二极管和晶体管

第14章

二极管和晶体管1第14章二极管和晶体管14.1半导体的导电特性14.3二极管14.4稳压二极管14.5晶体管14.2PN结及其单向导电性14.6光电器件2物质按导电性能分类

导体(Conductor)

半导体(Semiconductor)

绝缘体(Insulator)电导率（S·cm-1)

导体＞105

半导体10-9~102

绝缘体10-22~10-14

半导体是构成当代微电子的基础材料。半导体

----硅、锗、砷化镓、磷化铟、碳化镓、重掺杂多晶硅等。14.1半导体的导电特性本征半导体和杂质半导体3一、本征半导体(IntrinsicSemiconductor)本征半导体——化学成分纯净的半导体制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到

99.9999999%。----硅、锗等。4

(1）本征半导体的结构---晶体结构共价键共用电子对5

（2）本征半导体的载流子---电子空穴对热激发（本征激发）本征激发和温度有关两种载流子---自由电子(FreeElectron)---空穴(Hole)6因热激发而出现的自由电子和空穴是同时成对出现的，称为电子空穴对。7自由电子的定向运动形成了电子电流，空穴的定向运动形成空穴电流，它们的方向相同。自由电子和空穴称为载流子8

（3）本征半导体中载流子的浓度温度升高热运动加剧载流子增多本征半导体中载流子的浓度很低,导电性能很差。本征半导体中载流子的浓度与温度密切相关。9本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。温度越高载流子的浓度越高本征半导体的导电能力越强。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。归纳电流：总电流为空穴电流和电子电流之和。10二、杂质半导体(1)N型半导体(2)P型半导体

在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质，可使半导体的导电性发生显著变化。掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体。11+4+4+5+4多子(Majority)：自由电子(FreeElectron)

---由掺杂形成，取决于掺杂浓度少子(Minority)：空穴(Hole)

---由热激发形成，取决于温度。

(1)N型半导体(电子型半导体)多余电子磷原子在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的五价元素磷，使自由电子浓度大大增加。12(2)P型半导体(空穴型半导体)+4+4+3+4空穴硼原子多子(Majority)：空穴(Hole)

---由掺杂形成，取决于掺杂浓度；少子(Minority)：自由电子(FreeElectron)----由热激发形成，取决于温度。在硅或锗晶体（四价）中掺入少量的三价元素硼，使空穴浓度大大增加。13归纳杂质半导体中起导电作用的主要是多子。N型半导体中电子是多子，空穴是少子；P型半导体中空穴是多子，电子是少子。杂质半导体中两种载流子浓度不同，分为多数载流子和少数载流子（简称多子、少子）。杂质半导体中多数载流子的数量取决于掺杂浓度，少数载流子的数量取决于温度。◆◆◆◆14一、PN结的形成

因浓度差多子的扩散运动形成空间电荷区空间电荷区形成内电场内电场促使少子漂移内电场阻止多子扩散多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡形成PN结14.2PN结及其单向导电性多子扩散少子漂移15PN结建立在N型和P型半导体的结合处，由于扩散运动，使空穴和电子复合后形成不能移动的负离子和正离子状态。PN结称为---空间电荷区耗尽层阻挡层PN结很窄（几个到几十个m)。16空间电荷区中没有载流子。空间电荷区中内电场阻碍多子（P中的空穴、N中的电子）的扩散运动。半导体中有两种电流漂移电流(DriftCurrent)：由载流子的漂移运动形成的电流

扩散电流(DiffusionCurrent)：由载流子的扩散运动形成的电流

空间电荷区中内电场推动少子（P中的电子、N中的空穴）的漂移运动。归纳漂移运动：由电场力引起的载流子定向运动扩散运动：由于载流子浓度不均匀（浓度梯度）造成的运动17

1）PN结正向偏置特点外电场与内电场方向相反（削弱内电场），使PN结变窄。扩散运动＞漂移运动。PN结电阻小，电流大，正向导通。I的大小与外加电压有关正向偏置：阳极P接电源正极，阴极N接电源负极二、PN结的单向导电性18特点：外电场与内电场方向相同（增强内电场），使PN结变宽。扩散运动＜漂移运动结电阻大，反向电流很小，反向截止I反的大小与少子的数量有关，与温度有关。

