电工电子第12章半导体二极管和三极管new

1、1目录目录第第 12 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管2目录目录第第1212章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管12.1 半导体的基本知识半导体的基本知识12.3 稳压二极管稳压二极管12.4 半导体三极管半导体三极管12.2 半导体二极管半导体二极管3目录目录第第1212章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管4目录目录12.1 PN结和二极管结和二极管 引言：引言：半导体的基本知识半导体的基本知识1. 概念概念半导体半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间导电能力介乎于导体和绝缘体之间。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等

2、。影响半导体导电能力的因素影响半导体导电能力的因素光照光照导电能力导电能力如：光敏元件如：光敏元件温度温度导电能力导电能力 如：热敏元件如：热敏元件掺杂掺杂纯净的半导体中掺入微量的某些杂质，纯净的半导体中掺入微量的某些杂质， 会使半导体的导电能力明显改变。会使半导体的导电能力明显改变。掺杂掺杂导电能力导电能力 如：如：P P型、型、N N型半导体。型半导体。5目录目录 常用的半导体材料常用的半导体材料锗锗 Ge硅硅 Si硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子硅和锗为四价元素，最外层有四个价电子32142-8-18-42-8-412.1.112.1.1本征半导体本征半导体纯净的、具有晶体结构的半导

3、体纯净的、具有晶体结构的半导体sisisisi最外层最外层八个电八个电子的稳子的稳定结构定结构共价键内的共价键内的价电子对价电子对共价键共价键共价键结构稳定共价键结构稳定导电能力很弱导电能力很弱SiGe价电子价电子6目录目录 本征激发本征激发（热激发）热激发）sisisisi空空穴穴自自由由电电子子自由电子自由电子本征激发成对产生本征激发成对产生空穴空穴 两种载流子两种载流子 半导体中有自由电子半导体中有自由电子和空穴两种载流子和空穴两种载流子本征半导体两端外加电压时，将出现本征半导体两端外加电压时，将出现两部分电流，两部分电流，电子流电子流和和空穴流空穴流。 复合复合复合使自由电子和空穴成对

4、减少复合使自由电子和空穴成对减少 在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。在一定温度下，热激发和复合处于动平衡状态。半导体中的载流子数目一定。半导体中的载流子数目一定。温度升高、光照增强使价电子温度升高、光照增强使价电子摆脱原子核的束缚摆脱原子核的束缚自由电子与空穴相遇自由电子与空穴相遇7目录目录多余电子多余电子12.1.212.1.2杂质半导体杂质半导体 N型半导体（电子半导体）型半导体（电子半导体）本征半导体中掺入微量的五价元素本征半导体中掺入微量的五价元素磷磷特点：特点：多数载流子多数载流子自由电子自由电子少数载流子少数载流子空穴空穴N 型半导体型半导体+示意图示意图P+sisisi硅

5、晶体中掺磷出现自由电子硅晶体中掺磷出现自由电子磷磷 P152-8-5p8目录目录P型半导体型半导体示意图示意图空穴空穴 P型半导体（空穴半导体）型半导体（空穴半导体）特点：特点：多数载流子多数载流子空穴空穴少数载流子少数载流子自由电子自由电子本征半导体中掺入微量的三价元素本征半导体中掺入微量的三价元素硼硼B-sisisi硅晶体中掺硼出现空穴硅晶体中掺硼出现空穴多数载流子数目由掺杂浓度确定多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关少数载流子数目与温度有关. 温度温度少子少子结论：结论：52-3硼硼 BB9目录目录12.1.3 PN结结 同一片半导体基片上，分别制造同一片半导体基片上，分

6、别制造P型半导体和型半导体和N型半导型半导体，在它们的交界面处形成的特殊区域。体，在它们的交界面处形成的特殊区域。引言引言. PN结结1. PN结的形成结的形成PNPN结结P区和区和N区的载区的载流子浓度不同流子浓度不同由载流子的浓度差由载流子的浓度差多子扩散多子扩散 P+NN区区P区区P区区N区区电子电子空穴空穴正负离子显电性正负离子显电性建立空间电荷区建立空间电荷区形成内电场形成内电场i P+N+-i自建电场自建电场10目录目录内电场内电场i反对多子扩散反对多子扩散有利少子漂移有利少子漂移扩散扩散 = 漂移漂移动平衡动平衡空间电荷区宽度确定空间电荷区宽度确定PN结形成结形成PN结结空间电荷

