第15章半导体二极管和三极管

会计学1第15章半导体二极管和三极管本章要求:1.理解PN结的单向导电性；2.了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；3.理解晶体管的电流分配和放大作用。{end}

第15章半导体二极管和三极管第1页/共56页15.1

半导体的导电特性半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性第2页/共56页

本征半导体就是完全纯净的半导体。

应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素。硅的原子结构15.1.1本征半导体第3页/共56页

纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体

——晶体管名称的由来

本征半导体晶体结构中的共价健结构15.1.1本征半导体SiSiSiSi价电子第4页/共56页自由电子与空穴15.1.1

本征半导体

共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi第5页/共56页热激发与复合现象

由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-----

热激发15.1.1

本征半导体

自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象

温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。SiSiSiSi空穴第6页/共56页半导体导电方式

在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。载流子自由电子和空穴

因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。15.1.1

本征半导体SiSiSiSi空穴

当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动第7页/共56页15.1.2N型半导体和P型半导体N型半导体在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。

自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

电子型半导体或N型半导体SiSiP+Si第8页/共56页15.1.2N型半导体和P型半导体P型半导体

在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。

空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

空穴型半导体或P型半导体。SiSiB-Si空穴第9页/共56页15.1.2N型半导体和P型半导体

不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。{end}第10页/共56页

在N型半导体和P型半导体的结合面上形成如下物理过程:因浓度差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，PN结形成。多子的扩散运动由杂质离子形成空间电荷区

P区N区空间电荷区内电场15.2.1PN结的形成

15.2

PN结第11页/共56页15.2.2

PN结的单向导电性1外加正向电压使PN结导通PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流——正向电流–+变窄PN内电场方向外电场方向RI第12页/共56页15.2.2PN结的单向导电性2外加反向电压使PN结截止

PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流

----反向电流+-

变宽PN内电场方向外电场方向RI=0特点:受温度影响大原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的第13页/共56页15.2.2PN结的单向导电性结论

PN结具有单向导电性

（1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。{end}第14页/共56页15.3

半导体二极管15.3.1基本结构15.3.2伏安特性15.3.3伏安特性的折线化15.3.4二极管的主要参数15.3.1基本结构PN结铝合金小球面接触型触丝N型锗片点接触型表示符号第15页/共56页15.3.2

伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压

半导体二极管的伏安特性是非线性的。第16页/共56页正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压

死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管：0.1伏左右。正向压降：硅管：0.7伏左右，锗管：0.2~0.3伏。15.3.2

伏安特性1正向特性第17页/共56页反向电流：反向饱和电流：反向击穿电压U（BR）15.3.2

伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压2反向特性第18页/共56页15.3.2伏安特性的折线化U0U0USUSUS第19页/共56页15.3.3

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。3反向峰值电流IRM:

二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。第20页/共56页含二极管电路的分析方法确定二极管的工作状态

根据工作状态用不同的模型代替二极管在等效后的线性电路中作相应的分析若二极管工作在截止状态则可等效为断开的开关若二极管工作在导通状态则可等效为导通的开关UONID或电压为UON的电压源15.3.4

应用举例

主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第21页/共56页如何判断二极管的工作状态？步骤1、假设二极管截止，即将二极管断开。2、计算二极管两端的电压

UD=V阳-V阴3、判断：若

UD>0，则二极管工作于导通状态

若

UD<0，则二极管工作于截止状态第22页/共56页例：图示电路中，分析当UA与UB分别为0与3V的不同组合时，二极管D1、D2的状态，并求U0的值。解：（1）当UA=UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由电路，有UD1=0-（-5）=5>0

UD2=0-（-5）=5>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=0D1D2U0R5V第23页/共56页（2）当UA=UB=3V时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=8>0

UD2=3-（-5）=8>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V第24页/共56页（3）当UA=3V，UB=0时设D1、D2截止，则等效电路为由电路，有UD1=3-（-5）=8>0

UD2=0-（-5）=5>0则D1、D2处于导通状态，电路可等效为所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即D1、D2不可能同时导通！！合理的情况是：D1导通，D2截止。D1D2U0R5V3V第25页/共56页（4）当UA=0，UB=3V时所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2导通。D1D2U0R5V3V{end}UAUBD1D2U0R5V综上所述：当UA、UB中有一个为3V时，输出UO为3V“或”逻辑第26页/共56页15.4

