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1、第15章半导体二极管和三极管第1页，本讲稿共56页本章要求本章要求本章要求本章要求:1.1.1.1.理解理解理解理解PNPN结的单向导电性；结的单向导电性；结的单向导电性；结的单向导电性；2.2.了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义；3.3.理解晶体管的电流分配和放大作用。理解晶体管的电流分配和放大作用。理解
2、晶体管的电流分配和放大作用。理解晶体管的电流分配和放大作用。end 第第15章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管第2页，本讲稿共56页15.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体：半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的间的 物质。物质。半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性第3页，本讲稿共56页 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。应用最多的本征半导应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价四个价电子，都是四价元素。元素。硅的原子结构硅的原子结
3、构15.1.1 本征半导体本征半导体第4页，本讲稿共56页 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，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来 本征半导体晶体结构中的共价健结构本征半导体晶体结构中的共价健结构15.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi共价键共价键价电子价电子第5页，本讲稿共56页自由电子与空穴自由电子与空穴自由电子与空穴自由电子与空穴15.1.1 本征半导体本征半导体 共价键中的电子在共价键中的电子在获得一定能量后，获得一定能量后，即可挣脱原子核的即可挣脱原子核的束缚，成为自由电束缚，成为自由电子子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空穴。留下一个空穴。空穴空
4、穴SiSiSiSi自由自由电子电子第6页，本讲稿共56页热激发与复合现象热激发与复合现象 由于受热或光照产由于受热或光照产生自由电子和空穴生自由电子和空穴的现象的现象-热激发热激发15.1.1 本征半导体本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者同时消失，称为复失，称为复合现象合现象 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由电征半导体中的自由电子子空穴对的数目基空穴对的数目基本不变。温度愈高，本不变。温度愈高，自由电子自由电子空穴对数空穴对数目越多目越多。SiSiSiSi自由电子空穴第7页，本讲稿共56页半导体导电方式半导体导电方式 在半导体中，同在
5、半导体中，同时存在着电子导电时存在着电子导电和空穴导电，这是和空穴导电，这是半导体导电方式的半导体导电方式的最大特点，也是半最大特点，也是半导体和金属在导电导体和金属在导电原理上的本质差别。原理上的本质差别。载流子载流子自由电子和空穴自由电子和空穴 因为，温度愈高，因为，温度愈高，载流子数目愈多，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，导电性能也就愈好，所以，温度对半导所以，温度对半导体器件性能的影响体器件性能的影响很大。很大。15.1.1 本征半导体本征半导体SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端加上当半导体两端加上外电压时，自由电子外电压时，自由电子作定向运动形成电子作定向运动形成电子电流；而
6、空穴的运动电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动相当于正电荷的运动第8页，本讲稿共56页15.1.2 N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中掺在硅或锗的晶体中掺入微量的入微量的磷磷（或其它（或其它五价五价元素）。元素）。自由电子自由电子是多数是多数载流子，载流子，空穴空穴是是少数少数载流子。载流子。电子型电子型半导体半导体或或N N型型半导体半导体SiSiP+Si多余电子第9页，本讲稿共56页15.1.2 N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中掺在硅或锗晶体中掺入入硼硼（或其它（或其它三价三价元素）。元素
7、）。空穴空穴是是多数多数载流子，载流子，自由电子自由电子是是少数少数载流载流子。子。空穴型空穴型半导体或半导体或P P型型半导体。半导体。SiSiB-Si空穴第10页，本讲稿共56页15.1.2 N N型半导体和型半导体和P P型半导体型半导体 不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是但是整个晶体仍然是不带电不带电的。的。end第11页，本讲稿共56页 在在N N型半导体和型半导体和P P型半型半导体的结合面上形成如下导体的结合面上形成如下物理过程物理过程:因浓度差因浓度差空间电荷区空间电荷区形成形成
