电工学简明教程秦曾煌二极管和晶体管

电工学简明教程秦曾煌二极管和晶体管第1页/共65页自由电子9.1

半导体的导电特性本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。9.1.1本征半导体空穴共价键SiSiSiSi本征半导体中自由电子和空穴的形成用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。将硅或锗材料提纯并形成单晶体后，便形成共价键结构。在获得一定能量(热、光等)后，少量价电子即可挣脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴。自由电子和空穴总是成对出现,同时又不断复合。第2页/共65页第3页/共65页在外电场的作用下，自由电子逆着电场方向定向运动形成电子电流。带正电的空穴吸引相邻原子中的价电子来填补，而在该原子的共价键中产生另一个空穴。空穴被填补和相继产生的现象，可以看成空穴顺着电场方向移动，形成空穴电流。可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。空穴移动方向

电子移动方向

外电场方向SiSiSiSiSiSiSi外电场的作用下电子、空穴的移动第4页/共65页9.1.2N型半导体和P型半导体1．N型半导体在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷，当某一个硅原子被磷原子取代时，磷原子的五个价电子中只有四个用于组成共价键，多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚而成为自由电子。因而自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为N型半导体。SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子本征半导体中由于载流子数量极少，导电能力很低。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强。第5页/共65页SiSiSiSiSiSiSi2.P型半导体在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼，在组成共价键时将因缺少一个电子而产生一个空位，相邻硅原子的价电子很容易填补这个空位，而在该原子中便产生一个空穴，使空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子，将这种半导体称为P型半导体。

空位B空穴价电子填补空位第6页/共65页9.1.3PN结及其单向导电性1.PN结的形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为PN结。P区N区N区的电子向P区扩散并与空穴复合PN结内电场方向第7页/共65页第8页/共65页2．PN结的单向导电性(1)外加正向电压内电场方向E外电场方向RIP区N区外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷空间电荷区变窄

扩散运动增强，形成较大的正向电流第9页/共65页P区N区内电场方向ER外电场方向IR2．外加反向电压外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走少数载流子越过PN结形成很小的反向电流多数载流子的扩散运动难于进行空间电荷区变宽第10页/共65页第11页/共65页9.2

二极管9.2.1基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。a点接触型b面接触型N型锗正极引线负极引线PN结底座铝合金小球引线触丝N型锗外壳N型硅c平面型P型硅负极引线SiO2保护层正极引线金锑合金第12页/共65页表示符号正极负极第13页/共65页9.2.2伏安特性

二极管和

PN

结一样，具有单向导电性，由伏安特性曲线可见，当外加正向电压很低时，电流很小，几乎为零。正向电压超过一定数值后，电流很快增大，将这一定数值的正向电压称为死区电压。通常，硅管的死区电压约为

0.5V。导通时的正向压降，硅管约为

0.6~0.7V。

604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死区电压击穿电压U(BR)反向特性

在二极管上加反向电压时，反向电流很小。但当反向电压增大至某一数值时，反向电流将突然增大。这种现象称为击穿，二极管失去单向导电性。产生击穿时的电压称为反向击穿电压

U(BR)。第14页/共65页–0.02I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01锗管的伏安特性0锗管死区电压为

0.1V，导通时的正向压降为

0.2~0.3V。死区电压第15页/共65页–25–50锗管的伏安特性锗管死区电压为

0.1V，导通时的正向压降为

0.2~0.3V。–0.02I/mAU

/V0.20.451015–0.010死区电压第16页/共65页9.2.3主要参数1．最大整流电流IOM

最大整流电流是指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

它是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的一半或三分之二。3．反向峰值电流IRM

它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。第17页/共65页

[例1]

在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。求输出端电位VY。

[解]

因为VA

高于VB

，所以DA优先导通。如果二极管的正向压降是

0.3V，则

VY=+2.7V。当DA导通后，DB

因反偏而截止。

在这里，DA起钳位作用，将输出端电位钳制在

+2.7V。

二极管的应用范围很广,主要都是利用它的单向导电性。它可用作整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。DA

–12VYVAVBDBR第18页/共65页以及管子的好坏？作业第19页/共65页9.2.5第20页/共65页

稳压二极管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。稳压二极管工作于反向击穿区。从反向特性曲线上可以看出，反向电压在一定范围内变化时，反向电流很小。当反向电压增高到击穿电压时，反向电流突然剧增，稳压二极管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ9.3

稳压二极管稳定电压稳定电流最大稳定电流稳压范围第21页/共65页

稳压二极管的主要参数有下面几个：1．稳定电压UZ4．稳定电流

IZ

3．动态电阻

rZ2．电压温度系数U5．最大允许耗散功率PZMI/mAU/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ稳定电压稳定电流最大稳定电流稳压范围第22页/共65页

[例1]

图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？IZDZ+20VR=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例9.3.1的图IZ<IZM

，电阻值合适。[解]第23页/共65页9.3.3作业第24页/共65页9.4

晶体管第25页/共65页9.4.1基本结构N型硅SiO2保护膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型锗ECB铟球铟球PP(b)合金型9.4

