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1、(14-1)第十四章 二极管和三极管 14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件第1页/共77页(14-2)导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性导体、半导体和绝缘体第2页/共77页(14-3)半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：当受外
2、界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化-热敏特性、光敏特性。往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变-掺杂特性。第3页/共77页(14-4)本征半导体一、本征半导体的结构GeSi 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。第4页/共77页(14-5)本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。硅和锗的晶体结构：第5页/共77页(14-6)硅和锗的共价键结
3、构共价键共用电子对+4+4+4+4+4表示除去价电子后的原子第6页/共77页(14-7)共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。+4+4+4+4第7页/共77页(14-8)二、本征半导体的导电机理在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。在常温下，由于热激发，使一些
4、价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。1.载流子、自由电子和空穴第8页/共77页(14-9)+4+4+4+4自由电子空穴束缚电子自由电子、空穴成对出现自由电子、空穴成对出现第9页/共77页(14-10)2.本征半导体的导电机理+4+4+4+4 在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动第10页/共77页(14-11)温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力
5、越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。本征半导体中电流由两部分组成：1.自由电子移动产生的电流。2.空穴移动产生的电流。第11页/共77页(14-12)N 型半导体和P 型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。第12页/共77页(14-13)一、N 型半导体+4+5+4+4多余电子磷原子在硅或锗晶体中掺入少
6、量的五价元素磷（或锑）五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。第13页/共77页(14-14)N 型半导体中的载流子是什么？1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第14页/共77页(14-
7、15)二、P 型半导体在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼（或铟）三价元素硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻的半导体原子形成共价键时，产生一个空位。这个空位可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。+4+4+3+4空位硼原子P 型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。空穴第15页/共77页(14-16)三、杂质半导体的示意表示法P 型半导体+N 型半导体 杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。一般近似认为多子与杂质浓度相等。第16页
8、/共77页(14-17)4.4.在外加电压作用下，在外加电压作用下，P P 型半导体中电流主要型半导体中电流主要 是是 ，N N 型半导体中电流主要是型半导体中电流主要是 。（a.a.电子电流、电子电流、b.b.空穴电流）空穴电流）1.1.在杂质半导体中多子的数量与在杂质半导体中多子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。2.2.在杂质半导体中少子的数量与在杂质半导体中少子的数量与 （a.a.掺杂浓度、掺杂浓度、b.b.温度）有关。温度）有关。3.3.当温度升高时，少子的数量当温度升高时，少子的数量 （a.a.减少、减少、b.b.不变、不变、c.c.增多）。增多
9、）。a ab bc cb ba a 课堂练习 第17页/共77页(14-18)PN 结的形成在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。14.2 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性第18页/共77页(14-19)P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。空间电荷区，也称耗尽层。第19页/共77页(14-20)P型半导体N型半导体+扩散运动内电场E漂移运动 当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，
10、空间电荷区的厚度固定不变。第20页/共77页(14-21)+空间电荷区N 型区P 型区电位VV0第21页/共77页(14-22)1.空间电荷区中几乎没有载流子。2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N区中的自由电子（都是多子）向对方运动（扩散运 动）。3.P 区中的自由电子和N 区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。注意:第22页/共77页(14-23)PN结的单向导电性 PN 结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P 区加正电压、N 区加负电压。PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负电压、N 区加正电压。第23页/共77页(14-24)一、PN 结加正向电
