第8章 二极管 晶体管

第8章:二极管、晶体管和场效应管

任课教师：贠素君

办公室:物电院322室电工电子技术第8章二极管、晶体管和场效应管8.3半导体二极管8.4稳压二极管8.5晶体管8.2PN结及其单向导电性8.1半导体的导电特性8.1半导体的导电特性1、半导体基础知识半导体：导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，例如硅Si、锗Ge、砷化镓GaAs和一些硫化物、金属氧化物等。导体：电阻率·cm的物质。如铜、银、铝等金属材料。绝缘体：电阻率·

cm物质。如橡胶、塑料、云母、陶瓷等。2、半导体的导电特性：(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。8.1.1本征半导体1、完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体,如锗、硅、硒。图8.1.1晶体中原子的排列方式图8.1.2硅单晶中的共价健结构共价健共价键中的两个电子，称为价电子。

Si

Si

Si

Si价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4图8.1.3本征半导体中的自由电子和空穴自由电子空穴若温度T

，将有少数价电子克服共价键的束缚成为自由电子，在原来的共价键中留下一个空位——空穴。T

自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。空穴可看成带正电的载流子。电子空穴对

由热激发而产生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。温度越高运动加剧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。杂质半导体有两种N型半导体(掺入5价杂质元素)P型半导体(掺入3价杂质元素)1、N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的5价杂质元素，如磷、砷、锑等，即构成N型半导体(或称电子型半导体)。常用的5价杂质元素有磷、砷、锑等。8.1.2杂质半导体+4+4+4+4+4+4+4+4+4图8.1.4N型半导体的晶体结构自由电子浓度远大于空穴的浓度，即n>>p。电子称为多数载流子(简称多子)，空穴称为少数载流子(简称少子)。+5施主原子自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或锗的晶体中掺入少量的3价杂质元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。+3空穴浓度多于电子浓度，即p>>n。空穴为多数载流子，电子为少数载流子。3价杂质原子称为受主原子。受主原子空穴2、P型半导体图8.1.5P型半导体的晶体结构归纳3、杂质半导体中起导电作用的主要是多子。4、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。1、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）。2、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。杂质半导体的导电机理一、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。－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++空间电荷区N型区P型区PN结8.2PN结及其单向导电性漂移运动P型半导体－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半导体++++++++++++++++++++++++扩散运动内电场EPN结处载流子的运动内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，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。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区中的空穴、N区中的电子）的扩散运动。P区中的电子和N区中的空穴（都是少子）数量有限，因此由它们形成的漂移电流很小。空间电荷区中内电场推动少子（P区中的电子、N区中的空穴）的漂移运动。归纳1.PN结加正向电压（正向偏置）P接正、N接负

外电场IFPN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–多子在外电场作用下定向移动，形成较大的正向电流。PN结加正向电压时，正向电阻较小，处于导通状态。低阻态

二、PN结的单向导电性2.PN结加反向电压（反向偏置）P接负、N接正少子在外电场作用下定向移动，形成很小的反向电流。PN结加反向电压时，反向电阻较大，处于截止状态。温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。–+外电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－IR高阻态

PN结的单向导电性正向特性反向特性归纳◆◆P（+），N（-），外电场削弱内电场，结导通，I正大；I的大小与外加电压有关；P（-），N（+），外电场增强内电场，结不通，I反很小；I反的大小与少子的数量有关，与温度有关；PN结呈现低电阻，称为“正向导通”PN结呈现高电阻，称为“反向截止”扩散运动>漂移运动扩散运动<漂移运动8.3半导体二极管小功率二极管大功率二极管稳压二极管发光二极管8.3.1.基本结构（一个PN结+引线+封装=二极管

）(a)点接触型(b)面接触型

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，用于低频的整流电路。用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于大功率整流管和数字电路的开关管。(c)平面型阴极引线阳极引线二氧化硅保护层P型硅N型硅(

c

)平面型金属触丝阳极引线N型锗片阴极引线外壳(

a)点接触型铝合金小球N型硅阳极引线PN结金锑合金底座阴极引线(

b)面接触型二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号DUI死区电压硅管0.5V,锗管0.1V。导通压降:硅管0.6~0.8V,锗管0.2~0.3V。反向击穿电压UBR正向特性：EDI反向特性：EDI反U<死区电压，不通；U>死区电压，导通UII反很小，与温度有关；U击穿电压，击穿导通UIU（BR）=几十伏8.3.2.伏安特性uiU(BR)0UonIS20℃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Si0.5V0.6~0.8V(计算时取0.7V）1µA以下锗Ge0.1V0.2~0.3V（计算时取0.2V）几十µA8.3.2.伏安特性8.3.3.理想伏安特性理想伏安特性曲线vDiD在许多情况下，可以忽略二极管的正向压降和反向饱和电流。这时二极管就是一个理想开关。uiU(BR)0UonIS20℃开启电压反向饱和电流击穿电压8.3.4.主要参数1）最大整流电流