2)PN结反向偏置

反向偏置：阳极P接电源负极，阴极N接电源阳极19三、PN结的伏安特性u>0，u↑→i↑正向特性反向特性|u|↑>UBR，－反向击穿u<0，i≈-IS，恒定不变按指数规律快速增加uiU(BR)0IS20小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管PN结+引线+封装=二极管。PN阳极阴极D14.3二极管一、基本结构21二极管结构类型(1)点接触型二极管—PN结面积小，结电容小，用于检波和变频等高频电路。(2)面接触型二极管—(3)平面型二极管—PN结面积大，用于工频大电流整流电路。PN结面积可大可小，用于集成电路制造工艺中。22二、伏安特性u(V)i(mA)UBR0UonIS20℃开启电压反向饱和电流击穿电压材料开启电压导通电压反向饱和电流硅Si0.5V0.5~0.8V1µA以下锗Ge0.1V0.1~0.3V几十µA232.反向特性硅：Is<0.1A，锗：Is＝几十A。UBR=几十伏uiUBR0UTIS20℃1.正向特性死区电压UT：正向电压超过某一数值后，才有明显的正向电流。硅：UT=0.5V；锗：UT=0.1V正向导通电压U范围：

硅：0.6~0.8V（计算时取0.7V），U=0.7锗：0.1~0.3V（计算时取0.2V），U=0.2使用时应加限流电阻。反向电流很小，与温度有关；|U|

击穿电压，击穿导通，反向电流急剧增加；EDED24温度对二极管伏安特性的影响0uiUBRUonIS20℃80℃温度增加，Uon减小，IS增加。正向曲线左移，反向曲线下移。T（℃）↑→在电流不变情况下管压降u↓→反向饱和电流IS↑，UBR↓25三、主要参数1.最大整流电流IOM2.最大反向工作电压URM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。二极管正常工作时允许承受的最大反向工作电压。手册上给出的最高反向工作电压URM一般是UBR的一半。3.最大反向电流IRM指二极管加反向工作峰值电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。261.理想二极管U>0，D导通；UD=0，I取决于外电路；相当于一个闭合的开关EDIUDEIUU

0，D截止；I=0，UD（负值）取决于外电路；相当于一个断开的开关EDI反UDEI反U四、应用举例272.二极管的应用电路如图示：已知E=5V，ui=10sintVRDEuiuO解：此类电路的分析方法：当D的阳极电位高于阴极电位时，D导通，将D作为一短路线；当D的阳极电位低于阴极电位时，D截止，将D作为一断开的开关；将二极管看成理想二极管uituOt10V5V5V削波例1求：uO的波形28RRLuiuRuotttuiuRuo设=RCtp，求uo的波形tp例2D起检波作用，除去正尖脉冲29电路如图示：已知

VA=3VVB=0V求：VF=？解：此类电路的分析方法：将二极管看成理想二极管。当几个二极管共阳极或共阴极连接时，承受正向电压高的二极管先导通。DB通，VF=0VRDAADBB+12VF钳位隔离例330二极管的特点单向导电性二极管的应用开关、钳位、隔离、检波、整流等归纳31UIUZIZIZmaxUZIZ曲线越陡，电压越稳定。结构：结构同二极管（击穿可逆）二、伏安特性：稳压值稳压误差+-+-一、基本结构DZ符号：14.4稳压二极管321.稳定电压UZ2.稳定电流IZ稳压管中的电流为规定电流时，稳压管两端的电压值。稳压管正常工作时的参考电流值，对应UZ的值。三、主要参数UIUZIZminIZmax3）最大允许功耗334.动态电阻rZ类似二极管的动态电阻，反映了稳压区电压变化量与电流变化量之比，越小越好。一般为几欧到几十欧。5.温度系数α温度升高，UZ增加，正温度系数。温度升高，UZ减小，负温度系数。（%/℃）34稳压管与二极管的主要区别稳压管工作在反向击穿区，二极管工作在正向导通和截止区；稳压管比二极管的反向特性更陡。35

稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻的作用：一是起限流作用，以保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。UODZRRL+－R---串联在稳压电路中；---必不可少！

