二极管和晶体管终稿

二极管和晶体管终稿第1页，共59页，2023年，2月20日，星期日1.本课程的性质2.特点3.教学目标4.学习方法5.成绩评定

实验：10%平时：10%考试：80%6.教材

前言电工学(第六版)下册电子技术秦曾煌主编高等教育出版社2004.7前言第2页，共59页，2023年，2月20日，星期日一些基本概念在电子技术中，被传递、加工和处理的信号可以分为两大类：模拟信号和数字信号模拟信号：在时间上和幅度上都是连续变化的信号，称为模拟信号，例如正弦波信号、心电信号等。数字信号：在时间和幅度上均不连续的信号。模拟电路：工作信号为模拟信号的电子电路。数字电路：工作信号为数字信号的电子电路。前言第3页，共59页，2023年，2月20日，星期日主要内容半导体二极管和晶体管基本放大电路

集成运算放大器电子电路中的反馈直流稳压电源Δ电力电子技术门电路和组合逻辑电路触发器和时序逻辑电源存储器和可编程逻辑器件模拟量和数字量的转换*现代通信技术前言第4页，共59页，2023年，2月20日，星期日第14章二极管和晶体管

内容主要有：半导体的导电性能PN结的形成及单向导电性半导体器件的基本结构、工作原理、主要特性曲线、主要参数的意义晶体管的电流分配和放大作用光电器件的工作原理

半导体器件主要包括：半导体二极管（包括稳压管）晶体管光电器件第14章二极管和晶体管第5页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.1半导体的导电特性14.1半导体的导电特性物质根据其导电性能分为导体：导电能力良好的物质。绝缘体：导电能力很差的物质。半导体：是一种导电能力介于导体和绝缘体之间的物质，如硅、锗、硒、砷化镓及一些硫化物和氧化物。半导体的导电能力具有独特的性质。①温度升高时，纯净的半导体的导电能力显著增加；②纯净的半导体受到光照时，导电能力明显提高；③在纯净半导体材料中加入微量的“杂质”元素，它的电导率就会成千上万倍地增长。半导体为什么具有以上的导电性质？第6页，共59页，2023年，2月20日，星期日1.半导体的晶体结构

原子的组成：带正电的原子核若干个围绕原子核运动的带负电的电子且整个原子呈电中性。半导体器件的材料：硅（Silicon-Si）：四价元素，硅的原子序数是14，外层有4个电子。锗（Germanium-Ge）：也是四价元素，锗的原子序数是32，外层也是4个电子。

14.1.1本征半导体14.1半导体的导电特性第7页，共59页，2023年，2月20日，星期日简化原子结构模型如图4-1(a)的简化形式。+4惯性核价电子图14-1(a)硅和锗的简化原子模型14.1半导体的导电特性第8页，共59页，2023年，2月20日，星期日图14-1晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键单晶半导体结构特点

共价键:由相邻两个原子各拿出一个价电子组成价电子对所构成的联系。图14-1是晶体共价键结构的平面示意图。14.1半导体的导电特性第9页，共59页，2023年，2月20日，星期日2.半导体的导电原理

⑴本征半导体（IntrinsicSemiconductor）

纯净的、结构完整的单晶半导体，称为本征半导体。物质导电能力的大小取决于其中能参与导电的粒子—载流子的多少。本征半导体在绝对零度（T=0K相当于T=－273℃）时，相当于绝缘体。在室温条件下，本征半导体便具有一定的导电能力。14.1半导体的导电特性第10页，共59页，2023年，2月20日，星期日半导体中的载流子自由电子空穴（Hole）价电子挣脱共价键的束缚成为自由电子的同时，在原来的共价键位置上留下了一个空位，这个空位叫做空穴。空穴带正电荷。14.1半导体的导电特性第11页，共59页，2023年，2月20日，星期日在本征半导体中，激发出一个自由电子，同时便产生一个空穴。电子和空穴总是成对地产生，称为电子空穴对。半导体中共价键分裂产生电子空穴对的过程叫做本征激发。产生本征激发的条件：加热、光照及射线照射。半导体中存在载流子的产生过程载流子的复合过程实验表明，在一定的温度下，电子浓度和空穴浓度都保持一个定值.动画14.1半导体的导电特性第12页，共59页，2023年，2月20日，星期日空穴的运动实质上是价电子填补空穴而形成的。BA空穴自由电子图14-2晶体共价键结构平面示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4C共价键14.1半导体的导电特性第13页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.1.2N型半导体和P型半导体