11、压内电场外电场变薄PN+RE+_ 内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向电流。第24页/共77页(14-25)二、PN 结加反向电压+内电场外电场变厚NP+_RE 内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流。第25页/共77页(14-26)总结：1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻，反向电流很小。PN 结具有单向导电性第26页/共77页(14-27)14.3 二极管发光 稳压 整流检波 开关第27页/共77页(14-28)第28页/共77页(14-29)一、基本结构：PN
12、 结加上管壳和引线。结面结面积小、积小、结电容结电容小、正小、正向电流向电流小。用小。用于检波于检波和变频和变频等高频等高频电路。电路。结面积结面积大、正大、正向电流向电流大、结大、结电容大，电容大，用于工用于工频大电频大电流整流流整流电路。电路。用于集用于集成电路成电路制作工制作工艺中。艺中。PNPN结结结面积结面积可大可可大可小，用小，用于高频于高频整流和整流和开关电开关电路中。路中。第29页/共77页(14-30)UI硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0 0.1V.1V反向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电外加电压大于死区电压，二极管才能导通。压，二极管才能导通。外加电压大于反
13、向击外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。穿，失去单向导电性。正向特性反向特性硅硅0 0.60.8V.60.8V锗锗0 0.2.20.3V0.3V死区电压PN+PN+反向电流在一定电压范围内保持常数。二、伏安特性：非线性第30页/共77页(14-31)三、主要参数1.最大整流电流 IOM二极管长时间使用时，允许流过二极管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U(BR)的一半或三分之二。点接触型D 管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至
14、过热而烧坏。第31页/共77页(14-32)3.反向峰值电流 IRM指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（V阴 导通 V阳 0 导通 UD VB故：DA优先导通 DB截止若：DA导通压降为0.3V则：VY=2.7V解：P12：例DA-12VVAVBVYDBR第37页/共77页(14-38)例例3 3：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。因：VA 8V 8V，二极管导通，可看作短路，二
15、极管导通，可看作短路 u uo o=8V=8V u ui i 8V 8V，二极管截止，可看作开路，二极管截止，可看作开路 u uo o=u ui i已知：已知：二极管是理想的，试画出二极管是理想的，试画出 u uo o 波形。波形。8V8V例例4 4：二极管的用途：二极管的用途：整流、检波、整流、检波、限幅、钳位、开限幅、钳位、开关、元件保护、关、元件保护、温度补偿等。温度补偿等。u ui i18V18V参考点参考点二极管阴极电位为二极管阴极电位为 8 V8 VD D8V8VR Ru uo ou ui i+第39页/共77页(14-40)UI硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0 0.1V.1V反
16、向击穿电压U(BR)导通压降 外加电压大于死区电外加电压大于死区电压，二极管才能导通。压，二极管才能导通。外加电压大于反向击外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。穿，失去单向导电性。硅硅0 0.60.8V.60.8V锗锗0 0.2.20.3V0.3V死区电压PN+PN+反向电流在一定电压范围内保持常数。伏安特性：非线性第40页/共77页(14-41)UI 理想二极管：正向导通-管压降为零 反向截止-相当于断开导通压降硅硅0 0.7V.7V锗锗0 0.2.2V V硅管硅管0.5V0.5V锗管锗管0 0.1V.1V死区电压0V0V第41页/共77页(14-4
17、2)符号 UZIZIZM UZ IZ伏安特性 稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。使用时要加限流电阻稳压原理：稳压原理：稳稳压管反向击穿压管反向击穿以后，电流变化很以后，电流变化很大，但其两端电压大，但其两端电压变化很小。变化很小。_+UIO14.4 稳压二极管曲线越陡电压越稳第42页/共77页(14-43)(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)电压温度系数 U 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。(3)动态电阻(4)稳定电流 IZ、最大稳定电流 IZM(5)最大允许耗散功率 PZM=UZ IZMrZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。稳压二极管
18、的主要参数:第43页/共77页(14-44)例例1 1：已知：Uz=12V，IZM=18mA，R=1.6K。试求：Iz=?限流电阻 R 的阻值是否合适？解：Iz=(20 Uz)/R =(20-12)/1.6x103 =5mA因：IZ IZM故：限流电阻 R 的阻值合适+IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mA第44页/共77页(14-45)14.5 晶体管(a)金属圆壳封装三极管 (b)塑料封装三极管 (c)大功率三极管 第45页/共77页(14-46)基本结构常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型(a)平面型(b)合金型BEP型硅N型硅SiO2保护膜铟球N型锗N型硅CBECP