---取值合适（使稳压管工作在击穿区）R---限流电阻---调整电阻四、应用电路36已知图示电路中，UZ=6V，最小稳定电流IZmin=5mA，最大稳定电流IZmax=25mA，负载电阻RL=600Ω，求限流电阻R的取值范围。RIRUODZRLILIDZ+－UI=10V解：由：得：uiO△u△iIZUZIZM例43714.5晶体管NPN型PNP型BECNNP基极发射极集电极PNP集电极基极发射极BCEBipolarJunctionTransistor------BJT简称晶体管或三极管双极型晶体管晶体管的作用电流控制和电流放大开关作用晶体管的类型38小功率管中功率管大功率管

一、晶体管的结构和符号掺杂浓度高掺杂浓度很低，且很薄面积大39二、晶体管的电流分配及放大作用多子扩散少子漂移扩散运动漂移运动40共射放大电路1、电流形成宏观电流：IE＝IB＋IC

IE－扩散运动形成发射极电流

IB－复合运动形成基极电流IC－漂移运动形成集电极电流因基区薄且多子浓度低，使极少数扩散到基区的电子与空穴复合因发射区多子浓度高使大量电子从发射区扩散到基区因集电区面积大，在外电场作用下大部分扩散到基区的电子漂移到集电区41直流电流放大系数交流电流放大系数定义：2、共射电流放大系数共射放大电路42B/mA00.020.040.060.080.10C/mA<0.0010.701.502.303.103.95E/mA<0.0010.721.542.363.184.05++__++__3DG100D测试电路VV43

输入特性：

输出特性：发射结电压uBE与基极电流iB的关系；集电极电流iC与管压降uCE的关系。三、晶体管的共射特性曲线++__++__3DG100D测试电路VV44PN结的正向伏安特性UCE增大曲线右移UCE增大到一定值曲线右移就不明显了1.输入特性ECBiBuBE+-

对于小功率晶体管，UCE大于1V时输入特性稳定45饱和区放大区截止区为什么uCE较小时iC随uCE变化很大？为什么进入放大状态曲线几乎是横轴的平行线？特点：②曲线起始部分很陡，

UCE≥1V后，较平坦。①取不同的IB得曲线族，IB增加，曲线上移。1.输出特性iCuCEECB+-B)(CECIufi=46晶体管的三个工作区域②放大区：线性区特点：IC=βIB；特点：IB≤0，

IC≤

ICEO≈0③饱和区：特点：IC≦βIB。饱和压降：UCES≈0.1V，IC取决于外电路。

uCEiC0IB=0IB1IB2IB3IB4IB5放大区截止区饱和区条件：发射结反偏(UBE

≤UT)。①截止区：的区域。条件：发射结正偏(UBE≤UT)

，集电结反偏(UCE>UBE)

条件：发射结正偏，集电结正偏(UCE<UBE)

47iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A48iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A49iC(mA)1234uCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A50四、主要参数直流电流放大倍数：1.电流放大倍数交流电流放大倍数：两者非常接近，通常用作：一般为20~200512.集-射极反向截止电流ICEOAICEO基极开路时的集电极电流。所以集电极电流应为：IC=

IB+ICEOICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。523.集电极最大电流ICM集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。4.集电极最大允许功耗PCMPC=ICUCE必定导致结温上升，所以PC有限制。PCPCM5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO5354例5测得电路中各NPN型晶体管各极的电位，判断各管的工作状态T1发射结正偏集电结反偏放大T2发射结正偏集电结正偏饱和T3发射结正偏集电结反偏放大T4发射结零偏集电结反偏截止解：判据：发射结正偏，且UBE>UT，集电结反偏；放大发射结正偏，集电结正偏；饱和发射结反偏，或UBE<Uon，集电结反偏；截止55例6：在一个单管放大电路中，电源电压为30V，已知三只管子的参数如表所示，请选用一只管子。解：选用管子的依据：兼顾ICBO小，β大，安全T1β值小，T3UCEO小，T2β值较大，ICBO较小,

UCEO大于电源电压。故应选T256例7：关于PNP型管子及其电路要满足发射结正偏，集电结反偏的条件