第1章半导体二极管和三极管幻灯片资料

第一章半导体二极管和三极管第二章基本放大电路第三章集成运算放大器第七章基本门电路和组合逻辑电路

电子技术讲授内容第一章半导体二极管和三极管1.理解PN结的单向导电性。2.了解半导体二极管的基本类型、伏安特性和主要参数，了解二极管的整流作用、钳位作用和限幅作用。3.了解稳压二极管的主要特性及其稳压作用。4.了解双极型晶体管的基本类型、特性曲线和主要参数，理解晶体管的三种工作状态。基本要求：1半导体的导电特性第一章电路的基本概念和基本定律半导体二极管2半导体三极管4稳压二极管31.半导体的导电特性典型的元素半导体有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。硅原子锗原子硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。1.半导体的导电特性半导体的导电特性(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化(可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强1.半导体的导电特性1.2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。

Si

Si

Si

Si晶体中原子的排列方式硅单晶中的共价健结构共价键中的两个电子，称为价电子。1.半导体的导电特性本征半导体的导电机理

Si

Si

Si

Si价电子空穴自由电子

价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。本征激发：温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。1.半导体的导电特性(5)当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动（漂移运动），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价电子递补空穴空穴电流结论：(1)半导体有两种载流子:（负）电子、（正）空穴。(2)自由电子和空穴成对地产生，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。(3)

载流子的数量少，故导电性能很差。(4)载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温度对半导体器件性能影响很大。1.半导体的导电特性1.3杂质半导体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。

Si

Si

Si

Si多余电子磷原子在常温下即可变为自由电子失去一个电子变为正离子p+掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。掺入五价元素在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。1.半导体的导电特性

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一个电子变为负离子空穴因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或P型半导体。掺入三价元素无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。1.半导体的导电特性(1)N型半导体（电子型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的5价元素特点：（a）含有大量的电子——多数载流子

（b）含有少量的空穴——少数载流子(2)P型半导体（空穴型半导体）形成：向本征半导体中掺入少量的3价元素特点：（a）含有大量的空穴——多数载流子

（b）含有少量的电子——少数载流子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）。abc4.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：1.4PN结的形成及其单向导电性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。空间电荷区也称PN结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。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空间电荷区PN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，形成较大的扩散电流。

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－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–（2）PN结加反向电压（反向偏置）外电场P接负、N接正内电场PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+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。IRP接负、N接正

温度越高少子的数目越多，反向电流随温度升高而增加。–+

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+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－2.半导体二极管2.1基本结构PN阳极阴极两层半导体一个PN结按结面积分点接触型面接触型金属触丝阳极引线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2.半导体二极管(1)点接触型(2)面接触型结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。按材料分硅管锗管按用途分普通管整流管……2.半导体二极管2.2伏安特性二极管电流与电压之间的关系UIOAABB硅锗半导体二极管的伏安特性正向：死区（OA段）:硅管约0.5V，锗管约0.2V；正向导通区:硅管约0.7V，锗管约0.3V反向：截止区（OB段）:I近似为0；击穿区:管子被击穿2.半导体二极管2.2伏安特性二极管电流与电压之间的关系UIOAABB硅锗半导体二极管的伏安特性UIOUDUIO(a)近似特性(b)理想特性2.3主要参数（1）IOM：最大整流电流（2）URM：最高反向工作电压（3）IRM：最大反向电流二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，说明管子的单向导电性越好。小结：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。二极管电路分析：先判断二极管的工作状态导通截止分析方法：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，二极管导通若V阳<V阴或

UD为负，二极管截止

若二极管是理想的，正向导通时管压降为零，反向截止时相当于开路。否则，正向管压降硅0.6~0.7V锗0.2~0.3V例1：分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。–++–aTrDuou2bRLio+–u1uDOuoOu2

tOu2

正半周，Va>Vb，D导通，uo=u2；u2

负半周，Va<Vb，D截止，uo=0。例2：电路如图，求：UABD6V12V3k

BAUAB+–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。例3：求：UAB=？流过D2

的电流，D1承受反向电压。BD16V12V3k

AD2UAB+–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，钳位，使

D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB

=0V流过D2

的电流为D1承受反向电压为－6V例4：当VA=3V，VB=0V时，分析输出端的电位VY。+6VRDAVAVBVYDB-6VRDAVAVBVYDB理想二极管：VY=VB=0V∵

UDB>UDA

∴DB优先导通，DA截止。锗二极管：VY=VB+UD=0.3V硅二极管：VY=VB+UD=0.7V∵

UDA>UDB

∴DA

优先导通，DB截止。理想二极管：VY=VA=3V锗二极管：VY=VA-UD=2.7V硅二极管：VY=VA–UD=2.3V作业P18：1-3，1-5电工技术试验安排时间：第七周周三第二大节（采矿09-1班）第七周周三第三大节（采矿09-2班）第七周周三第四大节（采矿09-3班）第七周周五第二大节（采矿09-4班）