IOM二极管长期使用时，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是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。3）反向峰值电流IRM指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差。IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。二极管经常应用于以下场合：（1）整流。（2）限幅。（4）逻辑（二极管逻辑）。（3）检波。8.3.5.二极管的应用及电路分析1、二极管的应用2、二极管电路分析定性分析：判断二极管的工作状态导通截止否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位的高低或所加电压UD的正负。若V阳>V阴或UD为正，二极管导通若V阳<V阴或UD为负，二极管截止若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。【例8.3.1】图8.3.3所示电路中，ui=10sin314tV，E=5V，当1、2端开路时，画出uD、uR、uo的波形图。

解

图8.3.4ui、uR、uD、uo的波形图【例8.3.2】图8.3.5所示电路中，试求下列几种情况下输出端Y的电位Vo及各元件中的电流:(1)VA=+6V，VB=+4V;(2)VA=+6V，VB=+5.5V。设二极管为理想二极管。图8.3.5例8.3.2的电路

解电路中二极管VDA、VDB的阴极接在一起，如果两个二极管的阳极电位都高于阴极电位，则阳极电位高的管子抢先导通，然后再判断另一个管子是否导通。(1)当VA>VB时，VDA抢先导通，如果VDB不导通，则R1、VDA、R3串联，由于Vo>VB，VDB的阳极电位低于阴极电位，假设是正确的，因此(2)当VA>VB时，VDA抢先导通，如果VDB不导通，则Vo=4.8V，但现在VDB=5.5V，所以可以认为VDA、VDB均导通，则此时VB>Vo，与假设吻合，说明VDB也导通。这时有:

8.4稳压二极管1.符号UZIZIZMUZIZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压使用时要加限流电阻稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。_+UIO3.主要参数(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。稳压管与二极管的主要区别稳压管运用在反向击穿区，二极管运用在正向区；稳压管比二极管的反向特性更陡。【例8.4.1】图8.4.3中，通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？

图8.4.3例8.4.1图IZ<IZM，电阻值合适。解8.5晶体管8.5.1、基本结构8.5.2、工作原理8.5.3、特性曲线8.5.4、主要参数由两个PN结构成的具有电流放大作用和开关作用的半导体器件1.晶体管的分类频率：高频管、低频管功率：小、中、大功率管材料：硅管、锗管结构：平面型、合金型类型：NPN型、PNP型8.5.1基本结构2、基本结构NPN型BEC基极发射极集电极NNPPNP型PPNBEC发射极集电极基极由两个PN结组成基区：较薄，掺杂浓度低集电区：尺寸面积较大发射区：掺杂浓度较高BEC基极发射极集电极NNP发射结集电结三个区、三个极、两个结8.5.2晶体管的工作原理一、放大状态1.三极管放大的内部条件（1）发射区高掺杂(故管子e、c极不能互换)（2）基区很薄(几个m)

2.三极管放大的外部条件发射结正偏、集电结反偏VC>VB>VEVC<VB<VEB（P）C（N）IBIEICNPN型三极管E（N）IBIEICPNP型三极管C（P）B（N）E（P）共发射极接法放大电路BECNNPEBRBECRC放大的外部条件：发射结正偏，集电结反偏EB保证发射结正偏，EC>EB保证集电结反偏。晶体管内部载流子的运动及电流分配1.发射极加正向电压，扩散运动形成扩散电流IE（发射载流子）2.扩散到基区的自由电子与空穴的复合运动形成复合电流IBE3.集电结加反向电压，推动基区电子向集电区漂移，形成漂移电流ICE（收集载流子）4.集电结的反向电流ICBO(少子漂移）反向饱和电流ICBO大小极小大EBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE发射极电流IE基极电流IB=IBE-ICBO集电极电流IC=ICE+ICBOEBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE晶体管的电流放大系数定义：结论：且与晶体管的结构有关很小的基极电流IB，就可以控制较大的集电极电流IC，从而实现了放大作用。8.5.3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8.5.3、晶体管的共射特性曲线测试线路：输入特性：输出特性：共发射极电路输入回路输出回路发射极是输入回路、输出回路的公共端当UCE为常数时发射结电压UBE与基极电流IB的关系；当IB为常数时集电极电流IC与管压降UCE的关系。ICmAAVVUCEUBERBIBECEBRC1.输入特性特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管:

UBE0.6~0.7VNPN型锗管:

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=IB

，也称为线性区，具有恒流特性。条件：发射结正向偏置

集电结反向偏置IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB<0以下区域为截止区，有IC0

。条件：发射结反向偏置、集电结反向偏置饱和区截止区（3）饱和区UCEUBE时，饱和状态。条件：发射结正向偏置

集电结正向偏置

特性归纳输入特性同二极管的正向特性UBEIB输出特性一组曲线（一个IB对应一条曲线）UBE>0，UCE>UBE发射结正偏，集电结反偏IC=IB电流放大作用UBE<0，IB0

发射结反偏,集电结反偏UBE>0，UCE<UBEIC=IB，IC

UCC/RC

发射结正偏，集电结正偏无电流放大作用放大区截止区饱和区8.5.4主要参数1.电流放大系数有，直流电流放大系数：交流电流放大系数：当晶体管接成共发射极电路时：表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。注意：和

的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值接近。常用晶体管的

值在20~200之间。2.集-基极反向截止电流ICBO

ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。温度ICBOICBOA+–EC3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受温度的影响大。温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4.集电极最大允