ch9二极管和晶体管解析

1、ch9二极管和晶体管解析第 9 章 半导体二极管和三极管9.1 半导体的导电特性 本征半导体就是完全纯洁的、具有晶体构造的半导体。 9.1.1 本征半导体 自由电子空穴共价键SiSiSiSi本征半导体中自由电子和空穴的形成 用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键构造。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产

2、生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向挪动，形成空穴电流。可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。空穴挪动方向 电子挪动方向 外电场方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2 N 型半导体和 P 型半导体1. N 型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因此自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为 N 型半导体。 SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子本征半导体中由于载流子数量极少，导电才能

3、很低。假设在其中参入微量的杂质(某种元素)将使其导电才能大大增强。2. P 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为 P 型半导体。 SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴价电子填补空位9.1.3 PN 结及其单向导电性1. PN 结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半导体区域和 N 型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为 PN 结。 P 区N 区N区的电子向P

4、区扩散并与空穴复合PN 结内电场方向2. PN 结的单向导电性(1) 外加正向电压内电场方向E外电场方向RIP 区N 区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一局部负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一局部正空间电荷空间电荷区变窄 扩散运动增强，形成较大的正向电流P 区N 区内电场方向ER空间电荷区变宽 外电场方向IR2. 外加反向电压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 PN 结形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进展返回9.2 半导体二极管9.2.1 根本构造 将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按构造分，有点接触型和面接触型两类。点接触

5、型表示符号正极负极金锑合金面接触型N型锗 正极引线负极引线 PN 结底座铝合金小球引线触丝N 型锗外壳9.2.2 伏安特性 二极管和 PN 结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.6 0.7V，锗管约为0.2 0.3V。60402002550I / mAU / V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性I / mAU / V0.20.4 25 50510150.010.02锗管的

6、伏安特性0 在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压 U(BR)。9.2.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM 最大整流电流是指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 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压的一半或三分之二。 3. 反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.60.7V锗0.20

7、.3V 分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的上下或所加电压UD的正负。假设 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通假设 V阳 V阴 二极管导通假设忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V否那么， UAB例1： 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。 在这里，二极管起钳位作用。 D6V12V3kBAUAB+两个二极管的阴极接在一起取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳 =6 V，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。假设忽略管压降，二

8、极管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向电压为6 V流过 D2 的电流为求：UAB 在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。 BD16V12V3kAD2UAB+ 例 3 在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。 解 因为 VA 高于VB ，所以DA 优先导通。假设二极管的正向压降是 0.3 V，那么 VY = + 2.7 V。当 DA 导通后, DB 因反偏而截止。 在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在 + 2.7 V。 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、

9、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 DA 12VYVAVBDBR返回ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 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4：二极管的用处： 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+ 9.3 稳压管 稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如以以下图所示。 稳压管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压管反向击穿。此后

10、，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向 +反向UZIZ 稳压管的主要参数有下面几个：1. 稳定电压UZ 4. 稳定电流 IZ 3. 动态电阻 rZ2. 电压温度系数 U5. 最大允许耗散功率 PZM 例 1 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？R 是限流电阻，其值是否适宜？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mAIZ例 1 的图IZ IZM ，电阻值适宜。解晶体管的构造示意图和表示符号(a)NPN型晶体管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNET

11、CBIBIEIC(b)PNP型晶体管CE发射区集电区基区集电结发射结NNP基极发射极集电极BCE发射区集电区基区P发射结P集电结N集电极发射极基极B9.4 双极型晶体管 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基极发射极集电极构造特点：集电区：面积最大1. 三极管放大的外部条件BECNNP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 EBRBECRC9.4.2 电流分配和放大原理 我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管

12、，为了使晶体管具有放大作用，电源 EB 和 EC 的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100 设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB，那么基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：基极电路集电极电路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 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据结论：(1)符合基尔霍夫定律(

13、2) IC 和 IE 比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得 这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化 IC 。 称为动态电流(交流)放大系数 (3)当 IB = 0(将基极开路)时，IC = ICEO， 表中 ICEO 0UBC VB VE对于 PNP 型三极管应满足: UEB 0UCB 0即 VC VB 0，UBC UBE。ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCEEBCEB共发射极电路IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 12

14、43212.31.5放 大 区 饱和区截止区(2) 截止区 IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。IB = 0 时, IC = ICEO(很小)。对 NPN 型硅管，当UBE 0.5 V 时，即已开场截止，但为了使晶体管可靠截止，常使 UBE 0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC 0)，此时, IC 0 ，UCE UCC 。(3) 饱和区 当 UCE 0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和 IB 不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212

15、.31.5放 大 区 当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如以以下图所示+ UBE 0 ICIB+UCE(a)放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC (b)截止 UBC 0 IB+ UCE 0 (c)饱和 UBC 0+ 管 型 工 作 状 态 饱和 放大 截 止 UBE/VUCE/V UBE/V UBE/V 开始截止 可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP) 0.7 0.3 0.3 0.1

16、0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值9.4.4 主要参数1. 电流放大系数 ， 当晶体管接成共发射极电路时，在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数 当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为 IB ，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与 IB的比值称为动态电流(交流)放大系数 在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下,可近似认为 ，但二者含义不同。2. 集基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3. 集射极反向截止电流 ICEO IC

17、EO 是当基极开路(IB = 0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。 4. 集电极最大允许电流 ICM 当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流 ICM 。 5. 集射反相击穿电压 U(BR)CEO 6. 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，称为集射反相击穿电压 U(BR)CEO 。 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安全 工 作 区 由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确

18、定晶体管的平安工作区。返回晶体管处于放大状态。 (2) 开关 S 合向 b 时 例9.1.1 图示电路，晶体管的 = 100，求开关 S 合向 a、b、c 时的 IB、IC 和 UCE，并指出晶体管的工作 状态忽略 UBE 。解 (1) 开关 S 合向 a 时 UBB1 RB1 5 500103 IB = = A = 0.01 mAIC = IB = 1000.01 mA = 1 mA UCE = UCCRCIC = (1551031103) V = 10 VUCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 VRB1 = 500 k RB2 = 50 k RC = 5 kUBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c UCE = 0 V 晶体管处于饱和状态。因为假设 IC = IB = 1000.1mA = 10 mA UCE = UCCRCIC = V =35 V UCE0，这是不可能的，即不可能处于放大状态。 (3) 开关 S 合向 c 时 IB = 0，IC = 0，UCE