8、内电场内电场 内电场促使内电场促使少子漂移少子漂移 内电场阻止内电场阻止多子扩散多子扩散 多子的多子的扩散扩散和少子的和少子的漂移漂移达到达到动态平衡动态平衡，PNPN结形成。结形成。多子的多子的扩散扩散运动运动由由杂质离子形成杂质离子形成空间电荷区空间电荷区 P区N区空间电荷区空间电荷区内电场内电场15.2.1 PN结的形成结的形成 15.2 PN结结第12页，本讲稿共56页15.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性1 外加正向电压使外加正向电压使PN结导通结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流基本是结的电流基本是多子的扩散电流多子的扩散电流正向电
9、流正向电流+变窄变窄PN内电场内电场 方向方向外电场方向外电场方向RI第13页，本讲稿共56页15.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性2 外加反向电压使外加反向电压使PN结截止结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流+-变变 宽宽PN内电场内电场 方向方向外电场方向外电场方向RI=0特点特点:受温度影响大受温度影响大原因原因:反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的第14页，本讲稿共56页15.2.2 PN结的单向导电性结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具
10、有单向导电性 （1）PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。正向电流较大。（2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。向电流很小。end第15页，本讲稿共56页15.3 半导体二极管半导体二极管15.3.1 基本结构基本结构15.3.2 伏安特性伏安特性15.3.3 伏安特性的折线化伏安特性的折线化15.3.4 二极管的主要参数二极管的主要参数15.3.1 基本结构基本结构PN结结阴极引线阴极引线铝合金小球铝合金小球金锑合金金锑合金底座底座N型硅型硅阳极引线阳极引线面
11、接触型面接触型引线引线外壳外壳触丝触丝N型锗片型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号第16页，本讲稿共56页15.3.2 伏安特性伏安特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区死区电压电压击穿击穿电压电压 半导体二极半导体二极管的伏安特性管的伏安特性是非线性的。是非线性的。第17页，本讲稿共56页正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区电压死区电压击穿电压击穿电压 死区电压：死区电压：硅管：硅管：0.5伏左右，锗管：伏左右，锗管：0.1伏左右。伏左右。正向压降：正向压降
12、：硅管：硅管：0.7伏左右，锗管：伏左右，锗管：0.2 0.3伏。伏。15.3.2 伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性第18页，本讲稿共56页反向电流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）15.3.2 伏安特性伏安特性正向正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向反向死区电死区电压压击穿电击穿电压压2 反向特性反向特性第19页，本讲稿共56页15.3.2 伏安特性的折线化伏安特性的折线化U0U0USUSUS第20页，本讲稿共56页15.3.3 主要参数主要参数1 最大整流电流最大整流电流IOM：二极管长时间使
13、用时，允许流过的最大正向平均电流。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。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。3 反向峰值电流反向峰值电流IRM:二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。第21页，本讲稿共56页含二极管电路的分析方法确定确定二极二极管的管的工作工作状态状态 根据工根据工作状态用作状态用不同的模不同的模型型代替二代替二极管极管在等效后在等效后的的线性线性电电路中作相路中作相应的分析应的分析若二极管工作在若二极管工作在截止截止状态则可等效为状
14、态则可等效为断开的开断开的开关关若二极管工作在若二极管工作在导通导通状态则可等效为状态则可等效为导通的开导通的开关关U UONONID或电压为或电压为U UONON的的电压源电压源15.3.4 应用举例应用举例 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。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。第22页，本讲稿共56页如何判断二极管的工作状态如何判断二极管的工作状态？步骤步骤1、假设假设二极管截止，即将二极管断开。二极管截止，即将二极管断开。2、计算二极管两端的电压计算二极管两端的电压 UD=V阳阳
