第9章 半导体二极管、三极管

电工电子学下篇-电子技术第9章二极管和晶体管第10章基本放大电路第11章运算放大器第12章直流稳压电源第13章门电路和组合逻辑电路第14章触发器和时序逻辑电路第15章模拟量和数字量转换第9章半导体二极管、三极管9.2二极管9.3稳压二极管9.4半导体三极管9.1半导体的导电特性半导体基础知识导体：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：导电特性处于导体和绝缘体之间。如锗、硅等。半导体的导电能力受外界因素的影响很大：对温度敏感掺杂半导体及其特点对光照敏感半导体的特点是由其原子结构决定的硅和锗原子结构中最外层有四个价电子GeSi本征半导体：纯净的、结构完整的半导体晶体。9.1.1本征半导体硅本征半导体中的共价健结构

Si

Si

Si

Si常温下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。

9.1半导体的导电特性共价健共用电子对共价键中的两个电子是被束缚电子共价键是较稳定结构+4+4+4+4自由电子束缚电子空穴束缚电子获得一定能量（温度升高或受光照）后，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征半导体的导电机理温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴便愈多。本征半导体中自由电子和空穴数量相等外电场方向+4+4+4+4在外电场的作用下会吸引相邻原子的价电子来填补空穴，同时相邻原子的共价键中出现空穴。价电子移动的结果相当于带正电的空穴的反方向迁移自由电子和空穴是半导体中的载流子。空穴是载流子?本征半导体的导电机理

当半导体两端加外电压时，出现两部分电流

(1)自由电子作定向运动电子电流

(2)价电子递补空穴空穴电流注意：

(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；

(2)温度高，载流子数目多,半导体导电性能好。

所以，温度对半导体器件性能影响很大。1.N型半导体9.1.2N型半导体和P型半导体掺入五价元素

Si

Si

Si

Sip+多余电子磷原子常温下少量的自由电子和空穴正离子在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。

N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子2.P型半导体掺入三价元素

Si

Si

Si

SiB–硼原子负离子空穴P型半导体中，空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。

P型半导体结构示意图电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子1、

PN结的形成多子的扩散运动内电场促进少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体漂移使内电场变薄扩散使内电场变宽空间电荷区也称PN结扩散和漂移运动最终达到动态平衡内电场稳定－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区9.1.3PN结及其单向导电性内电场阻止多子的扩散运动2、PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负外电场IFPN结加正向电压时，PN结变窄，多子的扩散加强,正向电流较大，PN结处于导通状态。内电场－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–RPN3.PN结加反向电压（反向偏置）外电场

P接负、N接正内电场+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN结变宽

PN结加反向电压，PN结变宽，加强少子的漂移运动由于少子数量很少，反向电流较小，可认为PN结处于截止状态。IF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

)面接触型图1–12半导体二极管的结构和符号9.2

半导体二极管9.2.1二极管的结构示意图阴极阳极(

d

)符号D9.2.2伏安特性硅管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二极管被击穿，失去单向导电性。正向特性反向特性特点：非线性硅0.6~0.8V锗0.2~0.3VUI死区电压PN+–PN–+反向电流在一定电压范围内保持常数。9.2.3主要参数1.最大整流电流

IF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.最高反向工作电压UR二极管工作是允许外加的最大反向电压值。超过此值时，二极管有可能因反向击穿而损坏。手册上给出的最高反向工作电压UR一般是击穿电压U（BR）的一半。PNI_U+3.微变电阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二极管特性曲线上工作点Q附近电压的变化与电流的变化之比：工作点Q处的直流电阻：R=UD/ID

RLuiuouiuott例1：二极管半波整流D3VRuiuouRuD

例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，

ui=6sintV,E=3V,试画出

uo波形。t

t

ui

/Vuo/V6330022–6t

6302例3：双向限幅电路t03–3DE3VRDE3VuiuouRuD

ui

/Vuo/V例4：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB为锗管(导通压降0.3V)，求输出端Y的电位,并说明二极管的作用。解：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。DA

–12VYABDBR9.3

稳压二极管1.符号UZIZUZ2.伏安特性稳压管正常工作时加反向电压稳压管反向击穿后，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。_+UIO例：设DZ1的稳定电压为6V，DZ2的稳定电压为12V，设稳压管的正向导通压降为0.7V，则输出电压UO

等于（）。(a)18V(b)6.7V(c)30V(d)12.7V作业：P263-268页B基本题：9.2.6

9.3.3、9.3.4、N型硅BECN+P型硅基区：较薄，掺杂浓度低集电区：面积较大发射区：掺杂浓度较高9.4.1半导体三极管的结构9.4半导体三极管集电区集电结基区发射结发射区

CBEN集电极C发射极E基极BNPPN1.PNP型三极管

三极管的结构分类和符号2.NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极EPECB符号晶体管-半导体三极管频率：高频管、低频管功率：材料：小、中、大功率管硅管、锗管类型：NPN型、PNP型半导体三极管是具有电流放大功能的元件ICRBIBECEB9.4.2

三极管的电流分配和放大原理IECEB三极管电流放大的外部条件:（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于PNP型三极管应:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VECEBIBECRCICIEEBRB三极管的电流放大原理EBRBIBICECRCNPIEN发射区向基区扩散电子电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE电子在基区的扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICEB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IB动画CEB要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。BECNNPEBRBECIBIEIC9.4.3

特性曲线UCEICUBERBIBECEB输出回路输入回路ICmAAVVUCEUBERBIBECEB一、输入特性：一、输入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作压降：硅管UBE0.6~0.7V,锗管UBE0.2~0.3V。二、输出特性:ICmAAVVUCEUBERBIBECEB二、输出特性IC(mA)1234UCE(V)36912100AIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A当UCE大于一定值时IC=IB称：放大区（线性区）:发射结正偏；集电结反偏.IC(mA)1234UCE(V)36912UCEUBEUCE0.3VIB>IC称：饱和区集电结正偏;发射结正偏.IB=020A40A60A80A100AIC(mA)1234UCE(V)36912UBE<0IB=0,IC=ICEO称：截止区发射结反偏；集电结反偏.IB=020A40A60A80A100AT工作在放大区条件：发射结正偏，集电结反偏；T工作在饱和区条件：发射结正偏，集电结正偏；T工作在截止区条件：发射结反偏，集电结反偏；输入特性输出特性IBUCCRCICIERBUI解：UI

：-1V工作在截止状态例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K欧，RB=10K欧，=25，输入电压UI分别为-1V，1V，3V时求晶体管处于何种工作状态例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K欧，RB=10K欧，=25，输入电压UI分别为-1V，1V，3V时求晶体管处于何种工作状态IBUCCRCICIERBUI解：UI

：1V工作在放大状态IBUCCRCICIERBUI解：UI

：3V工作在饱和状态例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K欧，RB=10K欧，=25，输入电压UI分别为-1V，1V，3V时求晶体管处于何种工作状态工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。交流电流放大倍数为：共射直流电流放大倍数：1.电流放大倍数和在以后的计算中，一般作近似处理：=9.4.4主要参数在以后的计算中，一般作近似处理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1点，有由Q1和Q2点，得例：在UCE=6V时，在Q1点IB=40A,