第15章半导体二极管和三极管

1、end15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多的本征半导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，都是四价元素。是四价元素。硅的原子结构硅的原子结构15.1.1 本征半导体本征半导体 纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价

2、健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构15.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子15.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为自由电子为自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴。空穴空穴SiSiSiSi自由自由电子电子热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照由于受热或光照产生自由电子和产生自由电子和空穴的现象空穴的现象- 热激发热激发15.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同

3、时消两者同时消失，称为复失，称为复合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。SiSiSiSi自由电子空穴半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，在半导体中，同时存在着电子同时存在着电子导电和空穴导电，导电和空穴导电，这是半导体导电这是半导体导电方式的最大特点，方式的最大特点，也是半导体和金也是半导体和金属在导电原理上属在导电原理上的本质差别。的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈因为，温度愈高，载流子数目愈高，载流子

4、数目愈多，导电性能也就多，导电性能也就愈好，所以，温度愈好，所以，温度对半导体器件性能对半导体器件性能的影响很大。的影响很大。15.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动15.1.2 N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的掺入微量的磷磷（或（或其它其它五价五价元素）。元素）。 自由电子自由电子是多数是多数载流子，载流子，空穴空穴是是少

5、数少数载流子。载流子。 电子型电子型半导体半导体或或N N型型半导体半导体SiSiP+Si多余电子15.1.2 N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入掺入硼硼（或其它（或其它三价三价元素）。元素）。 空穴空穴是是多数多数载流子，载流子，自由电子自由电子是是少数少数载载流子。流子。 空穴型空穴型半导体半导体或或P P型型半导体。半导体。SiSiB-Si空穴15.1.2 N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数

6、，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的的。end 在在N N型半导体和型半导体和P P型半型半导体的结合面上形成如下导体的结合面上形成如下物理过程物理过程: :因浓度差因浓度差空间电荷区空间电荷区形成形成内电场内电场 内电场促使内电场促使少子漂移少子漂移 内电场阻止内电场阻止多子扩散多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡，PNPN结形成。结形成。多子的多子的扩散扩散运动运动由由杂质离子形成杂质离子形成空间电荷区空间电荷区 P区N区空间电荷区空间电荷区内电场内电场15.2.1 PN结的形成结的形成 15.2 PN结结15.2.2 PN结的单向

7、导电性结的单向导电性1 外加正向电压使外加正向电压使PN结导通结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄变窄PN内电场内电场 方向方向外电场方向外电场方向RI15.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性2 外加反向电压使外加反向电压使PN结截止结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流+ - 变变 宽宽PN内电场内电场 方向方向外电场方向外电场方向RI=0特点特点: 受温度影响大受温度影响大原因原因

8、: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的15.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。end15.3 半导体二极管半导体二极管15.3.1 基本结构基本结构15.3.2 伏安特性伏安特性15.3.3 伏安特性的折线化伏安特性的折线化15.3.4 二极管的主要参数二极管的主

9、要参数15.3.1 基本结构基本结构PN结结阴极引线阴极引线铝合金小球铝合金小球金锑合金金锑合金底座底座N型硅型硅阳极引线阳极引线面接触型面接触型引线引线外壳外壳触丝触丝N型锗片型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号15.3.2 伏安特性伏安特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是非线性的。是非线性的。正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区电压死区电压击穿电压击穿电压 死区电压：死区电压：

10、硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.1伏左右。伏左右。 正向压降：正向压降： 硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。伏。15.3.2 伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向电流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）15.3.2 伏安特性伏安特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区电死区电压压击穿电击穿电压压2 反向特性反向特性15.3.2 伏安特性的折线化伏安特性的折线化U0U0USUSUS15.3.3 主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流

11、IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许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: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3 反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。含二极管电路的分析方法确定确定二极二极管的管的工作工作状态状态 根据工根据工作状态用作状态用不同的模不同的模型型代替二代替二极管极管在等效后在等效后的的线性线性电电路中作相路中作相应的分析应的分析若二极管工作在若二极管工作在截止截止状态则可等效

12、为状态则可等效为断开断开的开关的开关若二极管工作在若二极管工作在导通导通状态则可等效为状态则可等效为导通导通的开关的开关U UONONID或电压为或电压为U UONON的的电压源电压源15.3.4 应用举例应用举例 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。如何判断二极管的工作状态如何判断二极管的工作状态？步骤步骤1、假设假设二极管截止，即将二极管断开。二极管截止，即将二极管断开。2、计算二极管两端的电压计算二极管两端的电压 UD=V阳阳-V阴阴3、判断：若

13、判断：若 UD0，则二极管工作于，则二极管工作于导通导通状态状态 若若 UD0 UD2=0-（-5）=50则则D1、D2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U0=0D1D2U0R5V（2 2）当）当UA=UB=3V时时设D1、D2截止，则等效电路为截止，则等效电路为由电路，有由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=3-（-5）=80则则D1、D2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V（3 3）当）当UA=3V，UB=0时时设D1、D2截止，则等效电路为截止，则

