的安全工作区。工作区。1V 1.65V 9V练习：请指出三极管的练习：请指出三极管的 B、E、CE B C- -6V- -6.2V - -9VB C E12.1 整流电路整流电路12.2 滤波器滤波器12.3 直流稳压电源直流稳压电源滤波滤波整流整流变压变压交流交流电源电源稳压

24、稳压负载负载OtuOtuOtuOtuOtu 整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由整流电路中最常用的是单相桥式整流电路它由四个二极管四个二极管 D1 D4 接成电桥的形式构成。接成电桥的形式构成。12.1 整流电路整流电路RLioD4D3D2D1+u+uo RLio工作原理工作原理 在在 u 的正半周，的正半周，D1 和和 D3 导通导通 (相当于短路相当于短路) ， D2 和和 D4 截止截止 (相当于开路相当于开路) 。D4D3D2D1+u +uo +RLD4D3D2ioD1在在 u 的负半周，的负半周，D2 和和 D4导通导通，D1和和 D3 截止。截止。+u +uo +在一个周期内，

25、通过电阻的电流方向相同，在一个周期内，通过电阻的电流方向相同，在负载上得到的是全波整流电压在负载上得到的是全波整流电压 uo。工作原理工作原理 to to to to 2 3 2 3 Im 2 2 3 3 uD1uD3uD4uD2uouuDio 由于二极管的正向压降很由于二极管的正向压降很小，因此可认为小，因此可认为uo的波形和的波形和 u 的正半波是相同的。输出的正半波是相同的。输出电压的平均值为电压的平均值为 0O)(dsin21ttUU UU9 .022 U2U2U2式式中中U是变压器副方交流电压是变压器副方交流电压u 的有效值。的有效值。截止管所承受的最高反向电压截止管所承受的最高反向

26、电压UU2DRM UU9 . 0O 二极管平均电流二极管平均电流OD21II LRUIOO 负载电流平均值负载电流平均值RLioD4D3D2D1+u +uo UU9 . 0O 输出电压平均值输出电压平均值iD单相桥式单相桥式整流电路的整流电路的简化画法简化画法+uo RLio+u 例例12.1.1 已知负载电阻已知负载电阻RL= 80 ，负载电压，负载电压UO=110V。今采用今采用单相桥式整流电路，交流电源电压为单相桥式整流电路，交流电源电压为380V。如何选用晶体二极管？如何选用晶体二极管？ 解解 （1）负载电流）负载电流1.4AA80110LOO RUI每个二极管通过的平均电流每个二极管

27、通过的平均电流0.7A21OD II变压器副边电压的有效值为变压器副边电压的有效值为122VV0.91100.9O UU 考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器副边考虑到变压器副绕组及管子上的压降，变压器副边的电压大约要高出的电压大约要高出10%，即，即 122 1.1 = 134V。于是。于是V189V1342DRM U 因此可选用因此可选用2CZ55E晶体二极管，其最大整流电流晶体二极管，其最大整流电流为为 1A，反向工作峰值电压为，反向工作峰值电压为 300V。二极管导通时给电容充电二极管导通时给电容充电,二极管截止时电容向负载放电二极管截止时电容向负载放电；电容滤波器的组成和工作原理

28、电容滤波器的组成和工作原理RLD1D4D3D2ioC滤波后输出电压滤波后输出电压 uo 的波形变得平缓，平均值提高。的波形变得平缓，平均值提高。+ uo= uc +u RLD1D4D3D2ioC+ uo= uC +u uO tuo 0U2 2 可见放电时间常数可见放电时间常数 = RLC越大，脉动越小，输出电压越大，脉动越小，输出电压的平均值越高，一般要求的平均值越高，一般要求2)53(LTCR 式中式中T是是u的周期。这时，的周期。这时，Uo 1.2U 例例12.2.1 有一有一单相桥式单相桥式电容滤波电容滤波整流电路，已知交流电源频率整流电路，已知交流电源频率 f=50Hz，负载电阻负载电

29、阻RL =200 ，要求直流输出电压，要求直流输出电压UO = 30V，选，选 择择整流二极管整流二极管及及滤波电容器。滤波电容器。 解解 （1）选择）选择整流二极管整流二极管流过二极管的电流流过二极管的电流75mA0.075AA20030212121LOOD RUII取取Uo =1.2U, 所以变压器副边电压的有效值所以变压器副边电压的有效值25VV1.2301.2O UU二极管所承受的最高反向电压二极管所承受的最高反向电压35V25V22DRM UU 可选用可选用2CZ52B型二极管，其型二极管，其IOM=100mA，URWM = 50V。（2） 选择滤波电容器选择滤波电容器所以所以取取2

30、5LTCR 0.05ss21/505L CR选用选用 C = 250 F，耐压为，耐压为50V的极性电容器。的极性电容器。F250F10250F2000.050.056L RC 引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载引起电压不稳定的原因是交流电源电压的波动和负载电流的变化，下面分析在这两种情况下的稳压作用。电流的变化，下面分析在这两种情况下的稳压作用。Uo RL不变：不变：u UI Uo IZ IR UR 稳压过程稳压过程RLCRIRIZDZIo+Uo +UI +u +UZ 选择稳压管时一般取选择稳压管时一般取 UZ = Uo ，UI = (23)Uo IZM = (1.5 3) IOMu不变：不变： RL IR UO UR IZ UO UR IR IO 稳压过程：稳压过程：RLCRI