《电工学》-秦曾煌-电子技术-第14章

第十四章

二极管和三极管电子技术模拟电路部分(1-0)第十四章二极管和三极管§14.1半导体的导电特性§14.2

PN结及其单向导电性§14.3二极管§14.4稳压二极管§14.5晶体管§14.6光电器件1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2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。314.1.1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。4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：5硅和锗的共价键结构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子6

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+47二、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，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴8+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子、空穴成对出现92.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10

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.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。1114.1.2

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）。12一、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。13N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15三、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。164.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）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

17PN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。§14.2PN结及其单向导电性18P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。19P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，空间电荷区的厚度固定不变。20－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区电位VV0211.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:22PN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。23一、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电流。24二、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。25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2614.3二极管发光稳压整流检波开关2728一、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结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。29UI硅管0.5V锗管0.1V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0.6~0.8V锗0.2~0.3V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30三、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，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。313.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（<几微安），锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，它可应用于整流、检波、限幅、保护等等。32UI导通压降实际二极管：正向导通----硅0.6~0.8V锗0.2~0.3V

二极管电路分析

定性分析：判二极管的工作状态----导通、截止33UI

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0.2V34

二极管电路分析分析方法：

1.断开二极管

2.a)分析其两端电位高低，

b)或其两端所加电压UD的正负。3.a)V阳>V阴→导通V阳<V阴→截止b)UD>0→导通

UD<0→截止35二极管：死区电压=0.5V，正向压降0.7V(硅二极管)理想二极管：死区电压=0，正向压降=0RLuiuouiuott二极管的应用举例例1：二极管半波整流36例2：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，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>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14.3.2DA-12VVAVBVYDBR37例3：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，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<VB故：DB

优先导通DA截止若：DB导通压降为0.3V则：VY=0.3V解：P12：例14.3.2DAVAVBDBVY+12VR38ui>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8VD8VRuoui++––39UI硅管0.5V锗管0.1V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0.6~0.8V锗0.2~0.3V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40UI

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0.5V锗管0.1V死区电压0V41符号UZIZIZMUZIZ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。_+UIO§14.4稳压二极管曲线越陡电压越稳42(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=UZIZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管的主要参数:43例1：已知：Uz=12V，IZM=18mA，R=1.6KΩ。试求：Iz=?限流电阻R的阻值是否合适？解：Iz=(20–Uz)/R=(20-12)/1.6x103

=5mA因：IZ<IZM故：限流电阻R的阻值合适+IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mA44§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

4514.5.1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46NPN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47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48BECNNP

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VB<VE集电结反偏VC<VBNPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

EBRBECRC14.5.2电流分配和放大原理从电位的角度看49晶体管电流放大的实验电路

设EC=6V，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+UCEEBCEB3DG10050IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)IC

IB

晶体管的电流放大作用：基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化。

放大实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。晶体管电流测量数据结论:51ICIEIB+UCE+

UBE

B

NPN型晶体管+UBE

IBIEIC

B+UCEPNP型晶体管晶体管起放大作用的条件：发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。52晶体管内部运动发射区向基区扩散电子电子在基区扩散和复合集电区收集从发射区扩散过来的电子BECNNP基极发射极集电极53电流分配和放大原理BECNNPEBRBECIEIBE基区空穴向发射区的扩散可忽略.进入P区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IBE,基区要薄，浓度小，使绝大多数电子扩散到集电结.发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形成发射极电流IE。54BECNNPEBRBECIEICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE集电结反偏，由少子形成的反向电流ICBO，受温度影响比较大。从发射区扩散到基区到达集电区边缘的电子被拉入集电区形成ICE。IB=IBE-ICBOIBEIB55直流电流放大倍数：ICE与IBE之比

要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。5614.5.3特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线57输入回路输出回路58一、输入特性曲线UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0VUCE=0.5V059IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特点:非线性

工作压降硅管UBE0.6~0.7V锗管UBE0.2~0.3V死区电压硅管0.5V锗管0.1V60二、输出特性曲线IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0称为放大区或线性区当UCE大于一定数值时,IC只与IB有关,且IC=IB发射结正偏集电结反偏61IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0深度饱和时硅管UCES0.3V锗管UCES0.1V此区域中：UCEUBE,发射结正偏，集电结正偏，IB>IC，称为饱和区62IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0此区域中：IB=0,IC=ICEOUBE<死区电压，发射结反偏，集电结反偏，称为截止区。63输出特性三个区域的特点放大区：发射结正偏，集电结反偏。即：UCE>

UBE

，IC=IB,且

IC

=

IB+UBE>0

CTEICIEIB+UCEB

-

UBC<0+

64(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。即：UCEUBE

，

IB>IC+IEB+UBE>

0

CTE

-

UBC>

0+

65(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

CTE

-

UBC<0+

66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

67T管工作于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE解：USB

=2V时：IC最大饱和电流：68解：USB

=5V时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBET管工作于饱和区，因IC和IB

已不是倍的