九(半导体二极管和三极管)

第9章

二极管和晶体管成都大学工业制造学院9.1半导体的导电特性9.2PN结9.3半导体二极管9.4稳压二极管9.5半导体三极管9.6光电器件目录9.1半导体的导电特性半导体——导电能力介乎于导体和绝缘体之间的物质。半导体导电特性——热敏特性、光敏特性、掺杂特性返回物质按导电能力不同，可分为：导体、半导体、绝缘体热敏性：温度升高，导电能力增强

——可做成温度敏感元件，如热敏电阻光敏性：光照增强，导电能力增强

——可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管掺杂性：纯净半导体中掺入某些杂质，导电能力增强

——可做成各种用途半导体器件，如二极管、三极管1、本征半导体定义：完全纯净的、具有晶体结构的半导体应用最多的本征半导体是锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.硅的原子结构返回纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构。本征半导体晶体结构中的共价健结构1、本征半导体共价键价电子SiSiSiSi每个原子的一个价电子与相邻一原子的价电子组成共价键结构。返回(1)自由电子与空穴

共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子。同时在共价键中留下一个空穴。空穴SiSiSiSi自由电子返回自由电子空穴(2)热激发与复合现象由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象。

——热激发自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失。

——复合现象温度一定时，本征半导体中的自由电子——空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子——空穴对数目越多。自由电子空穴返回SiSiSiSi(3)半导体导电方式

在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点。——载流子自由电子和空穴温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，因此，温度对半导体器件性能的影响很大。SiSiSiSi价电子空穴当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动。返回(1)N型半导体形成：

在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。多余电子SiSiP+Si2、杂质半导体定义：渗入少量杂质的半导体特点：含有大量电子——多数载流子含有少量空穴——少数载流子返回硅晶体中掺磷出现自由电子——电子导电，电子型半导体(2)P型半导体

形成：

在硅或锗晶体中掺入少量的硼（或其它三价元素）。空穴SiSiB-Si硅晶体中掺硼出现空穴——空穴导电，空穴型半导体特点：含有大量空穴——多数载流子含有少量电子——少数载流子返回杂质半导体中多数载流子的数量取决于：返回注意掺杂的浓度温度的高低温度越高，少数载流子越多浓度越高，多数载流子越多杂质半导体中少数载流子的数量取决于：

9.2PN

结9.2.1PN结的形成自由电子PN空穴返回多数载流子因浓度上的差异而形成的运动称为扩散运动；少数载流子在内电场作用下的运动称为飘移运动。内电场方向自由电子PN空间电荷区空穴多数载流子扩散到对方区域后发生复合现象而消失，在交界面的两侧分别留下了不能移动的正负离子，呈现出一个空间电荷区——PN结同时，由正、负离子还会产生一个内电场，使少数载流子发生飘移运动。返回扩散运动和漂移运动的动态平衡扩散强漂移运动增强内电场增强两者平衡PN结宽度基本稳定外加电压平衡破坏扩散强漂移强PN结导通PN结截止返回9.2.2PN结的单向导电性1、外加正向电压（PN结正偏）–+变窄PN内电场方向外电场方向RIPN结正偏PN结呈低阻，正向导通状态外电场与内电场方向相反有利于扩散进行扩散>飘移PN结变窄外部电源不断提供电荷产生较大的扩散电流I正返回2、外加反向电压（PN结反偏）+

-变宽PN内电场方向外电场方向RI=0PN结反偏PN结呈高阻，反向截止状态外电场与内电场方向相同有利于漂移进行飘移>扩散PN结变厚外部电源不断提供电荷产生较小的反向电流I反

返回PN结具有单向导电性

PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。

PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。结论返回9.3半导体二极管1、基本结构引线外壳触丝N型锗片点接触型PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。返回结面积小，通过电流小，适用于高频和小功率的工作。PN结阴极引线铝合金小球金锑合金底座N型硅阳极引线面接触型表示符号结面积大，通过电流大，工作频率较低，常用作整流。返回阳极阴极2、伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压(1)半导体二极管的伏安特性曲线是非线性的。返回二极管的伏安特性曲线特点：定义：二极管电流与电压之间的关系。硅管：约0.6-0.7V锗管：约0.2-0.3V(2)正向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压二极管的伏安特性曲线特点：返回死区电压：使二极管导通，阴阳极之间的最小电压差。硅管：约0.5V锗管：约0.1V正向压降：二极管正向导通后的压降。反向击穿电压：产生击穿时的电压。(3)反向特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/µA-20-40反向死区电压击穿电压二极管的伏安特性曲线特点：反向电流：二极管上加反向电压时，会产生很小反向电流击穿：反向电压加大至某一数值时，反向电流突然增大。击穿时，二极管失去单向导电性。返回3、主要参数(1)最大整流电流IOM

二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。(2)反向工作峰值电压URWM

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1/2或2/3。(3)反向峰值电流IRM

二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。返回4、应用举例主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。例1:

图中电路，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。所以：VY=+3V解：DA优先导通，DA导通后，DB上加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用DB起隔离作用-12VAB+3V0VDBDAY其中：返回钳位：将电压钳制在某一电位处隔离：截止例3：见书p264，9.2.4例2：见书p267，9.2.8返回9.4稳压二极管一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。1、稳压二极管表示符号稳压二极管返回正向+-反向+-IZUZ2、稳压管的伏安特性稳压管的反向特性曲线比较陡。U/VI/mA0IZIZMUZ

稳压管的伏安特性曲线返回(1)正向特性同普通二极管(2)反向特性为稳压二极管特点：

正向+-反向+-IZUZU/VI/mA0IZIZMUZ稳压管的伏安特性曲线稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。3、稳压管的稳压原理较小的