7、区空间电荷区PN结也称为高阻区、耗尽层结也称为高阻区、耗尽层P+NPN结结+-i自建电场自建电场11目录目录2.2.PN结的单向导电性结的单向导电性 PN结正向导通结正向导通现象：现象：灯亮、灯亮、 电流大（电流大（mA级）级）原因：原因： ，使，使PN结变窄，由多数载流子结变窄，由多数载流子形成较大的正向电流。形成较大的正向电流。 oi 结论：结论：PN结正向导通，正向电流大、正向电阻小。结正向导通，正向电流大、正向电阻小。PN结变窄结变窄-PNEmA+-+-o i +I12目录目录 PN结反向截止结反向截止现象：现象：灯不亮、灯不亮、 电流很小（电流很小（A级）级）原因：原因： 、 方向一

8、致，使方向一致，使PN结变宽，由少数结变宽，由少数载流子形成很小的反向电流。载流子形成很小的反向电流。o i 结论：结论：PN结反结反 向截止，反向电流小、反向电阻大。向截止，反向电流小、反向电阻大。PN结变宽结变宽-+PNE-+-o i A0 反反I0 反反I 反反R13目录目录12.2 半导体二极管半导体二极管12.2.1 基本结构及符号基本结构及符号点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。 如：检波电路、数字开关电路如：检波电路、数字开关电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路面接触型：结面大、结电容大，用在低频电路 如：整流电

9、路如：整流电路D阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极 阴极阴极阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极 阳极阳极点接触型点接触型面接触型面接触型外外 形形符符 号号14目录目录半导体二极管图片半导体二极管图片15目录目录半导体二极管图片半导体二极管图片16目录目录12. 2.2伏安特性伏安特性UBR 反向击穿电压反向击穿电压 正向特性正向特性死区电压死区电压 = = 0 0.2V.2V（锗管）（锗管）0.5V0.5V（硅管）（硅管）UD = = 0.20.3V （锗管）（锗管）0.60.7V （硅管）（硅管）导通后管压降：导通后管压降： 反向特性反向特性，二二极极管管反反向向截截止止时时，反反反反0BR IUU击

10、击穿穿急急剧剧增增加加，二二极极管管反反向向时时，反反反反IUUBR UIo死区死区+-+UBRUD17目录目录UIoUBRUDC20ID 温度对二极管的影响温度对二极管的影响 温度升高二极管温度升高二极管 正向压降减小正向压降减小温度温度载流子载流子导电能力导电能力等效电阻等效电阻正向压降正向压降UD C1T mV2D U温度升高二极管反向电流增大温度升高二极管反向电流增大温度温度少数载流子少数载流子反向电流反向电流温度每升高温度每升高10 C。反向电流增大一倍。反向电流增大一倍。C75DU18目录目录理想二极管的开关特性理想二极管的开关特性正向导通正向导通反向截止反向截止+-0D U0D

11、U开关闭合开关闭合+-0D I0D I开关断开开关断开例例由理想二极管组成的电路如图所示，求电压由理想二极管组成的电路如图所示，求电压UAB。(a)3K6VD12VAB解：图解：图(a)+-D 正正向导通，向导通，UD=0电压电压UAB=-6V19目录目录12V3KD1(b)BD26VA(c)B12VD2D13K6VA3V解：图解：图(b)D1 导通，导通，UD1= 0， D2 截止截止电压电压UAB = 0V解：图解：图(c)D1 优先优先导通，导通，UD1= 0，电压电压UAB = -3V-6V-3V，D2 截止截止20目录目录12.2.3主要参数主要参数（1）最大整流电流）最大整流电流

12、IDM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。（点接触型平均电流。（点接触型IB ，IC与与IB之比称为直流之比称为直流(静态静态)电流放大系数电流放大系数由由KCL得：得：IE=IC+IB结论：结论：，5204.008.2BC II8 .5206.017.3BC IIIC、IEIB ， IC与与 IB之比称为之比称为 交流交流(动态动态)电流放大倍数电流放大倍数5 .5402.009.104.006.008.217.33B4B3C4CBC IIIIII；BCII BE1II）（ ；CE1II 36目录目录IC电子在基区与空穴复电子在基区与