14、等效电路为由电路，有由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=0-（-5）=50则则D1、D2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即出现矛盾！即D D1 1、D D2 2不可能不可能同时导通！同时导通！合理的情况是：合理的情况是：D1导通，导通，D2截止。截止。D1D2U0R5V3V（4 4）当）当UA=0，UB=3V时时所以，所以，U0=3V同理可得：同理可得：D1截止，截止，D2导通导通。D1D2U0R5V3VendUAUBD1D2U0R5V综上所述：综上所述： 当当UA、UB中有

15、一个为中有一个为3V时，输出时，输出UO为为3V“或或”逻辑逻辑15.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。 1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号： 正向+-反向+-IZUZ2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利

16、用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿反向击穿 是可逆的。是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 15.4 稳压管稳压管4 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数说明稳压管受温度变化影响的系数15.4 稳压管稳压管（3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化

17、量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM15.4 稳压管稳压管例题例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ时时,稳压管击穿稳压管击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZIZMend15.5 半导体三极管半导体三极管15.5.1 基本结构基本结构15.5.1 基本结构基本结构15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理15.5.3 特性曲线特性曲线15.5.4 主要参数主要参数 结构结构平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP15.5.1 基本结构基本结构

18、发射结发射结集电结集电结BNNP发射区发射区基区基区 集电区集电区ECNNPBECCEB发射结发射结集电结集电结BPPN发射区发射区基区基区 集电区集电区ECPPNBECCEB15.5.1 基本结构基本结构15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG6共发射极接法共发射极接法15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据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

19、.36 3.18 4.05由此实验及测量结果可得出如下结论：由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。 （3）当）当IB=0（将基极开路）时，（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1 15.5.3 特性曲线特性曲线2 输出特性曲线输出特性曲线CICECB| )U(If 晶体管的输晶体管的输出特性曲线是出特性曲线是一组曲线。一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020AIB=00215.5.3 特性曲线特性曲线

20、晶体管的输出特性曲线分为三个工作区晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区）放大区（2）截止区）截止区（3）饱和区）饱和区（1）放大区（线性区）放大区（线性区）132436912IC/mA10080604020AIB=00放大区UCE/V 输出特性曲线的近似输出特性曲线的近似水平部分。水平部分。 BCII特点：特点：等效等效：BECIB条件条件：E E结正偏、结正偏、C C结反偏结反偏15.5.3 特性曲线特性曲线（2）截止区）截止区IB=0曲线以下的区域为截止区曲线以下的区域为截止区IB=0 时，时，IC=ICEO0.001mA 对对NPN型硅管而言，型硅管而言，当当UBE0.5V时

21、，即已时，即已开始截止，为了截止开始截止，为了截止可靠，常使可靠，常使UBE小于等小于等于零。于零。132436912IC/mA10080604020AIB=00截止区UCE/V特点特点：IB=0，IC=0等效等效：BEC条件条件：E E结反偏结反偏（3）饱和区）饱和区 当当UCEUBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态饱和状态 在饱和区，在饱和区，I IB B的变化对的变化对I IC C的影响较小，两者不成比例的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020AIB=002饱和区UCE/V15.5.3 特性曲线特性曲线条

22、件条件：E E结正偏、结正偏、C C结正偏结正偏等效等效：BEC特点特点：U UCECE=U=UCESCES00，I IC CI IB B例例1:测得各晶体管在无信号输入时测得各晶体管在无信号输入时,三个电极相对于三个电极相对于”地地”的电压如的电压如图所示。问哪些管子工作于放大状态图所示。问哪些管子工作于放大状态,哪些处于截止、饱和状态，哪哪些处于截止、饱和状态，哪些管子已经损坏？些管子已经损坏？ecb硅管-3V0V-2.7Vecb锗管-0.3V-3V0Vecb锗管1.3V1.1V1Vecb硅管-2.8V-1.4V-3.5V截止放大饱和放大15.5.3 特性曲线特性曲线ecb锗管1.2V1.

23、3V1.5Vecb锗管1.8V3.7V1.5Vecb硅管2V12V-0.7V饱和放大已损坏ecb锗管0V0.7V-3.5V倒置15.5.3 特性曲线特性曲线15.5.4 主要参数主要参数1 电流放大系数电流放大系数 ,_：静态电流（直流）放大系数：静态电流（直流）放大系数BCII_：动态电流（交流）放大系数：动态电流（交流）放大系数BCII注意：注意： ,_两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用近。在估算时，常用_近似关系近似关系（1）（2）对于同一型号的晶体管，对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的值有差别，常用晶体管的值在值在20-100之间。之间。15.5.4 主要参数主要参数2 2 集集基极反向截止电流基极反向截止电流ICBOICBO=IC|IE=0 ICBO受温度的影响大。受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。越小越好。EC