第9章半导体二极管、三极管

电子技术集成器件（模拟、数字）模拟电子技术、数字电子技术电子电路：模拟电路：放大电路（运算、功率放大）、电源电路数字电路：组合逻辑电路、数字逻辑电路电子器件：分立器件（二极管、三极管、场效应管）第9章半导体二极管和三极管9.2半导体二极管9.3稳压管9.4半导体三极管第9章目录9.1半导体的导电特性PN结----单向导电性半导体二极管—单向开关半导体三极管—电流放大开关第9章目录分立器件：第9章9.19.1半导体的导电特性9.1.1本征半导体一、导体、绝缘体、半导体导体：外层电子受原子核的束缚力很小，有大量电子能挣脱原子核的束缚力而成为自由电子。它们在外电场作用下作定向运动，从而形成电流，导电性很好。绝缘体：外层电子受原子核的束缚力很大，很不容易挣脱出来，因此形成自由电子的机会很小。导电力差。半导体：外层电子不像导体那样容易挣脱，也不像绝缘体那样束缚得很紧，所以导电性介于两者之间。在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。纯净的没有结构缺陷的半导体单晶体——本征半导体它是共价键结构。图9.1.1本征半导体的共价键结构硅原子价电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4第9章9.1二、本征半导体的晶体结构和共价键+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴本征激发复合图9.1.2本征半导体中的自由电子和空穴成对出现成对消失第9章9.1三、本征半导体中的两种载流子热激发两种载流子电子——空穴对+4+4+4+4+4+4+4+4+4外电场方向空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。空穴移动方向电子移动方向在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。价电子填补空穴第9章9.1第9章9.1四、本征半导体中载流子的浓度在一定温度条件下，实现相对平衡，这时产生与复合的过程虽然仍在不断进行，但电子-空穴对却保持一定的数目。当温度上升时，由于获得的能量的增加，产生的电子—空穴对将随之增加，因此半导体的温度特性不好！+4+4+4+4+4+4+4+49.1.2杂质半导体一.N型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的五价元素,如磷,则形成N型半导体—电子导电。多子—电子少子—空穴施主原子磷原子+4+5多余价电子自由电子正离子第9章9.1图9.1.3N型半导体N型半导体结构示意图少数载流子多数载流子正离子在N型半导中,电子是多数载流子,空穴是少数载流子。第9章9.1因此，N型半导体也被称为电子半导体。在室温下，几乎所有的杂质原子都被电离为带正电的杂质离子和带负电的自由电子。+4+4+4+4+4+4+4空穴二.P型半导体在硅或锗的晶体中掺入少量的三价元素,如硼,则形成P型半导体。+4+4硼原子填补空位+3负离子第9章9.1图9.9.4P型半导体P型半导体结构示意图导电基本上以空穴导电为主，因此，又被称为空穴半导体。电子是少数载流子负离子空穴是多数载流子第9章9.1一、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PN结。扩散—空间电荷区——漂移——动态平衡——PN结。9.1.3PN结第9章9.1多子扩散少子漂移内电场方向空间电荷区P区N区图9.1.5PN结的形成(a)P区与N区中载流子的扩散运动在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。第9章9.1P区N区空间电荷区内电场方向图9.1.5PN结的形成(b)平衡状态下的PN结内电场方向E外电场方向RI二、PN结的单向导电性P区N区空间电荷区变窄扩散运动增强，形成较大的正向电流1.外加正向电压第9章9.1图9.1.6PN结加正向电压时导通P区N区内电场方向ER空间电荷区变宽外电场方向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第9章9.1图9.1.7PN结加反向电压时截止第9章9.1总结：1.PN结的P区接电源的正极，N区接负极时，PN结处于正向导通（正向偏置）：•正向电流由多数载流子扩散形成，电流数值很大；•一旦正向电压稍有改变，电流变化较大；因此表现出的正向动态等效电阻极小！2.PN结的N区接电源的正极，P区接负极时，PN结处于反向截止（反向偏置）：•反向电流由本征激发的少数载流子漂移组成，电流数值较小；•一旦环境温度不变，少数载流子浓度不变且与反向电压无关，因此反向电流具有饱和特性；其动态反向电阻极大；正向电阻极小，反向电阻极大——PN结的单向导电性三、PN结的伏安特性第9章9.1i/mAu/V温度对反向电流的影响：T↑，少子↑，IS↑。图9.1.10PN结的伏安特性正向特性反向特性PN结宽度及电位差Uho为恒定值。硅：0.6～0.8V；锗：0.2～0.3V二极管:PN结+引线二极管的符号阳极,A负极9.2半导体二极管正极阴极,KD作用：整流、检波、限幅稳压、保护特性：单向导电性正极引线触丝N型锗支架外壳负极引线点接触型二极管9.2.1二极管的结构和符号二极管的符号阳极负极9.2半导体二极管正极引线二氧化硅保护层P型区负极引线面接触型二极管N型硅PN结PN结正极阴极D，VD600400200–0.1–0.200.40.8–50–100I/mAU/V正向特性反向击穿特性硅管的伏安特性1.2.2二极管的伏安特性反向特性死区电压I/mAU/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2锗管的伏安特性正向特性反向特性0开启电压Uon（死区电压）:使二极管开始正向导通的电压。室温下，硅管Uon=0.5V；锗管Uon=0.1V。导通电压：硅0.6～0.8V锗0.2～0.3V9.2.3二极管的主要参数1.最大整流电流IOM：长时间工作、允许流过的最大正向平均电流。2.反向工作峰值电压URM：约为击穿电压的一半到三分之一。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。