15、-V阴阴3、判断：若判断：若 UD0，则二极管工作于，则二极管工作于导通导通状态状态 若若 UD0 UD2=0-（-5）=50则则D1、D2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U0=0D1D2U0R5V第24页，本讲稿共56页（2 2）当）当UA=UB=3V时时设D1、D2截止，则等效电路为截止，则等效电路为由电路，有由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=3-（-5）=80则则D1、D2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V第25页，本讲稿共56页（3 3）
16、当）当UA=3V，UB=0时时设D1、D2截止，则等效电路为截止，则等效电路为由电路，有由电路，有 UD1=3-（-5）=80 UD2=0-（-5）=50则则D1、D2处于导通状态，处于导通状态，电路可等效为电路可等效为所以，所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出现矛盾！即出现矛盾！即D D1 1、D D2 2不可能不可能同时导通！同时导通！合理的情况是：合理的情况是：D1导通，导通，D2截止。截止。D1D2U0R5V3V第26页，本讲稿共56页（4 4）当）当UA=0，UB=3V时时所以，所以，U0=3V同理可得：同理可得：D1截止，截止，D2导通导通。D
17、1D2U0R5V3VendUAUBD1D2U0R5V综上所述：综上所述：当当UA、UB中有一个为中有一个为3V时，输出时，输出UO为为3V“或或”逻辑逻辑第27页，本讲稿共56页15.4 稳压管稳压管 一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中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。与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。1 1 稳压管表示符号稳压管表示符号：第28页，本讲稿共56页正向+-反向+-IZUZ2 2 稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理：稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区
18、。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管的反向特性曲线比较陡。稳压管的反向特性曲线比较陡。反向击穿反向击穿 是可逆的。是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ 第29页，本讲稿共56页15.4 稳压管稳压管4 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 （1）稳定电压）稳定电压 UZ稳压管在正常工作下管子两端的电压。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说明稳压管受温度变化影响的系数第30页
19、，本讲稿共56页15.4 稳压管稳压管（3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率）最大允许耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。管子不致发生热击穿的最大功率损耗。PZM=UZIZM第31页，本讲稿共56页15.4 稳压管稳压管例题例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ时时,稳压管击穿稳压管击穿此时此时选选R，使，使IZIZMend第32页，本讲稿共56页15.5 半导体三极管半导体三极管15.5.1 基本结构基本结构15.5.1
20、 基本结构基本结构15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理15.5.3 特性曲线特性曲线15.5.4 主要参数主要参数 结构结构平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP第33页，本讲稿共56页15.5.1 基本结构基本结构发射结发射结集电结集电结BNNP发射区发射区基区基区 集电区集电区ECNNPBECCEB第34页，本讲稿共56页发射结发射结集电结集电结BPPN发射区发射区基区基区 集电区集电区ECPPNBECCEB15.5.1 基本结构基本结构第35页，本讲稿共56页15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG6共发射极接
21、法共发射极接法第36页，本讲稿共56页15.5.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05由此实验及测量结果可得出如下结论：由此实验及测量结果可得出如下结论：（1）IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。（2）IE和和IC比比IB 大的多。大的多。（3）当）当IB=0（将基极开路）时，（将基极开路）时，IE=ICEO，ICEO0,UB