U较大的I

在一定的范围内，反向击穿具有可逆性返回4、主要参数（2）电压温度系数αU

（1）稳定电压UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。说明稳压管受温度变化影响的系数。（3）动态电阻rZ

指稳压二极管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。稳压二极管的反向伏安特性曲线越陡，动态电阻越小，稳压性能越好。（4）稳定电流IZ（5）最大允许耗散功率PZM稳压管在正常工作下管子中通过电流。稳压管不致发生热击穿的最大功率损耗PZM=UZIZM。返回例4：见书p266，9.3.4返回9.5半导体三极管1、基本结构

结构平面型

合金型

NPN

PNP返回半导体三极管又称晶体管，是最重要的半导体器件，主要用于电流放大和控制电路开断状态。B(基极)NNP发射区基区集电区集电结发射结(发射极)EC(集电极)NNPBECCEB1、基本结构（NPN）返回B(基极)PPN发射区基区集电区集电结发射结(发射极)EC(集电极)PPNBECCEB1、基本结构（PNP）返回2、电流分配和放大原理µAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE共发射极接法返回共发射极接法：晶体管接成两个电路，基极电路和集电极电路，其中发射极是公共端。注：三极管要起放大作用(NPN型时)发射结必正偏，集电结必反偏。用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论RBEC++__EBEBCNNP返回发射结正偏发射区的电子向基区发射形成发射极电流IE1、发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。IE由扩散运动形成RBEC++__EBEBCNNP2、电子在基区中有复合现象，形成基极电流IB部分到达基区的电子，被EB拉走，与空穴发生复合现象形成稳定的基极电流IBIB由复合运动形成返回RBEC++__EBEBCNNP3、集电极收集电子，形成集电极电流IC集电结反偏集电区收集从基区飘移过来的电子形成集电极电流ICIC由飘移运动形成返回RBEC++__EBEBCICIBIE返回NNP各电流方向：当三极管为PNP型时，要起放大作用，EB和EC要反接。发射结正偏，集电结反偏即：三极管电流测量数据(NPN)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05返回实验及测量结果可得出如下结论：

IE=IC+IB

符合基尔霍夫电流定律；

IE≈IC，且IC、IE比IB

大的多；

ΔIC比ΔIB大的多；当IB=0（将基极开路）时，IE=IC<0.001mA。返回电流放大静态电流放大系数动态电流放大系数即：基极高电平集电极和发射极间短路基极低电平集电极和发射极间开路控制电路开断3、特性曲线用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。返回µAmAVIBICRBEC++__EBBCEV+_+_UBEUCEC(1)输入特性曲线死区电压：硅管：0.5伏左右锗管：0.1伏左右正常工作时，发射结的压降：NPN型硅管UBE=0.6~0.7VPNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V00.40.8UBE/VIB/µA80604020UCE>1

返回定义：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。输入特性曲线

UCE>1，满足三极管工作于电流放大作用的前提：发射结正偏、集电结反偏。小结(1)硅管UBE=0.6-0.7V(2)锗管UBE=0.2-0.3V(3)NPN型三极管要处于放大状态，则：发射结正偏、集电结反偏UBE>0UB>UEUCB>0UC>UBUC>UB>UE(4)PNP型三极管要处于放大状态，则：发射结正偏、集电结反偏UBE<0UB<UEUCB<0UC<UBUE>UB>UC返回例5：由如下三极管三个极的电压值，判断以下三极管的组成材料和类型，并标出发射极电流方向。11.3V12V0V12V0V12.2V12V15V11.8V返回硅管锗管锗管BBBEEECCCNPNPNPPNP例6：p266，9.4.8不同的IB值，对应不同的输出曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002返回(2)输出特性曲线定义：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。输出特性曲线晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：放大区、截止区、饱和区A、放大区（线性区）定义：输出特性曲线的近似水平部分。

发射结正向偏置集电结反向偏置返回输出特性曲线UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002放大区B、截止区定义：IB=0曲线以下的区域为截止区IB=0时，IC<0.001mAUCE≈UCC返回输出特性曲线UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002截止区发射结反向偏置集电结反向偏置当UCE<UBE时，晶体管工作处于饱和状态。在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例。返回C、饱和区输出特性曲线UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002饱和区发射结正向偏置集电结正向偏置小结(1)三极管处于放大区——发射结正偏，集电结反偏(2)三极管处于截止区——发射结反偏，集电结反偏(3)三极管处于饱和区——发射结正偏，集电结正偏返回例7：根据下面各电压值，判断三极管材料、类型和工作状态。VBVCVET1-0.3-0.50T22.732.32T1：锗管UBE=-0.3VPNPUCB=-0.2V放大T2：硅管UBE=0.73VNPNUCB=-0.43V饱和返回返回例8：如下图中，UCC=6V，RC=3KΩ,RB=10KΩ,β=25。当输入电压UBB分别为3V，1V和-1V时，试问三极管处于何种工作状态。解：三极管饱和时，集电极电流为：三极管刚饱和时，基极电流为：(1)当UBB=3V时三极管处于饱和状态(2)当UBB=1V时三极管处于放大状态(3)当UBB=-1V时，三极管处于截止状态。返回练习题：p266，9.4.10返回4、主要参数(1)电流放大系数：静态电流（直流）放大系数：动态电流（交流）放大系数返回例9：从下图所给的三极管的输出特性曲线上，(1)计算Q1点处的β；(2)由Q1和Q2两点，计算β。UCE/V13436912IC/mA10080604020µAIB=002Q1Q21.52.3返回解：(1)Q1点处，UCE=6V，IB=40uA=0.04mA，IC=1.5mA(2)在Q1和Q2两点处返回注意：两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用。对于同