《电工学》-秦曾煌-电子技术-第14章

1、(1-0)第十四章第十四章 二极管和三极管二极管和三极管电子技术电子技术模拟电路部分模拟电路部分(14-1)第十四章第十四章 二极管和三极管二极管和三极管 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 14.2 PN结结及其单向导电性及其单向导电性 14.3 二极管二极管 14.4 稳压二极管稳压二极管 14.5 晶体管晶体管 14.6 光电器件光电器件(14-2)导导 体：体：自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金 属一般都是导体。属一般都是导体。绝缘体：绝缘体：有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、

2、陶瓷、塑料和石英。半导体：半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为体之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体导体、半导体和绝缘体(14-3) 半导体半导体的导电机理不同于其它物质，所以它的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：具有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化力明显变化 - 热敏特性、光敏特性热敏特性、光敏特性。

3、往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变它的导电能力明显改变 - 掺杂特性掺杂特性。(14-4)14.1.1 本征半导体本征半导体一、本征半导体的结构一、本征半导体的结构GeSi 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。，它们的最外层电子（价电子）都是四个。(14-5)本征半导体：本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中

4、，每个原子都处在正四面体的中在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶硅和锗的晶体结构：体结构：(14-6)硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构共价键共共价键共用电子对用电子对+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子(14-7) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为称为束缚电子束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成，常温下束缚电子

5、很难脱离共价键成为为自由电子自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。所以本征半导体的导电能力很弱。 共价键形成后，每个原共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。比较稳定的结构。 共价键有很强的结合力，共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4(14-8)二、本征半导体的导电机理二、本征半导体的导电机理在绝对在绝对0度（度（T=0K）和没有外界激发时）和没有外界激发时,价价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可电子完全被共价键束缚，本征半导

6、体中没有可以以自由运动的带电粒子自由运动的带电粒子（即（即载流子载流子），它的导），它的导电能力为电能力为 0，相当于绝缘体。，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些价电子获在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由自由电子电子，同时共价键上留下一个空位，称为，同时共价键上留下一个空位，称为空穴空穴。1.1.载流子、自由电子和空穴载流子、自由电子和空穴(14-9)+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子(14-10)2.本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下，在其它力的

7、作用下，空穴可吸引附近的电子空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是动，因此可认为空穴是载流子。载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子：本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子自由电子和和空穴空穴。自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动(14-11) 温度越高，载流子的浓度越高，本征半温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强，导体的导电能力越强，温度是影响半导体性温度是影响半导体性能的一个重要的外部因

8、素能的一个重要的外部因素，这是半导体的一，这是半导体的一大特点。大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。空穴移动产生的电流。(14-12)14.1.2 N 型半导体和型半导体和P 型半导体型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。半导体的某种载流

9、子的浓度大大增加。P 型半导体：型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。称为（空穴半导体）。N 型半导体：型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。也称为（电子半导体）。(14-13)一、一、N 型半导体型半导体+4+5+4+4多余多余电子电子磷原子磷原子在硅或锗晶体中掺入少量的在硅或锗晶体中掺入少量的，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导

10、体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为很容易被激发而成为自由电子，这样磷原自由电子，这样磷原子就成了不能移动的子就成了不能移动的带正电带正电的离子。每个的离子。每个磷原子给出一个电子，磷原子给出一个电子，称为称为施主原子。施主原子。(14-14)N 型半导体中的载流子是什么？型半导体中的载流子是什么？1.1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。 因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子

11、浓度，所因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数多数载流子载流子（多子多子），空穴称为），空穴称为少数载流子少数载流子（少子少子）。）。 (14-15)二、二、P 型半导体型半导体在硅或锗晶体中掺入少量在硅或锗晶体中掺入少量，晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键半导体原子形成共价键时，产生一个空位。时，产生一个空位。这个空位可能吸引束这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得缚电子

