chapter14半导体二极管和三极管3

chapter14半导体二极管和三极管3第1页/共56页

本征半导体的共价键结构束缚电子在绝对温度T=0K时，所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中，不会成为自由电子，因此本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。一.本征半导体

本征半导体——化学成分纯净的半导体晶体。制造半导体器件的半导体材料的纯度要达到99.9999999%，常称为“九个9”。第2页/共56页

这一现象称为本征激发，也称热激发。

当温度升高或受到光的照射时，束缚电子能量增高，有的电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为自由电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴

自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，称为空穴。第3页/共56页

可见本征激发同时产生电子空穴对。

外加能量越高（温度越高），产生的电子空穴对越多。与本征激发相反的现象——复合在一定温度下，本征激发和复合同时进行，达到动态平衡。电子空穴对的浓度一定。常温300K时：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴电子空穴对第4页/共56页自由电子带负电荷电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E＋－＋总电流载流子空穴带正电荷空穴流本征半导体的导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。导电机制第5页/共56页二.杂质半导体

在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体。1.

N型半导体

在本征半导体中掺入五价杂质元素，例如磷，砷等，称为N型半导体。

第6页/共56页N型半导体多余电子磷原子硅原子多数载流子——自由电子少数载流子——空穴++++++++++++N型半导体施主离子自由电子电子空穴对第7页/共56页

在本征半导体中掺入三价杂质元素，如硼、镓等。空穴硼原子硅原子多数载流子——空穴少数载流子——自由电子－－－－－－－－－－－－P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.

P型半导体第8页/共56页杂质半导体的示意图++++++++++++N型半导体多子—电子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半导体多子—空穴少子—电子少子浓度——与温度有关多子浓度——与温度无关第9页/共56页内电场E因多子浓度差形成内电场多子的扩散空间电荷区

阻止多子扩散，促使少子漂移。PN结合空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层14.2PN结

1.PN结的形成

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动画演示少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散

又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流少子漂移电流耗尽层动态平衡：扩散电流＝漂移电流总电流＝0势垒UO硅0.5V锗0.1V第11页/共56页2.PN结的单向导电性(1)加正向电压（正偏）——电源正极接P区，负极接N区

外电场的方向与内电场方向相反。

外电场削弱内电场→耗尽层变窄→扩散运动＞漂移运动→多子扩散形成正向电流IF正向电流

第12页/共56页(2)加反向电压——电源正极接N区，负极接P区

外电场的方向与内电场方向相同。

外电场加强内电场→耗尽层变宽→漂移运动＞扩散运动→少子漂移形成反向电流IRPN

在一定的温度下，由本征激发产生的少子浓度是一定的，故IR基本上与外加反压的大小无关，所以称为反向饱和电流。但IR与温度有关。

第13页/共56页

PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流，呈现低电阻，PN结导通；

PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流，呈现高电阻，PN结截止。

由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。第14页/共56页3.PN结的伏安特性曲线及表达式

根据理论推导，PN结的伏安特性曲线如图正偏IF（多子扩散）IR（少子漂移）反偏反向饱和电流反向击穿电压反向击穿热击穿——烧坏PN结电击穿——可逆第15页/共56页14.3半导体二极管

二极管=PN结+管壳+引线NP结构符号阳极+阴极-第16页/共56页

二极管按结构分三大类：(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。第17页/共56页(3)平面型二极管

用于集成电路制造工艺中。PN结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。(2)面接触型二极管

PN结面积大，用于工频大电流整流电路。第18页/共56页半导体二极管的型号国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：2AP9用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge，C为N型Si，D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。第19页/共56页

一、半导体二极管的V—A特性曲线

硅：0.5V

锗：

0.1V(1)正向特性导通压降反向饱和电流(2)反向特性死区电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗

硅：0.7V锗：0.3V第20页/共56页例：IR10VE1kΩD—非线性器件iuRLC—线性器件二.二极管基本电路及其分析方法图解法:UD=VE-IR第21页/共56页二极管的模型DU串联电压源模型UD二极管的导通压降。硅管0.7V；锗管0.3V。理想二极管模型正偏反偏导通压降二极管的V—A特性第22页/共56页二极管的近似分析计算IR10VE1kΩIR10VE1kΩ例：串联电压源模型测量值9.32mA相对误差理想二极管模型RI10VE1kΩ相对误差0.7V第23页/共56页利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、钳位、检波、保护、开关等。1.整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用，将交流电变成直流电的电路。

三.二极管的应用第24页/共56页

限幅电路是限制输出信号幅度的电路。2.限幅电路第25页/共56页钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路。设二极管为理想元件，当输入UA＝UB＝3V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被钳制在UA和UB上，即UF＝3V；当UA＝0V，UB＝3V，则V1导通，输出被钳制在UF＝UA＝0V，V2反偏截止。3.钳位电路第26页/共56页举例：二极管构成的限幅电路如图所示，R＝1kΩ，UREF=2V，输入信号为ui。

(1)若ui为4V的直流信号，分别采用理想二极管模型、理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电压uo解：（1）采用理想模型分析。

采用理想二极管串联电压源模型分析。第27页/共56页（2）如果ui为幅度±4V的交流三角波，波形如图（b）所示，分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形。解：①采用理想二极管模型分析。波形如图所示。0-4V4Vuit2V2Vuot第28页/共56页02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V

②采用理想二极管串联电压源模型分析，波形如图所示。第29页/共56页写出图所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD＝0.7V第30页/共56页例．试判断图中二极管是导通还是截止？并求出AO两端电压ＶA0。设二极管为理想的。

解：

分析方法：（1）将D1、D2从电路中断开，分别出D1、D2两端的电压；

（2）根据二极管的单向导电性，二极管承受正向电压则导通，反之则截止。若两管都承受正向电压，则正向电压大的管子优先导通，然后再按以上方法分析其它管子的工作情况。本题中：Ｖ12=12V，Ｖ34=12+4=16V，所以D2优先导通，此时，Ｖ12=-4V，所以D1管子截止。ＶA0=-4V。第31页/共56页四.二极管的主要参数

(1)最大整流电流IF——二极管长期连续工作时，允许通过二极管的最大整流电流的平均值。(2)反向击穿电压UBR———

二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR。

(3)反向电流IR——

在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。硅二极管的反向电流一般在纳安(nA)级；锗二极管在微安(A)级。第32页/共56页当稳压二极管工作在反向击穿状态下,工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时,其两端电压近似为常数稳定电压14.4稳压二极管

稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管正向同二极管反偏电压≥UZ

反向击穿＋UZ－限流电阻+-DZ第33页/共56页

稳压二极管的主要参数

(1)稳定电压UZ——(2)动态电阻rZ——

在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。

(3)最小稳定工作电流IZmin——

保证稳压管击穿所对应的电流，若IZ＜IZmin则不能稳压。

(4)最大稳定工作电流IZmax——

超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏。第34页/共56页稳压极管的近似分析计算IR10VE1kΩ例：7VIR10VE1kΩ第35页/共56页例:ui为幅度±14V的交流三角波，波形如图所示，串联稳压管，稳压电压7V，导通电压0.7V，分析电路并画出相应的输出电压波形。-0.7V-14V14Vuit7V7Vuot+--+UIuREFRiuO-0.7V第36页/共56页例．两个稳压管的稳压值ＶZ1=5V，ＶZ2=7V，它们的正向导通压降均为0.6V，电路在以下二种接法时。

第37页/共56页14.5半导体三极管

半导体三极管，也叫晶体三极管。由于工作时，多数载流子和少数载流子都参与运行，因此，还被称为双极型晶体管（BipolarJunctionTransistor,简称BJT）。

BJT是由两个PN结组成的。第38页/共56页一.BJT的结构NPN型PNP型符号:

三极管的结构特点:（1）发射区的掺杂浓度＞＞集电区掺杂浓度。（2）基区要制造得很薄且浓度很低。--NNP发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极--PPN发射区集电区基区发射结集电结ecb发射极集电极基极第39页/共56页二．BJT的内部工作原理（NPN管）

三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压。若在放大工作状态：发射结正偏：+UCE

－＋UBE－＋UCB－集电结反偏：由VBB保证由VCC、

VBB保证UCB=UCE-UBE>0共发射极接法c区b区e区第40页/共56页

（1）因为发射结正偏，所以发射区向基区注入电子，形成了扩散电流IEN

。同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动，形成的电流为IEP。但其数量小，可忽略。所以发射极电流IE≈

IEN

。

（2）发射区的电子注入基区后，变成了少数载流子。少部分遇到的空穴复合掉，形成IBN。所以基极电流IB≈

IBN

。大部分到达了集电区的边缘。1．BJT内部的载流子传输过程第41页/共56页（3）因为集电结反偏，收集扩散到集电区边缘的电子，形成ICN

。

另外，集电结区的少子形成漂移电流ICBO。第42页/共56页2．电流分配关系三个电极上的电流关系:第43页/共56页三.BJT的特性曲线（共发射极接法）(1)输入特性曲线

iB=f(uBE)

uCE=const（1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。（3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。

（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE

电压下，iB

减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅0.5V锗0.1V导通压降硅0.7V锗0.3V第44页/共56页

(2)输出特性曲线iC=f(uCE)

iB=const

现以iB=60uA一条加以说明。

（1）当uCE=0

V时，因集电极无收集作用，iC=0。（2）uCE↑→Ic

↑

。

（3）当uCE

＞1V后，收集电子的能力足够强。这时，发射到基区的电子都被集电极收集，形成iC。所以uCE再增加，iC基本保持不变。同理，可作出iB=其他值的曲线。

第45页/共56页

输出特性曲线可以分为三个区域:饱和区——iC受uCE显著控制的区域，该区域内uCE＜0.7

V。此时发射结正偏，集电结也正偏。截止区——iC接近零的区域，相当iB=0的曲线的下方。此时，发射结反偏，集电结反偏。放大区——

曲线基本平行等距。此时，发射结正偏，集电结反偏。该区中有：饱和区放大区截止区第46页/共56页例：测量三极管三个电极对地电位如图所示，试判断三极管的工作状态。

图三极管工作状态判断

放大截止饱和第47页/共56页测得放大电路中六只晶体管的直流电位如图所示。在圆圈中画出管子，并分别说明它们是硅管还是锗管。第48页/共56页测得晶体管以下四种情况，试判断哪种情况晶体管处于饱和状态

。a)β=50,IB=20uA,IC=1mAb)β=30,IB=20uA,IC=0.6mAc)β=40,IB=20uA,IC=0.8mAd)β=30,IB=40uA,IC=1.0mA第49页/共56页四.BJT的主要参数1.电流放大系数（2）共基极电流放大系数：

iCE△=20uA(mA)B=40uAICu=0(V)=80uAI△BBBIBiIBI=100uACBI=60uAi一般取20~200之间2.31.5（1）共发射极电流放大系数：第50页/共56页

2.极间反向电流

（2）集电极发射极间的穿透电流ICEO

基极开路时，集电极到发射极间的电流——穿透电流。其大小与温度有关。

（1）集电极基极间反向饱和电流ICBO

发射极开路时，在其集电结上加反向电压，得到反向电流。它实际上就是一个PN结的反向电流。其大小与温度有关。锗管：ICBO为微安数量级，硅管：ICBO为纳安数量级。++ICBOecbICEO第51页/共56页

3.极限参数

Ic增加时，要下降。当值下降到线性放大区值的70％时，所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM。（1）集电极最大允许电流ICM（2）集电极最大允许功率损耗PCM

集电极电流通过集电结时所产生的功耗，

PC=ICUCE

PCM<PCM第52页/共56页

（3）反向击穿电压

BJT有两个PN结，其反向击穿电压有以下