第十四章二极管和三极管电子技术模拟电路部分

1、(1-0)第十四章 二极管和三极管电子技术模拟电路部分(14-1)第十四章 二极管和三极管 半导体的导电特性 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件(14-2)导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体(14-3) 半导体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： 当受外界热和光的作用时，它

2、的导电能 力明显变化 - 热敏特性、光敏特性。 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 - 掺杂特性。(14-4) 本征半导体一、本征半导体的结构GeSi 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。(14-5)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。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。硅和锗的晶体结构：(14-6)硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后

3、的原子(14-7) 共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，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。 共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。 共价键有很强的结合力，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在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。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，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，

4、称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴(14-9)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子、空穴成对出现(14-10)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。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，本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成： 1.

5、自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。(14-12) N 型半导体和P 型半导体 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某种载流子的浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。(14-13)一、N 型半导体+4+5+4+4多余电子磷原子在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），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共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易

6、被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。(14-14)N 型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.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浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。 (14-15)二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟），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，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不

7、能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空位硼原子P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。空穴(14-16)三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体 杂质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，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。 一般近似认为多子与杂质浓度相等。(14-17) 4. 在外加电压作用下，P 型半导体中电流主要 是 ，N 型半导体中电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流） 1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。 2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）

8、有关。 3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。abcba 课堂练习 (14-18)PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。14.2 PN 结及其单向导电性(14-19)P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。(14-20)P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动 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，空间电荷区的厚

9、度固定不变。(14-21)+空间电荷区N 型区P 型区电位VV0(14-22)1.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P 区中的空穴、N区中的自由电子（都是多子）向对方运动（扩散运 动）。3.P 区中的自由电子和N 区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:(14-23)PN结的单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： P 区加正电压、N 区加负电压。 PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负电压、N 区加正电压。(14-24)一、PN 结加正向电压内电场外电场变薄PN+RE+_ 内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向

10、电流。(14-25)二、PN 结加反向电压+内电场外电场变厚NP+_RE 内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流。(14-26)总结： 1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。 2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻， 反向电流很小。PN 结具有单向导电性(14-27)14.3 二极管发光 稳压 整流检波 开关(14-28)(14-29)一、基本结构：PN 结加上管壳和引线。 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。用于集成电路制作工艺中。PN

11、结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(14-30)UI硅管锗管反向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电压，二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅0锗0死区电压PN+PN+ 反向电流在一定电压范围内保持常数。 二、伏安特性：非线性(14-31)三、主要参数1. 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向平均电流。2. 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，一般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接触型D 管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流

12、剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。(14-32)3. 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。硅管的反向电流较小（ V阴 导通 V阳 0 导通 UD VB故：DA优先导通 DB截止若：DA导通压降为0.3V则：VY = 2.7V解：P12：例DA-12VVAVBVYDBR(14-38)例3：已知：管子为锗管，VA = 3V，VB = 0V。导通压降为，试求：VY = ?方法：先判二极管谁优先导通， 导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。因：VA 8V，二极管导通，可看作短路 uo =

13、 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。8V例4：二极管的用途： 整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为 8 VD8VRuoui+(14-40)UI硅管锗管反向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电压，二极管才能导通。 外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。硅0锗0死区电压PN+PN+ 反向电流在一定电压范围内保持常数。 伏安特性：非线性(14-41)UI 理想二极管：正向导通 - 管压降为零 反向截止 - 相当于断开导通压降硅0.7V锗0.2V硅管锗管死区电

14、压0V(14-42)符号 UZIZIZM UZ IZ伏安特性 稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。使用时要加限流电阻稳压原理： 稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。_+UIO14.4 稳压二极管曲线越陡电压越稳(14-43)(1) 稳定电压 UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。(2) 电压温度系数 U 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3) 动态电阻(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数:(14-44)例1：已知：Uz = 1

15、2V，IZM = 18mA，RK。 试求：Iz = ? 限流电阻 R 的阻值是否合适？解：Iz = ( 20 Uz ) / R3 = 5mA因：IZ IZM故：限流电阻 R 的阻值合适+IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mA(14-45)14.5 晶体管(a) 金属圆壳封装三极管 (b) 塑料封装三极管 (c) 大功率三极管 (14-46) 基本结构常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型(a)平面型(b)合金型BEP型硅N型硅SiO2保护膜铟球N型锗N型硅CBECPP铟球结构图(14-47)NPN型晶体管PNP型晶体管发射区集电区基区集电结发射结基极发射极集电极CENNPB发

16、射区集电区基区发射结集电结集电极发射极基极CEPPNBNNCEBPCETBIBIEIC符号BECPPNETCBIBIEIC符号(14-48)基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结BECNNP基极发射极集电极结构特点：集电区：面积最大(14-49)BECNNP 三极管放大的外部条件： 发射结正偏、集电结反偏 PNP发射结正偏 VBVE集电结反偏 VCVE集电结反偏 VCVB EBRBECRC14.5.2 电流分配和放大原理从电位的角度看(14-50)晶体管电流放大的实验电路 设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB，则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生

17、变化，测量结果如下表： 各电极电流关系及电流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100(14-51)IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.100.0010.701.502.303.103.95IC ，称为饱和区(14-63)IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0 此区域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE UBE ，IC = IB , 且 IC = IB+ UBE 0 CT E ICIEIB+UCEB - UBC IC+IEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+

18、(14-66)(3) 截止区：发射结反偏，集电结反偏。 UBE 死区电压，IB=0 ， IC=ICEO 0 IC = 0IB = 0+UCE UCCIEB+ UBE 0 CT E - UBC 0+ (14-67)例1: = 50， USC = 12V, RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V 时，晶体管工作于哪 个区？解：当USB =-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0 ， IC=0T 管工作于截止区 (14-68)T 管工作于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE解：USB =2V时：IC最大饱和电流：(14-69)解：USB =5V时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBET 管工作于饱和区，因IC 和IB 已不是 倍的关系IC最大饱和电流：(14-70)三、主要参数 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、共集接法。共射直流电流放大倍数： 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IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1. 电流放大倍数和 (14-71)2.集-基极反向截止电流 ICBO ICB