(杂质半导体)掺入了“杂质”的半导体称为“杂质”半导体。常用的杂质元素三价的硼、铝、铟、镓五价的砷、磷、锑杂质半导体分为：N型半导体和P型半导体。N型半导体

在本征半导体中加入微量的五价元素，可使半导体中自由电子浓度大为增加，形成N型半导体(电子半导体)。14.1半导体的导电特性第14页，共59页，2023年，2月20日，星期日图14-3N型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+4+4+4+4共价键掺入五价原子在室温下就可以激发成自由电子掺入五价原子占据Si原子位置14.1半导体的导电特性第15页，共59页，2023年，2月20日，星期日②P型半导体在本征半导体中加入微量的三价元素，可使半导体中的空穴浓度大为增加，形成P型半导体。空位A图14-4P型半导体晶体结构示意图+4+4+4+4+4+3+4+4+4共价键空位吸引邻近原子的价电子填充，从而留下一个空穴。在P型半导体中，空穴数等于负离子数与自由电子数之和，空穴带正电，负离子和自由电子带负电，整块半导体中正负电荷量相等，保持电中性。14.1半导体的导电特性第16页，共59页，2023年，2月20日，星期日综上所述：(1)本征半导体中加入五价杂质元素，便形成N型半导体。N型半导体中，电子是多数载流子，空穴是少数载流子，此外还有不参加导电的正离子。(2)本征半导体中加入三价杂质元素，便形成P型半导体。其中空穴是多数载流子，电子是少数载流子，此外还有不参加导电的负离子。(3)杂质半导体中，多数载流子浓度决定于杂质浓度，少数载流子由本征激发产生，其浓度与温度有关。14.1半导体的导电特性第17页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.2PN结及其单向导电特性PN结：是指在P型半导体和N型半导体的交界处形成的空间电荷区。PN结是构成多种半导体器件的基础。

二极管的核心是一个PN结；三极管中包含了两个PN结。14.2PN结及其单向导电特性动画第18页，共59页，2023年，2月20日，星期日如图所示，电源的正极接P区，负极接N区，这种接法叫做PN结加正向电压或正向偏置。PN结导通，产生正向电流动画14.2PN结及其单向导电特性①PN结外加正向电压

第19页，共59页，2023年，2月20日，星期日②PN结外加反向电压

如图所示，电源的正极接N区，负极接P区，这种接法叫做PN结加反向电压或反向偏置。PN结截止产生反向小电流14.2PN结及其单向导电特性第20页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.3二极管1.基本结构在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。二极管按结构分有点接触型、面接触型和平面型三大类。(1)点接触型二极管(a)点接触型

二极管的结构示意图14.3二极管第21页，共59页，2023年，2月20日，星期日

(3)平面型二极管

(2)面接触型二极管(4)二极管的代表符号(c)平面型(b)面接触型阳极阴极14.3二极管第22页，共59页，2023年，2月20日，星期日半导体二极管图片14.3二极管第23页，共59页，2023年，2月20日，星期日半导体二极管图片14.3二极管第24页，共59页，2023年，2月20日，星期日半导体二极管图片14.3二极管第25页，共59页，2023年，2月20日，星期日二极管的伏安特性曲线（b）2CP10-20的伏安特性曲线iD（mA）uD（V）012-100-20020406080-20-10-30（uA）75℃20℃（c）2AP15的伏安特性曲线iD（mA）uD（V）00.4-40-80204080-0.2-0.1-0.3600.814.3二极管2.伏安特性

第26页，共59页，2023年，2月20日，星期日①正向特性死区电压(oc段)：硅管0.5V锗管0.1V线性区(cd段):硅管0.6V～1V锗管0.2V～0.5V14.3二极管(a)二极管理论伏安特性正向特性CDoBAUBRuDiD反向击穿特性反向特性②反向特性反向饱和电流

