半导体二极管和三极管

半导体二极管和三极管第一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.1

半导体的导电特性(2).半导体的导电特性：掺杂性：光敏性：热敏性：(1).半导体导电能力介乎于导体和绝缘体之间。温度↑→导电能力↑光照↑→导电能力↑掺杂↑→导电能力1.概念⑶常用的半导体材料硅

Si原子结构:2-8-4锗

Ge原子结构:

2-8-18-4第二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.1.1

本征半导体

完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。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⑴本征半导体第三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五

Si

Si

Si

Si价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，少量价电子即可挣脱原子核的束缚，而成为自由电子（带负电），同时在共价键中就留下一个空位，称为空穴（带正电）。(2)本征激发这一现象称为本征激发。空穴自由电子自由电子本征激发成对产生空穴第四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五(3)本征半导体的导电机理

当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流

①自由电子作定向运动

电子电流②

仍被原子核束缚的价电子递补空穴

空穴电流注意：

(1)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。

(2)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；自由电子和空穴都称为载流子。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。第五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.1.2N型半导体和P型半导体

Si

Si

Si

Sip+磷原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。⑴N型半导体本征半导体中掺入微量的五价元素(如磷,原子结构:2-8-5)特点：多数载流子——自由电子少数载流子——空穴N型半导体++++++++示意图第六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五

Si

Si

Si

SiB–⑵P型半导体特点：多数载流子——空穴少数载流子——自由电子多数载流子数目由掺杂浓度确定少数载流子数目与温度有关.温度↑→少子↑结论：本征半导体中掺入微量的三价元素(如硼,原子结构:2-3)无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。P型半导体－－－－－－－－示意图第七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五

1.在杂质半导体中多子的数量与

（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

2.在杂质半导体中少子的数量与（a.掺杂浓度、b.温度）有关。

3.当温度升高时，少子的数量（a.减少、b.不变、c.增多）。abc

4.在外加电压的作用下，P型半导体中的电流主要是

，N型半导体中的电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）ba思考题：第八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.1.3PN结及其单向导电性

1PN结的形成多子的扩散运动内电场少子的漂移运动浓度差P型半导体N型半导体

内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。

扩散的结果使空间电荷区变宽。扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－动画形成空间电荷区第九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五2PN结的单向导电性(1).PN结加正向电压（正向偏置）PN结变窄

P接正、N接负外电场IF内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的正向电流。

PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。内电场PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++动画+–第十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五PN结变宽(2).PN结加反向电压（反向偏置）外电场

内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。IR

P接负、N接正温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。动画–+

PN结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.2半导体二极管9.2.1基本结构(a)点接触型(b)面接触型点接触型：结面小、结电容小，适用高频小电流场合。如：检波电路、数字开关电路结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。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

)面接触型阴极阳极(

c

)符号D第十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五半导体二极管图片第十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五半导体二极管图片第十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.2.2.伏安特性UBR——

反向击穿电压⑴正向特性死区电压=0.1V（锗管）0.5V（硅管）UD=0.2~0.3V

（锗管）0.6~0.7V

（硅管）导通时的正向压降：⑵反向特性UIo死区电压+--+UBRUD第十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五UIoUBRUDID⑶温度对二极管的影响①温度升高二极管正向压降减小温度↑→载流子↑→→导电能力↑→等效电阻↓→→正向压降UD↓②温度升高二极管反向电流增大温度↑→少数载流子↑→反向电流↑温度每升高10°C。反向电流增大一倍。第十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五⑷理想二极管的开关特性正向导通反向截止+-开关闭合+-开关断开第十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.2.3.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。（点接触型<几十mA，面接触型较大）（2）反向工作峰值电压URWM二极管不被反向击穿时允许承受的最大反向电压。一般URWM是UBR的一半（或三分之二）。（3）反向峰值电流IRM

二极管上加反向工作峰值电压URWM

时的反向电流。IRM愈小愈好。第十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五二极管的单向导电性1.二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负）时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。2.二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正）时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。

3.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。

4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。总结:第十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五二极管电路分析举例定性分析：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(正向偏置)，二极管导通若V阳

<V阴或UD为负(反向偏置)，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。第二十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五FAB-12V0V+3VDARDB例1电路中，输入端VA=+3V，VB=0V，试求输出端F的电位VF。解：∵

UDA>UDB

∴DA优先导通，DB截止。∵

VA阳

=3V，VB阳=0V，VA阴

=VB阴=－12VUDA=15V，UDB=12V若忽略管压降，二极管可看作短路，VF=3V否则，VF低于3V一个管压降，为2.7Ｖ或2.3V第二十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五电路如图，求：UAB

V阳

=－6VV阴=－12VV阳>V阴二极管导通若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB=－6V否则，UAB低于－6V一个管压降，为－6.3Ｖ或－6.7V

取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。在这里，二极管起钳位作用。D6V12V3kBAUAB+–例2第二十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五ui>8V，二极管导通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二极管截止，可看作开路uo=ui已知：二极管是理想的，试画出uo