19、P铟球结构图第46页/共77页(14-47)NPN型晶体管PNP型晶体管发射区发射区集电区集电区基区基区集电结集电结发射结发射结基极基极发射极发射极集电极集电极CENNPB发射区发射区集电区集电区基区基区发射结发射结集电结集电结集电极集电极发射极发射极基极基极CEPPNBNNCEBPCETBIBIEIC符号BECPPNETCBIBIEIC符号第47页/共77页(14-48)基区：最薄，基区：最薄，掺杂浓度最低掺杂浓度最低发射区：掺发射区：掺杂浓度最高杂浓度最高发射结发射结集电结集电结B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极结构特点：结构特点：集电区：集电区：面积最大
20、面积最大第48页/共77页(14-49)B BEC CN NN NP P 三极管放大的外部条件：三极管放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏发射结正偏、集电结反偏 PNP PNP发射结正偏发射结正偏 V VB B V VE E集电结反偏集电结反偏 V VC C V VE E集电结反偏集电结反偏 V VC C V VB B EBRBE EC CRC电流分配和放大原理从电位的角度看第49页/共77页(14-50)晶体管电流放大的实验电路 设设 E EC C =6 6 V V，改改变变可可变变电电阻阻 R RB B，则则基基极极电电流流 I IB B、集集电电极极电电流流 I IC C 和和发发射射
21、极极电电流流 I IE E 都都发发生生变变化化，测测量量结果如下表：结果如下表：各电极电流关系各电极电流关系及电流放大作用及电流放大作用mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100第50页/共77页(14-51)I IB B(mA)(mA)I IC C(mA)(mA)I IE E(mA)(mA)0 00.020.020.040.040.060.060.080.080.100.100.000.001 10.700.701.501.502.302.303.103.103.953.950.00IC，称为饱和区第62页/共77页(14-63)IC(mA )1234UCE(
22、V)36912IB=020A40A60A80A100A0 此区域中：IB=0,IC=ICEO UBE UBE，IC=IB,且 IC=IB+UBE 0 CT E ICIEIB+UCEB -UBC IC+IEB+UBE 0 CT E -UBC 0+第65页/共77页(14-66)(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。UBE 死区电压，IB=0，IC=ICEO 0 IC=0IB=0+UCE UCCIEB+UBE 0 CT E -UBC 0+第66页/共77页(14-67)例例1:1:=50，USC =12V,RB=70k，RC=6k 当USB=-2V，2V，5V 时，晶体管工作于哪 个区？解：当US
23、B=-2V时：ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBEIB=0，IC=0T 管工作于截止区 第67页/共77页(14-68)T 管工作于放大区ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBE解：USB=2V时：IC最大饱和电流：第68页/共77页(14-69)解：USB=5V时:ICUCEIBUSCRBUSBCBERCUBET 管工作于饱和区，因IC 和IB 已不是 倍的关系IC最大饱和电流：第69页/共77页(14-70)三、主要参数 前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射直流电流放大倍数：工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上
24、的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：1.电流放大倍数和 第70页/共77页(14-71)2.2.集集-基极反向截止电流基极反向截止电流 I ICBOCBO I ICBOCBO是由少数载流子的是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。受温度的影响大。温度温度I ICBOCBO ICBOA+EC3.3.集集-射极反向截止电流射极反向截止电流(穿透电流穿透电流)I ICEOCEOAICEOIB=0+I ICEOCEO受温度的影响大。受温度的影响大。温度温度I ICEOCEO，所以所以I IC C也也相应增加。相应增加
25、。三极管的温度三极管的温度特性较差。特性较差。第71页/共77页(14-72)4.集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC上升会导致三极管的 值的下降，当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO 基极开路时，加在集-射极之间的最大允许电压，称为集-射极反向击穿电压。手册上给出的数值是25C的值。温度上升时，其值将降低。第72页/共77页(14-73)6.集电极最大允许功耗PCM 集电极电流IC 流过三极管，所发出的焦耳 热为：PC=ICUCE 必定导致结温 上升，所以PC 有限制。PCPCMICMU(BR)CEO安全工作区ICUCE0ICUC
26、E=PCM第73页/共77页(14-74)例例2 2：现测得放大电路中两晶体管各管脚电位如下：a：V1=12V，V2=3.7V，V3=3V；b：V1=-6V，V2=-2.1V，V3=-1.9V 试判别各管的管脚、类型、材料。解：方法：先确定 b、e、c 脚,然后确定材料、类型a：脚2=b 脚 脚3=e 脚 脚1=c 脚 硅管,NPN管b：脚2=b 脚 脚3=e 脚 脚1=c 脚 锗管,PNP管PNP管NPN管+第74页/共77页(14-75)14.6 光电器件 发光二极管 光电二极管 光电晶体管 有兴趣的同学自学！第75页/共77页(1-76)结结 束束 第76页/共77页(14-77)感谢您的观看！第77页/共77页