12、来填补，使得硼原子成为不能移动硼原子成为不能移动的的带负电带负电的离子。由的离子。由于硼原子接受电子，于硼原子接受电子，所以称为所以称为受主原子受主原子。+4+4+3+4空位空位硼原子硼原子P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。空穴空穴(14-16)三、杂质半导体的示意表示法三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体型半导体+N 型半导体型半导体 杂质杂质型半导体中多子和少子的移动都可形型半导体中多子和少子的移动都可形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。是多子，受温度影响较小。 一般近似认为

13、多子与杂质浓度相等。一般近似认为多子与杂质浓度相等。(14-17) 课堂练习课堂练习 (14-18)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 型型半导体和半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了在它们的交界面处就形成了PN 结。结。14.2 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性(14-19)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E漂移运动漂移运动扩散的结果是使空间扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的

14、结果就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。使空间电荷区变薄。空间电荷区，空间电荷区，也称耗尽层。也称耗尽层。(14-20)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E漂移运动漂移运动 当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。的厚度固定不变。(14-21)+空间空间电荷区电荷区N 型区型区P 型区型区电位电位VV0(14-22)1.空间电荷区中几乎没有载流子。空间电荷区中几乎没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍空间电荷区中内电场

15、阻碍P 区中的空穴、区中的空穴、N区中的自由电子（区中的自由电子（都是多子都是多子）向对方运动）向对方运动（扩散运扩散运 动动）。）。3.P 区中的区中的自由自由电子和电子和N 区中的空穴（区中的空穴（都是都是少子少子），数量有限，因此由它们形成的电），数量有限，因此由它们形成的电流很小。流很小。注意注意: :(14-23)PN结的单向导电性结的单向导电性 PN 结结加上正向电压加上正向电压、正向偏置正向偏置的意思都是：的意思都是： P 区加正电压、区加正电压、N 区加负电压。区加负电压。 PN 结结加上反向电压加上反向电压、反向偏置反向偏置的意思都是：的意思都是： P区加负电压、区加负电压、

16、N 区加正电压。区加正电压。(14-24)一、一、PN 结加正向电压结加正向电压内电场内电场外电场外电场变薄变薄PN+RE+_ 内电场被削弱，多内电场被削弱，多子扩散加强，能够形子扩散加强，能够形成较大的正向电流。成较大的正向电流。(14-25)二、二、PN 结加反向电压结加反向电压+内电场内电场外电场外电场变厚变厚NP+_RE 内电场被加强，多内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形子数量有限，只能形成较小的反向电流。成较小的反向电流。(14-26)总结：总结： 1、加、加正向正向电压时，电压时，PN结处于结处于导通导通状态，

17、呈状态，呈低电阻，低电阻，正向电流较大正向电流较大。 2、加、加反向反向电压时，电压时，PN结处于结处于截止截止状态，呈状态，呈高电阻，高电阻， 反向电流很小反向电流很小。PN 结具有单向导电性结具有单向导电性(14-27)14.3 二极管二极管发光发光 稳压稳压 整流整流检波检波 开关开关(14-28)(14-29)一、基本结构：一、基本结构：PN 结加上管壳和引线。结加上管壳和引线。(14-30)UI反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降正向特性正向特性反向特性反向特性死区电压死区电压PN+PN+ 反向电流反向电流在一定电压在一定电压范围内保持范围内保持常数。常数。 二、伏安特

18、性：二、伏安特性：非线性非线性(14-31)三、主要参数三、主要参数1. 最大整流电流最大整流电流 IOM二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正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。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，一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般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接的一半或三分之二。点接触型触型D 管为数十伏，面接触型管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被

19、破坏，甚至过热而烧坏。性被破坏，甚至过热而烧坏。(14-32)3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（硅管的反向电流较小（ V阴阴 导通导通 V阳阳 0 导通导通 UD VB故：故：DA优先导通优先导通 DB截止截止若：若：DA导通压降为导通压降为0.3V则：则：VY = 2.7V解：P12：例：例14.3.2DA-12VVAVBV