晶体管第26页/共65页1．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EP

不论平面型或合金型，都分成

NPN或

PNP三层，因此又把晶体管分为

NPN型和

PNP型两类。ECB符号T第27页/共65页集电区集电结基区发射结发射区N集电极C发射极E基极BNPPN2．PNP型三极管

CBET符号第28页/共65页9.4.2电流分配和放大原理第29页/共65页9.4.2电流分配和放大原理第30页/共65页9.4.2电流分配和放大原理我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是NPN

型管，为了使晶体管具有放大作用，电源EB

和EC

的极性必须使发射结上加正向电压(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100

设

EC=

6

V；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：基极电路集电极电路第31页/共65页mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据结论：符合基尔霍夫定律(2)

IC

和IE

比IB

大得多。从第三列和第四列的数据可得：(1)第32页/共65页这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化

IB可以引起集电极电流较大的变化

IC。式中，称为动态电流(交流)放大系数。第33页/共65页

(3)

当IB=0(将基极开路)时，IC=ICE0，表中ICE0<0.001mA=1A。

(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置,集电区才可收集从发射区发射过来的电子。下图给出了起放大作用时晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。NPN型晶体管+UBE

CTEBIEIBIC+UCE

CTE+UBE

IBIEICB+UCEPNP型晶体管第34页/共65页对于

NPN型晶体管应满足：

UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE对于

PNP型晶体管应满足：

UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE1.输入特性曲线

输入特性曲线是指当集-射极电压

UCE为常数时，输入电路(基极电路)中，基极电流

IB

与基-射极电压

UBE

之间的关系曲线

IB

=f(UBE)。00.40.8IB

/AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100

晶体管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生

IB。9.4.3特性曲线第35页/共65页2．输出特性曲线

输出特性曲线是指当基极电流IB

为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流

IC

与集-射极电压

UCE

之间的关系曲线IC

=f(UCE)。在不同的

IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三个工作区ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共发射极电路IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003691243212.31.5放大区第36页/共65页2．输出特性曲线IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003691243212.31.5放大区(1)放大区输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，。放大区也称为线性区，因为IC

和IB

成正比的关系。对NPN型管而言，应使UBE

>0，UBC

<

0，此时，UCE

>UBE。第37页/共65页饱和区截止区(2)截止区

IB=0的曲线以下的区域称为截止区。IB=0时，IC=ICEO(很小)。对NPN型硅管，当

UBE<

0.5V时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使

UBE

≤

0，截止时集电结也处于反向偏置(UBC

<

0)，此时，IC

0，UCE

UCC。(3)饱和区

当

UCE

<

UBE

时，集电结处于正向偏置(UBC

>

0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC

和IB

不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O3691243212.31.5放大区第38页/共65页当晶体管饱和时，UCE

0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC

0

，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示。+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE≤

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)饱和

UBC>0+第39页/共65页

管型

工作状态

饱和

放大

截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

≤

0

0.1晶体管结电压的典型值当晶体管接成共发射极电路时,在静态(无输入信号)时集电极电流与基极电流的比值称为静态电流(直流)放大系数9.4.4主要参数1.电流放大系数，第40页/共65页当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为IB，它引起集电极电流的变化量为IC

。IC

与IB

的比值称为动态电流(交流)放大系数

在输出特性曲线近于平行等距并且

ICEO

较小的情况下，可近似认为，但两者含义不同。2.集-基极反向截止电流ICBOICBO

是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3．集-射极反向截止电流ICEO

ICEO

是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。4．集电极最大允许电流ICM

当

值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流

ICM。第41页/共65页

5．集-射反相击穿电压

U(BR)CEO6.集电极最大允许耗散功率PCM

基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集-射反相击穿电压

U(BR)CEO

。

当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率

PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安全工作区

由

ICM

、U(BR)CEO

、PCM三者共同确定晶体管的安全工作区。第42页/共65页单电子晶体管结构示意图单电子晶体管1.单电子存储器2.电子、电流检测和基准器件3.单电子数字集成电路C1C2CgVg量子隧穿效应：电子与某一势垒碰撞时，如果势垒的厚度减薄到能够与电子的德布罗意波长相当，那么电子具有一定的概率穿过该势垒。库仑阻塞效应：如果一个库仑岛的静电势能能级间隔比电子运动的能量大，那么该电子就难以隧穿进入该库仑岛。第43页/共65页晶闸管的外形(a)螺旋式；(b)平板式；(c)压膜塑封式晶闸管的结构与工作原理1.晶闸管的结构第44页/共65页晶闸管的内部结构和符号(a)内部结构；(b)符号第45页/共65页常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构第46页/共65页晶闸管导通关断实验电路2.晶闸管的导通关断实验第47页/共65页作业第48页/共65页9.5

光电器件9.5.1

发光二极管第49页/共65页pn在正向偏置下，电子和空穴发生辐射复合，发出光子，光子能量等于Eg。VCC>VD＋－第二章照明电光源发光二极管发光原理第50页/共65页1907年，人们发现半导体PN结通电发光的现象，100年来LED真正产业化的时期是上世纪60年代，当时的LED只能发红光，而且很暗，只可作信号指示灯，仅用于昂贵的仪器上。70年代,开发出绿光和黄光LED，开始在各种信号灯上作光源。90年代,发明蓝光LED后，借助黄色的荧光材料，蓝光和黄光复合后发出白色的光芒；或者将蓝光与绿光和红光的芯片组成RGB三基色混合白光及各种不同颜色的光。1997年高