第八周周三第二大节（采矿09-5班）第八周周三第四大节（采矿09-6班）地点：一号实验楼421

1.班长负责将电子档打印为纸质文档，保证每人一份。2.进实验室不得大声喧哗，不得嬉闹，注意安全。3.在实验室不允许玩手机，不允许吃喝，注意保持实验室的整洁卫生。4.实验完成后认真写实验报告，实验报告纸由班长负责统一在五楼杜老师处购买，每人五张。要求：3.稳压二极管符号_+3.1伏安特性UZIZIZM

UZ

IZUIO稳压管正常工作时加反向电压稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。使用时要加限流电阻3.2主要参数（1）稳定电压UZ

稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。（2）动态电阻rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。（3）稳定电流IZ是指某种稳压管进入反向击穿工作区所必需的参考电流，通常该电流为5mA,稳压管的实际电流大于稳定电流时，稳压性能较好。3.3稳压管稳压电路（1）稳电管正向偏置时，相当于一个普通二极管正向偏置的情况。

（2）稳压管反向偏置时①当外加反向电压小于稳压管的稳定电压时，稳压管截止，可视为开路。②当外加反向电压大于或等于稳压管的稳定电压，并且流过稳压管的电流满足一定要求时，稳压管稳压。

例：稳压二极管的稳定电压UZ=5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui分别为直流10V、3V、-5V时，求（1）输出电压UO；（2）若ui=10sinωtV，试画出uo的波形。DZRuoui++––Ui=10V：DZ工作在反向击穿区，稳压，UO=UZ=5VUi=3V：DZ反向截止，UO=Ui=3VUi=-5V：DZ工作在正向导通状态，UO=0Vui=10sinωtV：ui正半周，当ui>UZ，DZ反向击穿，uO=5V当ui<UZ，DZ反向截止，uO=uiui负半周，DZ正向导通，uO=0Vui10V5V

（2）若ui=10sinωtV，uo的波形如下：DZRuoui++––4.半导体三极管4.1基本结构基极发射极集电极NPN型BECPNP型PPN基极发射极集电极NNP符号：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三极管PNP型三极管4.半导体三极管结构特点：基区：最薄，掺杂浓度最低发射区：掺杂浓度最高发射结集电结：面积大BECNNP基极发射极集电极集电区：尺寸最大4.2电流分配和放大原理4.2.1.三极管放大的外部条件BECNNPEBRBECRC发射结正偏、集电结反偏PNP发射结正偏VB<VE集电结反偏VC<VB从电位的角度看：

NPN

发射结正偏VB>VE集电结反偏VC>VB

发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++IE4.2.2各电极电流关系及电流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05结论:1）三电极电流关系IE=IB+IC2）IC

IB

，

IC

IE

3）

IC

IB

把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。4.2.3三极管内部载流子的运动规律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基区空穴向发射区的扩散可忽略。发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。

进入P区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE，多数扩散到集电结。从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。4.2.3三极管内部载流子的运动规律ICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBO可见，集电极电流IC是由ICBO与ICE两部分组成的，

IB是由ICBO和IBE两部分组成的，晶体管的放大是因ICE远大于IBE，其比值为(常用公式)4.3特性曲线即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。为什么要研究特性曲线：1）直观地分析管子的工作状态2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线发射极是输入回路、输出回路的公共端共发射极电路输入回路输出回路测量晶体管特性的实验线路ICEBmA

AVUCEUBERBIBECV++––––++

4.3.1输入特性IB(

A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO特点:非线性死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V。正常工作时发射结电压：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型锗管

UBE0.3V结论:（1）输入特性是发射结的正向特性，它是一条非线性曲线。（2）只有当加在发射结的电压大于死区电压时，晶体管才会出现基极电流。（3）正常工作时，NPN型硅管的发射结电压UBE=0.6～0.7V,PNP型锗管的发射结电压UBE=-0.3V。4.3.2

输出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大区输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区在放大区有IC=

IB

，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止区IB=0以下的区域称为截止区，有IC0

。

对于NPN型硅管，当UBE<0.5V时，已处于截止状态。当UBE<0V时，晶体管可靠截止，此时发射结处于反向偏置。

在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。饱和区截止区（3）饱和区IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O饱和区（3）饱和区

靠近纵轴的区域成为饱和区，晶体管在饱和区工作时的状态称为饱和状态。

当UCE

UBE时，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，

IB

IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。

深度饱和时，

硅管UCES0.3V，

锗管UCES0.1V。4.4主要参数（6个）①电流放大系数，

直流电流放大系数交流电流放大系数当晶体管接成发射极电路时，表示