20、YDBR(14-38)已知：管子为锗管，已知：管子为锗管，VA = 3V，VB = 0V。导通压导通压降为降为0.3V，试求：试求：VY = ?方法：先判二极管谁优先导通，方法：先判二极管谁优先导通， 导通后二极管起嵌位作用导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。两端压降为定值。因：因：VA VB故：故： DB 优先导通优先导通 DA截止截止若：若： DB导通压降为导通压降为0.3V则：则：VY = 0.3V解：P12：例：例14.3.2DAVAVBDBVY+12VR(14-39)V sin18itu t (14-40)UI反向击穿反向击穿电压电压U(BR)导通压降导通压降死区电压死区电压PN

21、+PN+ 反向电流在一反向电流在一定电压范围内定电压范围内保持常数。保持常数。 伏安特性：伏安特性：非线性非线性(14-41)UI 理想二极管：正向导通理想二极管：正向导通 - 管压降为零管压降为零 反向截止反向截止 - 相当于断开相当于断开导通压降导通压降死区电压死区电压(14-42)符号符号 UZIZIZM UZ IZ伏安特性伏安特性 稳压管正常工作时，稳压管正常工作时，需加反向电压，工作需加反向电压，工作于反向击穿区。于反向击穿区。使用时要加限流电阻使用时要加限流电阻_+UIO14.4 稳压二极管稳压二极管曲线越陡曲线越陡电压越稳电压越稳(14-43)(1) 稳定电压稳定电压 UZ 稳压

22、管正常工作稳压管正常工作(反向击穿反向击穿)时管子两端的电压。时管子两端的电压。(2) 电压温度系数电压温度系数 U 环境温度每变化环境温度每变化1 1 C引起引起稳压值变化的稳压值变化的百分数百分数。(3) 动态电阻动态电阻ZZZ UIr(4) 稳定电流稳定电流 IZ 、最大稳定电流、最大稳定电流 IZM(5) 最大允许耗散功率最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数稳压二极管的主要参数:(14-44)已知：已知：Uz = 12V，IZM = 18mA，R = 1.6K。 试求：试求：Iz = ? 限流电阻

23、限流电阻 R 的阻值是否合适？的阻值是否合适？解：Iz = ( 20 Uz ) / R = ( 20-12 ) / 1.6x103 = 5mA因：因：IZ IC ，称为称为饱和区饱和区(14-63)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 此区域中此区域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE UBE ，IC = IB , 且且 IC = IB+ UBE 0 CT E ICIEIB+UCE B - UBC IC+ IEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ BBII/CCCCIUR0CEU(14-66)(3) 截止区：截止区：发射结

24、反偏，集电结反偏。发射结反偏，集电结反偏。 UBE 死区电压，死区电压，IB=0 ， IC=ICEO 0 IC = 0IB = 0+UCE UCC IEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ (14-67) = 50， USC = 12V, RB =70k ， RC =6k 当当USB = -2V，2V，5V 时，晶体管工作于哪时，晶体管工作于哪 个区？个区？解：解：当当USB =-2V时：时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0 ， IC=0T 管工作于截止区管工作于截止区 (14-68)T 管工作于放大区管工作于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE解

25、：解：USB =2V时：时：A19700.72BBESBBRUUICmaxBCIIImAmA0.950.01950mAmax2612CSCCRUIIC最大饱和电流：最大饱和电流：(14-69)解：解：USB =5V时时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBET 管工作于饱和区，因管工作于饱和区，因IC 和和IB 已不是已不是 倍的关系倍的关系A61700.75BBESBBRUUICmaxBIImAmA3.050.06150mAmax2612CSCCRUIIC最大饱和电流：最大饱和电流：(14-70)三、主要参数三、主要参数 前述电路中，三极管的发射极是输入和输出前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共集接法。共射共射直流电流放大倍数直流电流放大倍数：BCII_ 工作于动态的三极管，真正的信号是叠加工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为在直流上的交流信号。基极电流的变化量为 IB，相应的集电极电流变化为相应的集电极电流变化为 IC，则则交流交流电流放大倍数电流放大倍数为：为：BIIC1.