很小

受温度影响大反向击穿电压UBR第27页，共59页，2023年，2月20日，星期日3.主要参数最大整流电流IOM反向工作峰值电压URWM

反向峰值电流IRM14.3二极管考虑正向压降的等效电路uDiDoDUDKUDuDiDoDK理想二极管等效电路第28页，共59页，2023年，2月20日，星期日

例1图中的R和C构成一微分电路。当输入电压u1如图中所示时，试画出输出电压u0的波形。设uc(0)=0。14.3二极管第29页，共59页，2023年，2月20日，星期日例2在图中，输入端A的电位VA＝＋3v，B的电位VB＝0v，求输出端y的电位VY。电阻R接负电源－12v。＋14.3二极管第30页，共59页，2023年，2月20日，星期日它的伏安特性与二极管基本相同，只是稳压管正常工作时是利用特性曲线的反向击穿区。电流改变而电压基本不变的特性称为稳压特性，稳压管就是利用这一特性工作的。14.4稳压二极管14.4稳压二极管UIOUZIZUZIZIZM（b）正向反向阴极阳极（a）+-第31页，共59页，2023年，2月20日，星期日稳压管的主要参数：

稳定电压UZUZ是稳压管反向击穿后稳定工作的电压值。稳压值具有分散性。14.4稳压二极管动态电阻rZrZ是稳压管在稳定工作范围内管子两端电压的变化量与相应电流变化量之比即rZ越小，表示稳压作用越好。稳定电流IZ稳定电流IZ是稳压管工作时的参考电流，稳定电压和动态电阻都是指在这个电流下的值。IZM第32页，共59页，2023年，2月20日，星期日电压温度系数αu温度变化1℃时，稳定电压变化的百分数。它是表示稳压管温度稳定性的参数。例如2CWl的电压温度系数是0.07%/℃，假设20℃时稳定电压UZ=8V，那么50℃时稳压值将为要求温度稳定性较高的场合常选用6V左右的管子。

14.4稳压二极管最大允许耗散功率PZMPZM是管子不被热击穿的最大功率损耗。UZIZM=PZM第33页，共59页，2023年，2月20日，星期日稳压管的应用电路为了限制稳压管击穿以后的电流，使用时必须在电路中串联电阻如图所示。RzUzDzI+-U+-稳压管电路14.4稳压二极管U<UZ时，稳压管未击穿，电路不通。U>UZ时，稳压管击穿必须适当选择R值，使得I<IZM。R称为限流电阻。

第34页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.5晶体管14.5.1基本结构有NPN和PNP两种结构类型。核心部分都是两个PN结。

3AX313DG63AD6(a)外形示意图14.5晶体管第35页，共59页，2023年，2月20日，星期日NNPcbeSiO2绝缘层(b)NPN硅管结构图NcbePN型锗铟球铟球(c)PNP锗管结构图14.5晶体管第36页，共59页，2023年，2月20日，星期日NPN型c集电极b基极集电区NP基区发射区N集电结发射结e发射极(b)NPN型ebc三极管在结构上的两个特点：

(1)掺杂浓度：发射区>>集电区>>基区；(2)基区必须很薄。14.5晶体管第37页，共59页，2023年，2月20日，星期日PNP型c集电极b基极集电区PN基区发射区P集电结发射结e发射极(a)PNP型ebc14.5晶体管第38页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.5.2电流分配和放大原理

内部条件外部条件

发射结正偏，集电结反偏。电路接法：共射接法14.5晶体管RbVBBVCCRciBiCbecNPNuBEuCEiEuBC+++－－－第39页，共59页，2023年，2月20日，星期日晶体管内部载流子的运动发射区向基区扩散电子的过程电子在基区扩散和复合过程集电区收集从发射区扩散过来电子的过程iBiCiEECEBRbNPN(a)载流子运动情况iEniEpiBEiCnICBO14.5晶体管第40页，共59页，2023年，2月20日，星期日晶体管内部载流子的运动发射区向基区扩散电子的过程电子在基区扩散和复合过程集电区收集从发射区扩散过来电子的过程iBEiEiCEICBOiEiBRbEBECiC(b)各极电流分配情况晶体管中的电流14.5晶体管动画第41页，共59页，2023年，2月20日，星期日晶体管的电流分配关系CBEIII+=iBiEiCEICBOiEiBRbEBECiC(b)各极电流分配情况IC=bBI14.5晶体管