稳压管

一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。1稳压管表示符号：

第27页/共56页正向+-反向+-IZUZ2稳压管的伏安特性：3稳压管稳压原理：

稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，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稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

第28页/共56页15.4

稳压管4主要参数（2）电压温度系数

（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数第29页/共56页15.4

稳压管（3）动态电阻（4）稳定电流（5）最大允许耗散功率

rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。

PZM=UZIZM第30页/共56页15.4

稳压管例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用当U<UZ时,电路不通；当U>UZ时,稳压管击穿此时选R，使IZ<IZM{end}第31页/共56页15.5

半导体三极管15.5.1

基本结构15.5.1

基本结构15.5.2

电流分配和放大原理15.5.3

特性曲线15.5.4

主要参数

结构平面型

合金型

NPN

PNP第32页/共56页15.5.1

基本结构发射结集电结BNNP发射区基区集电区ECNNPBECCEB第33页/共56页发射结集电结BPPN发射区基区集电区ECPPNBECCEB15.5.1

基本结构第34页/共56页15.5.2

电流分配和放大原理µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共发射极接法第35页/共56页15.5.2

电流分配和放大原理晶体管电流测量数据IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此实验及测量结果可得出如下结论：（1）IE=IC+IB符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）当IB=0（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO<0.001mA第36页/共56页用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。15.5.2

电流分配和放大原理

外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP第37页/共56页15.5.2

电流分配和放大原理发射结正偏扩散强E区多子（自由电子）到B区B区多子（空穴）到E区穿过发射结的电流主要是电子流形成发射极电流IEIE是由扩散运动形成的1发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。RBEC++__EBEBCNNP第38页/共56页15.5.2

电流分配和放大原理2电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IBE区电子到基区B后，有两种运动扩散IEC复合IEB同时基区中的电子被EB拉走形成IBIEB=IB时达到动态平衡形成稳定的基极电流IBIB是由复合运动形成的RBEC++__EBEBC第39页/共56页15.5.2

电流分配和放大原理3集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏阻碍C区中的多子（自由电子）扩散，同时收集E区扩散过来的电子有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO形成集电极电流ICRBEC++__EBEBC第40页/共56页RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC15.5.2

电流分配和放大原理第41页/共56页15.5.3

特性曲线

用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。

以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。µAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE第42页/共56页15.5.3

特性曲线1输入特性曲线：

死区电压：硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。正常工作时，发射结的压降：

NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V。00.40.8UBE/VIB/µA80604020UCE>1

第43页/共56页15.5.3

特性曲线2输出特性曲线

晶体管的输出特性曲线是一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002第44页/共56页15.5.3

特性曲线晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区（2）截止区（3）饱和区（1）放大区（线性区）132436912IC/mA10080604020µAIB=00UCE/V

输出特性曲线的近似水平部分。

特点：等效：BECβIB条件：E结正偏、C结反偏第45页/共56页15.5.3

特性曲线（2）截止区IB=0曲线以下的区域为截止区IB=0时，IC=ICEO〈0.001mA

对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020µAIB=00UCE/V特点：IB=0，IC=0等效：BEC条件：E结反偏第46页/共56页（3）饱和区

当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态

在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020µAIB=002UCE/V15.5.3

特性曲线条件：E结正偏、C结正偏等效：BEC特点：UCE=UCES≈0，IC≠βIB第47页/共56页例1:测得各晶体管在无信号输入时,三个电极相对于”地”的电压如图所示。问哪些管子工作于放大状态,哪些处于截止、饱和状态，哪些管子已经损坏？ecb硅管-3V0V-2.7Vecb锗管-0.3V-3V0Vecb锗管1.3V1.1V1Vecb硅管-2.8V-1.4V-3.5V截止放大饱和放大15.5.3

特性曲线第48页/共56页ecb锗管1.2V1.3V1.5Vecb锗管1.8V3.7V1.5Vecb硅管2V12V-0.7V饱和放大已损坏ecb锗管0V0.7V-3.5V倒置15.5.3

特性曲线第49页/共56页15.5.4

主要参数1电流放大系数