波形。8V二极管的用途：

整流、检波、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。ui18V参考点二极管阴极电位为8VD8VRuoui++––动画例3第二十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五例4ui

RD（a）uoui

RD（b）uo图示两个电路。已知ui

=10sinωt（V），试画出输出电压uo的波形。解：⑴图(a)ui

＞0，D

导通，uo=0，

ui

＜0，D

截止，uo=ui

⑵图(b)ui

＞0，D导通，uo=ui

，

ui

＜0，D截止，uo=010Voωtui-10Voωtui10Voωtui第二十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五两个二极管的阴极接在一起取B点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。V1阳

=－6V，V2阳=0V，V1阴

=V2阴=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2优先导通，D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V求：UAB在这里，D2起钳位作用，D1起隔离作用。BD16V12V3kAD2UAB+–例5第二十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.3稳压二极管1.结构和符号UIUZIZIZMUZIZoab-+DZ符号面接触型硅二极管2.伏安特性正向特性与普通硅二极管相同⑴未击穿区（oa段）I≈0，反向截止⑵击穿区（稳压区

ab段）特性陡直，电压基本不变，具有稳定电压作用动态电阻：动态电阻愈小稳压效果愈好⑶热击穿区（b点以下线段）过热烧坏PN结稳压管正常工作时加反向电压第二十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五3.稳压二极管的参数（2）电压温度系数U（1）稳定电压UZ稳压管的稳压值（3）动态电阻

越小，稳压性越好温度变化1°C，稳压值变化的百分数。（4）稳定电流IZ、最大稳定电流IZM使用时稳压管的电流要大于IZ，小于最大稳定电流IZM（5）最大允许功耗PZM稳压管不发生热击穿的最大功率损耗第二十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.4半导体三极管9.4.1基本结构B基极E发射极C集电极NPN型PNP型NNP发射结集电结BECIBIEICTBECIBIEICTB基极E发射极C集电极PPN硅管主要是平面型,锗管都是合金型。硅管多为NPN型,锗管多为PNP型。第二十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五BECNNP基极发射极集电极基区：掺杂浓度最低并且很薄集电区：掺杂浓度较低发射区：掺杂浓度最高9.4.2.电流分配和放大原理1.晶体管的电流放大的条件

(1)内部条件

三个区掺杂浓度不同，厚薄不同。第二十九页，共四十四页，编辑于2023年，星期五(2)外部条件

发射结加上正向电压，集电结加上反向电压NNPBEC++－－BECT++－－UBE

UBCPPNBEC－－++BECT－－++UBE

UBC即：NPN型或VB>VE,VC>VB

PNP型为：或VB<VE,VC<VB第三十页，共四十四页，编辑于2023年，星期五2.晶体管的电流分配关系

mAAmAIETRBIBECEBICRC+－－+共发射极放大实验电路第三十一页，共四十四页，编辑于2023年，星期五②IC、IE>>IBIC与IB之比称为静态电流（直流）放大系数①IE=IC+IB结论：IB(mA)

0

0.02

0.040.060.08

0.10IC(mA)<0.001

0.701.502.303.103.95IE(mA)<0.001

0.721.542.363.184.05晶体管电流测试数据

第三十二页，共四十四页，编辑于2023年，星期五结论：③ΔIC、ΔIE>>ΔIB

，ΔIC与ΔIB之比称为动态电流（交流）放大倍数IB(mA)

0

0.02

0.040.060.08

0.10IC(mA)<0.001

0.701.502.303.103.95IE(mA)<0.001

0.721.542.363.184.05晶体管电流测试数据

第三十三页，共四十四页，编辑于2023年，星期五IC电子在基区与空穴复合，形成电流IB，复合机会小，IB小IBIE发射结正偏，发射区向基区发射(扩散)电子，形成发射极电流IE3.放大原理BENNPEBRBEC+－+-+-+集电结反偏，扩散到基区的电子被收集(漂移)到集电区形成IC，收集能力强，IC大C第三十四页，共四十四页，编辑于2023年，星期五9.4.3特性曲线及主要参数ICmAAV1V2UCEUBERBIBECEB

实验线路输入回路→输入特性IB=f（UBE）|UCE输出回路→输出特性IC=f（UCE）|IB第三十五页，共四十四页，编辑于2023年，星期五死区电压，硅管0.5V，锗管0.1V。令UCE=常数IB=f（UBE）1.输入特性工作压降：UBE0.6~0.7V,硅管UBE0.2~0.3V锗管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V0IB=f（UBE

）|UCE3DG100晶体管的输入特性曲线第三十六页，共四十四页，编辑于2023年，星期五2.输出特性1234IC(mA)UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑴放大区IC=f（UCE）|IB第三十七页，共四十四页，编辑于2023年，星期五此区域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死区电压，称为截止区。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑵截止区ICEO第三十八页，共四十四页，编辑于2023年，星期五IC(mA)1234U