∆IC=bB∆ICEOCII=BI=0当时,晶体管放大原理的本质：

iB对iC或iE的控制作用。第42页，共59页，2023年，2月20日，星期日⑷

关于PNP型晶体管PNP管与NPN管之间的差别：(1)电压极性不同。(2)电流方向不同。

VBBVCCbceiCiE(a)NPN型VBBVCCbceiCiE(b)PNP型NPN型和PNP型晶体管电路的差别14.5晶体管-++++---++++____UCEUBEUCEUBE第43页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.5.3特性曲线晶体管特性曲线是表示晶体管各极间电压和电流之间关系的曲线。bceiBiEiCuBCuCEuBE+-+-+-

NPN型晶体管的电压和电流参考方向14.5晶体管第44页，共59页，2023年，2月20日，星期日μAVVmAiBiCEBRW1RbRW2ECuCE+uBE-+-测量NPN管共射特性曲线的电路图14.5晶体管第45页，共59页，2023年，2月20日，星期日⑴输入特性曲线

UCE为一固定值时，IB和UBE之间的关系曲线，即IB(mA)UBE(V)0.20.40.60.80.020.040.060.080UCE

=0V1V5V3DG4的输入特性20℃14.5晶体管第46页，共59页，2023年，2月20日，星期日

uCE增加，特性曲线右移。

uCE的大小影响基区内集电结边界电子的分布。

uCE≥1V以后，特性曲线几乎重合。

uCE≥1V以后，基区中集电结边界处的电子浓度很低。与二极管的伏安特性相似uBE<Ur时，iB=0；Ur=0.5V(Si)Ur=0.1V(Ge)正常工作时

uBE=0.7V(Si)uBE=0.2V(Ge)14.5晶体管输入特性有以下几个特点：

当uCE=0时，输入特性曲线与二极管的正向伏安特性曲线形状类似。第47页，共59页，2023年，2月20日，星期日⑵输出特性曲线

IB为固定值时，IC和UCE之间的关系曲线，即14.5晶体管iC(mA)uCE(V)iB=00.2mA20℃0.4mA0.6mA0.8mA1.0mA放大区饱和区1002030403DG4的输出特性510152025303550截止区动画第48页，共59页，2023年，2月20日，星期日14.5晶体管bceIBICUBC<0UCEUBE＞0+-+-+-cebIB=0IC≈0UBC<0UCE≈UccUBE≤0+-+-+-bceIBIC≈Uc/RcUBC＞0UCE≈0UBE＞0+-+-+-（a）放大（b）截止（c）饱和放大作用，开关作用．第49页，共59页，2023年，2月20日，星期日截止区:指iB≤0，iC≤ICEO的工作区域。在这个区域中，电流iC很小，基本不导通，故称为截止区。工作在截止区时，晶体管基本失去放大作用。为使三极管可靠截止，必须给发射结加反向偏压，使发射区不再向基区注入载流子。14.5晶体管饱和区:

指输出特性中iC上升部分与纵轴之间的区域。饱和区特性曲线的特点是固定iB不变时，iC随uCE的增加而迅速增大。饱和区是对应于uCE较小（uCE<uBE）的情况。这时集电结和发射结都处于正向偏置（uBE>Ur，uBC>0)。放大区(线性区):

输出特性上在饱和区和截止区之间的区域为放大区。在这个区域里，iB>0，uCE>uBE>0，uBC＜0，iＣ∝

iB即发射结是正向偏置，集电结是反向偏置。第50页，共59页，2023年，2月20日，星期日4.主要参数表示晶体管的各种性能指标。⑴电流放大系数因为iC>>ICEO则14.5晶体管静态电流(直流)放大系数动态电流(交流)放大系数第51页，共59页，2023年，2月20日，星期日（2）集电极-基极反向截止电流ICBOICBO是指发射极开路，集电极与基极之间加反向电压时产生的电流。μAICBO(a)NPN管V14.5晶体管第52页，共59页，2023年，2月20日，星期日（３）集电极－发射极反向截止电流ICEOICEO是基极开路，集电极与发射极间加电压时的集电极电流。也称为穿透电流。μAbceICEO(a)NPN管14.5晶体管IC≈