例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。解：DA优先导通，则VY=3–0.3=2.7VDA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。DA–12VYABDBR二极管的应用范围很广,它可用于整流、检波、限幅、钳位、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。DE3VRuiuouRuD例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。ttui/Vuo/V6330022–6ui=?D导通，uo=？ui=?D截止，uo=？分析方法提示9.3稳压管IFUF0正向特性反向击穿区UZIminIZmax伏安特性稳压管是一种特殊的面接触型半导体二极管。稳压管工作在反向击穿区DZ正极负极符号+ui--Uz+稳压二极管DzDz+Uo-iR限流电阻稳压二极管必须和限流电阻配合才能输出相对稳定的电压Uo！稳压原理：i0DZuUIiR0iR0UUuUU0稳压管的主要参数1.稳定电压UZ2.最小稳定电流Imin3.最大稳定电流IZmax4.动态电阻RZIZUZRZ=IZUZ5.电压温度系数VZT6.最大允许耗散功率PMIFUFIminIZmax稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似，但差异在于它的反向特性很陡。9.4半导体三极管三个区（N、P、N或P、N、P）—引出三个极两个PN结电流放大开关ECB符号三极管在电路中的作用：1、放大作用2、开关作用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E三极管的结构分类和符号PECB符号集电区集电结基区发射结发射区CBEN集电极C发射极E基极BNPPN2.PNP型三极管三极管结构的特点：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EP1.基区很薄、掺杂浓度低2.发射区掺杂浓度大3.集电区体积大、掺杂浓度低ECRCICUCECEBUBE共发射极接法放大电路9.4.2电流分配和放大原理三极管具有电流放大作用的外部条件:（1）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。对于NPN型三极管应满足:UBE0UBC0即VCVBVE对于PNP型三极管应满足:UEB0UCB0即VCVBVE输出回路公共端EBRBIB输入回路发射区向基区扩散电子IEIB电子在基区扩散与复合集电区收集电子电子流向电源正极形成ICICNPN电源负极向发射区补充电子形成发射极电流IE三极管的电流放大原理EB正极拉走电子，补充被复合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB＋－＋由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子通过基区扩散的数量远远大于复合的数量。所以：ICIB同样有:ICIBIC=IB所以说三极管具有电流分配作用,也称之为电流放大作用。IE=IC+IBIC=IB晶体管的放大作用含义：（1）放大的对象通常是变化量（交流信号）；（2）对能量的控制，即用较小的能量去控制较大的能量。IBUBE0UCE≥1V死区电压1.三极管的输入特性发射结的伏安特性IB=f(UBE)UCE=常数9.4.3三极管的特性曲线IB=40µAIB=60µAUCE0ICIB增加IB减小IB=20µAIB=常数IC=f(UCE)2.三极管的输出特性iC的大小受iB控制，同时，在IB保持不变的情况下，iC的数值随uCE的增大略有增大。iC/mAuCE/V0放大区三极管输出特性上的三个工作区IB=0µA20µA40µA截止区60µA80µA饱和区（2）截止区：IB≤0的区域，两结反偏。严格说，IE=0,即IC≤ICBO的区域，管子基本不导电。（1）放大区：发射结正偏，集电极反偏。特性曲线的平坦部分。满足有电流控制作用。CBCEOIII（3）饱和区：两结正偏，靠近纵轴的区域。IB增加，IC不再增加，不受IB的控制，IC只随UCE增加而增加。三极管的三种状态1、放大状态：2、截止状态：3、饱和状态：发射结正向导通；集电结反向截止；IB与Ic成正比线性关系：CBII发射结截止；集电结反向截止；IB=0、0IC发射结正向导通；集电结正向导通；IB与Ic成不成正比线性关系：BCII＜例题1：如测得某三极管正常放大时的三个极的电位值依次为：2.5V、1.8V、6.4V，则其对应的管脚极性依次为，该三极管为型三极管，半导体材料为。解题思路：1.判断管脚：放大状态下，B极电位居中；E极电位接近B极；C极电位远离B、E极。2.判断类型：如C极电位最高，则是NPN型；如C极电位最低，则是PNP型。3.判断材料：为0.6～0.8V，是硅材料；如为0.2～0.3V,是锗材料。BEUCEBNPN硅9.4.4三极管的主要参数1.电流放大系数(1)直流电流放大系数(2)交流电流放大系数=ICIB2.穿透电流ICEO3.集电极最大允许电流ICM4.集--射反向击穿电压U(BR)CEO5.集电极最大允许耗散功率PCM极限参数使用时不允许超过!=ICIB例题2：已知某三极管的Ib=50±20μA，Ic=20±18mA。则该三极管的β=，。BICIBICI60µA020µA1.52.3在输出特性上求,=ICIB=1.5mA40µA=37.5=ICIB=2.3–1.5(mA)60–40(µA)=40设UCE=6V,IB由40µA加为60µA。IC/mAUCE/VIB=40µA60IB=0µA20µA40µA60µA80µA由三极管的极限参数确定安全工作区安全工作区过损耗区PCM曲线第9章9.4IC/mAUCE/VICEOICMU(BR)CEO第9章复习一、基本概念（用最精炼的语言概括）第9章自我检查复习本征半导体；共价键；载流子；杂质半导体；PN结；导通和截止；死区；电流静、动态放大系数；三极管的截止、放大和饱和；二、基本要求（用最精炼的语言概括）1、掌握半导体的特性；2、掌握PN结单向导电性的原理；3、熟练应用二极管和三极管的特性曲线分析工作转态和趋势；4、掌握稳压管的工作原理；5、掌握二极管和三