13、空穴复合，形成电流合，形成电流IB ，复，复合机会小，合机会小， IB小小IBIE发射结正偏，发射结正偏，发射区向基发射区向基区发射区发射(扩扩散散)电子，电子，形成发射极形成发射极电流电流IE3. 放大原理放大原理BENNPEBRBEC+-+-+发射到基区发射到基区电子被收集电子被收集和复合的比和复合的比例系数就是例系数就是电流放大系电流放大系数数集电结反偏，扩散到基区的电集电结反偏，扩散到基区的电子被收集子被收集(漂移漂移)到集电区形成到集电区形成IC ，收集能力强，收集能力强， IC大大C37目录目录12.4.3特性曲线特性曲线ICmA AV1V2UCEUBERBIBECEB 实验线路实

14、验线路输入回路输入回路输入特性输入特性 IB = f（UBE ）| UCE输出回路输出回路输出特性输出特性 IC = f（UCE ）| IB38目录目录 死区电压，死区电压，硅管硅管0.5V，锗管锗管0.2V。令令UCE=常数常数IB=f（UBE）1. 输入特性输入特性工作压降：工作压降： UBE 0.60.7V,硅管硅管UBE 0.20.3V 锗管锗管IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V039目录目录2. 输出特性输出特性1234IC(mA )UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 放大区放大区BCII 特特征征：电电结结反反偏

15、偏条条件件：发发射射结结正正偏偏、集集EBCUUU 当当UCE大于一大于一定的数值时，定的数值时，IC只与只与IB有关，有关，IC= IB。此区域满足此区域满足IC= IB称为称为线性区（放线性区（放大区）。大区）。40目录目录此区域中此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电死区电压，称为截压，称为截止区。止区。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0截止区截止区CCECEOCB00EUIII 、特特征征：电电结结反反偏偏条条件件：发发射射结结反反偏偏、集集BECUUU ICEO41目录目录IC(mA )1234UCE(V)

16、 36 9 12IB=020 A40 A60 A80 A100 A此区域中此区域中UCEUBE,集电结正偏，集电结正偏，IC不不受受IB影响影响，UCE 0,称为饱和区。称为饱和区。0饱和区饱和区；、特特征征：CCCSCES0V3 . 01 . 0REIU 电电结结正正偏偏条条件件：发发射射结结正正偏偏、集集ECBUUU CSBCEBEIIUU、饱饱和和的的判判别别：UCES42目录目录12.4.4主要参数主要参数前述电路中，三极管的发射极是输入输出的公共前述电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射共射直

17、流电流放大系数直流电流放大系数：BCII 电流放大系数电流放大系数和和 BIIC 共射共射交流电流放大系数：交流电流放大系数：常用的小功率晶体管，常用的小功率晶体管，值一般为值一般为2020200200。 43目录目录集集-基极反向电流基极反向电流ICBOICBO是集电是集电结反偏由少结反偏由少子的漂移形子的漂移形成的反向电成的反向电流，受温度流，受温度的变化影响。的变化影响。 两个极间电流两个极间电流 AICBO温度温度少子少子 ICBO ICBO越小越好越小越好44目录目录集集-射极穿透电流射极穿透电流ICEO AICEOICEO= (1+ ) ICBO，温度，温度 ICBO ICEO I

18、C ICEO不受不受IB控制控制, IB=0时时, IC= ICEO ;IB0时时, IC= IB+ICEO,电流电流ICEO，受温度变化的，受温度变化的影响较大影响较大。所以集电极电流应为：所以集电极电流应为：IC= IB+ICEO当温度上升时，当温度上升时，ICEO增加，增加，IC也相应增加。也相应增加。所以三所以三极管的温度特性较差。极管的温度特性较差。ICEO越小越好，越小越好， 不宜超过不宜超过10045目录目录BECNNPICEO= ICBO+ICBO +-+-+- ICBO根据分配关系，根据分配关系，收集的电子为收集的电子为电流电流 ICBO。进入进入N区，参区，参与复合的电子与复合的电子为电流为电流 ICBO ICBO