22、C0,UBC=UBE-UCE,UBE1 第44页，本讲稿共56页15.5.3 特性曲线特性曲线2 输出特性曲线输出特性曲线 晶体管的输晶体管的输出特性曲线是出特性曲线是一组曲线。一组曲线。UCE/V13436912IC/mA10080604020AIB=002第45页，本讲稿共56页15.5.3 特性曲线特性曲线晶体管的输出特性曲线分为三个工作区晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：（1）放大区）放大区（2）截止区）截止区（3）饱和区）饱和区（1）放大区（线性区）放大区（线性区）132436912IC/mA10080604020AIB=00放大区UCE/V 输出特性曲线的近似输出特性曲线的近似水
23、平部分。水平部分。特点：特点：等效等效：BECIB条件条件：E E结正偏、结正偏、C C结反偏结反偏第46页，本讲稿共56页15.5.3 特性曲线特性曲线（2）截止区）截止区IB=0曲线以下的区域为截止区曲线以下的区域为截止区IB=0 时，时，IC=ICEO0.001mA 对对NPN型硅管而言，型硅管而言，当当UBE0.5V时，即已时，即已开始截止，为了截止开始截止，为了截止可靠，常使可靠，常使UBE小于等小于等于零。于零。132436912IC/mA10080604020AIB=00截止区UCE/V特点特点：IB=0，IC=0等效等效：BEC条件条件：E E结反偏结反偏第47页，本讲稿共56
24、页（3）饱和区）饱和区 当当UCEUBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态和状态 在饱和区，在饱和区，I IB B的变化对的变化对I IC C的影响较小，两者不成比例的影响较小，两者不成比例13436912IC/mA10080604020AIB=002饱和区UCE/V15.5.3 特性曲线特性曲线条件条件：E E结正偏、结正偏、C C结正偏结正偏等效等效：BEC特点特点：U UCECE=U=UCESCES00，I IC CI IB B第48页，本讲稿共56页例例1:测得各晶体管在无信号输入时测得各晶体管在无信号输入时,三个电极相对于三个电极相
25、对于”地地”的电压如的电压如图所示。问哪些管子工作于放大状态图所示。问哪些管子工作于放大状态,哪些处于截止、饱和状态，哪哪些处于截止、饱和状态，哪些管子已经损坏？些管子已经损坏？ecb硅管-3V0V-2.7Vecb锗管-0.3V-3V0Vecb锗管1.3V1.1V1Vecb硅管-2.8V-1.4V-3.5V截止放大饱和放大15.5.3 特性曲线特性曲线第49页，本讲稿共56页ecb锗管1.2V1.3V1.5Vecb锗管1.8V3.7V1.5Vecb硅管2V12V-0.7V饱和放大已损坏ecb锗管0V0.7V-3.5V倒置15.5.3 特性曲线特性曲线第50页，本讲稿共56页15.5.4 主要参
26、数主要参数1 电流放大系数电流放大系数：静态电流（直流）放大系数：静态电流（直流）放大系数：动态电流（交流）放大系数：动态电流（交流）放大系数注意：注意：两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用在估算时，常用近似关系近似关系（1）（2）对于同一型号的晶体管，对于同一型号的晶体管，值有差别，常用晶体管的值有差别，常用晶体管的值在值在20-100之间。之间。第51页，本讲稿共56页15.5.4 主要参数主要参数2 2 集集基极反向截止电流基极反向截止电流IC
27、BOICBO=IC|IE=0 ICBO受温度的影响大。受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的在室温下，小功率锗管的ICBO约为几微安到几十微安，约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。越小越好。EC A+_T+_ICB0第52页，本讲稿共56页15.5.4 主要参数主要参数3 集集射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO=IC|IB=0穿透电流穿透电流ICEO与与ICBO的关系：的关系：ICEO愈大，愈大，愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子时，要求时，要求ICEO尽可能小些，而尽可能小些，而以不超
28、过以不超过100100为宜。为宜。第53页，本讲稿共56页15.5.4 主要参数主要参数4 4 集电极最大允许电流集电极最大允许电流ICM集电极电流集电极电流IC超过一定值时，晶体管的超过一定值时，晶体管的值要下降。当值要下降。当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。在使用晶体管时，在使用晶体管时，IC超过超过ICM并不一定会使晶体管损坏，但并不一定会使晶体管损坏，但以降低以降低 为代价。为代价。5 集集射极反向击穿电压射极反向击穿电压U（BR）CEO基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。第54页，本讲稿共56页15.5.4 主要参数主要参数6 集电极最大允许耗散功集电极最大允许耗散功PCM 由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起高，从而会引起晶体管参数变化。当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率。PCM=ICUCE第55页，本讲稿共56页IC/mA0UCE/VICMU(BR)CE0ICEOPCM安全工作区安全工作区15.5.4 主要参数主要参数end第56页，本讲稿共56页