電子技術(shù)基礎(chǔ)之 二極管和晶體管

1、 第第1515章章 半導(dǎo)體二極管和三極管半導(dǎo)體二極管和三極管 返回返回 目目 錄錄 14.1 14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之 間的間的 物質(zhì)。物質(zhì)。 半導(dǎo)體特性：半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性熱敏特性、光敏特性、摻雜特性 本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。 應(yīng)用最多的本征半應(yīng)用最多的本征半 導(dǎo)體為鍺和硅，它們導(dǎo)體為鍺和硅，它們 各有四個價(jià)電子，都各有四個價(jià)電子，都 是四價(jià)元素是四價(jià)元素. 硅的原子結(jié)構(gòu)硅的原子結(jié)構(gòu) 純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基 本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，

2、 所以半導(dǎo)體也稱為晶體 晶體管名稱的由來 本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu) 14.1.114.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 SiSi SiSi 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 價(jià)電子價(jià)電子 14.1.1 14.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 共價(jià)鍵中的電子共價(jià)鍵中的電子 在獲得一定能量在獲得一定能量 后，即可掙脫原后，即可掙脫原 子核的束縛，成子核的束縛，成 為自由電子為自由電子 同時(shí)在共價(jià)鍵中同時(shí)在共價(jià)鍵中 留下一個空穴。留下一個空穴。 空穴空穴 SiSi SiSi 自由自由 電子電子 熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象 由于受熱或光照由于受熱或光照 產(chǎn)生自由電子和產(chǎn)生自由電子和

3、空穴的現(xiàn)象空穴的現(xiàn)象- 熱激發(fā)熱激發(fā) 14.1.1 14.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 自由電子自由電子 在運(yùn)動中遇在運(yùn)動中遇 到空穴后，到空穴后， 兩者同時(shí)消兩者同時(shí)消 失，稱為復(fù)失，稱為復(fù) 合現(xiàn)象合現(xiàn)象 溫度一定時(shí)，本溫度一定時(shí)，本 征半導(dǎo)體中的自由征半導(dǎo)體中的自由 電子電子空穴對的數(shù)空穴對的數(shù) 目基本不變。溫度目基本不變。溫度 愈高，自由電子愈高，自由電子 空穴對數(shù)目越多空穴對數(shù)目越多。 SiSi SiSi 自由 電子 空穴 半導(dǎo)體導(dǎo)電方式半導(dǎo)體導(dǎo)電方式 在半導(dǎo)體中，在半導(dǎo)體中， 同時(shí)存在著電子同時(shí)存在著電子 導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電， 這是半導(dǎo)體導(dǎo)電這是半導(dǎo)體導(dǎo)電 方式的最大特點(diǎn)

4、，方式的最大特點(diǎn)， 也是半導(dǎo)體和金也是半導(dǎo)體和金 屬在導(dǎo)電原理上屬在導(dǎo)電原理上 的本質(zhì)差別。的本質(zhì)差別。 載流子載流子 自由電子和空穴自由電子和空穴 因?yàn)椋瑴囟扔驗(yàn)?，溫度?高，載流子數(shù)目愈高，載流子數(shù)目愈 多，導(dǎo)電性能也就多，導(dǎo)電性能也就 愈好，所以，溫度愈好，所以，溫度 對半導(dǎo)體器件性能對半導(dǎo)體器件性能 的影響很大。的影響很大。 14.1.1 14.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 SiSi SiSi 價(jià)電 子 空穴 當(dāng)半導(dǎo)體兩端當(dāng)半導(dǎo)體兩端 加上外電壓時(shí)，自加上外電壓時(shí)，自 由電子作定向運(yùn)動由電子作定向運(yùn)動 形成電子電流；而形成電子電流；而 空穴的運(yùn)動相當(dāng)于空穴的運(yùn)動相當(dāng)于 正電荷的運(yùn)動正

5、電荷的運(yùn)動 14.1.2 N14.1.2 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中 摻入微量的磷（或摻入微量的磷（或 其它五價(jià)元素）。其它五價(jià)元素）。 自由電子是多數(shù)自由電子是多數(shù) 載流子，空穴是載流子，空穴是 少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。 電子型半導(dǎo)體電子型半導(dǎo)體 或或N N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 SiSi P+Si 多余 電子 14.1.2 N14.1.2 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中在硅或鍺晶體中 摻入硼（或其它摻入硼（或其它 三價(jià)元素）。三價(jià)元素）。 空穴是多數(shù)載流子，空穴是多數(shù)載流

6、子， 自由電子是少數(shù)載自由電子是少數(shù)載 流子。流子。 空穴型半導(dǎo)體空穴型半導(dǎo)體 或或P P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體。 SiSi B-Si 空穴 14.1.2 N14.1.2 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 不論不論N型半導(dǎo)體還是型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，型半導(dǎo)體， 雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)， 但是整個晶體仍然是但是整個晶體仍然是不帶電不帶電的。的。 14.2 PN14.2 PN結(jié)及其單向?qū)ㄐ越Y(jié)及其單向?qū)ㄐ?14.2.1 PN14.2.1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 自由電子 P N 空穴 PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動形成的結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動形成的 14.2.114.2.

7、1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 自由電子 PN 空間電荷區(qū) 內(nèi)電場方向 空穴 14.2.1 PN14.2.1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成 擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的動態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動和漂移運(yùn)動的動態(tài)平衡 擴(kuò)散強(qiáng)擴(kuò)散強(qiáng) 漂移運(yùn)動增強(qiáng)漂移運(yùn)動增強(qiáng) 內(nèi)電場增強(qiáng)內(nèi)電場增強(qiáng) 兩者平衡兩者平衡 PNPN結(jié)寬度基本穩(wěn)定結(jié)寬度基本穩(wěn)定 外加外加 電壓電壓 平衡平衡 破壞破壞 擴(kuò)散強(qiáng)擴(kuò)散強(qiáng) 漂移強(qiáng)漂移強(qiáng) PNPN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通 PNPN結(jié)截止結(jié)截止 14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1 外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通 PNPN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PNPN結(jié)的電流結(jié)的電流 基本是多子的擴(kuò)散電流基本是多子的擴(kuò)散電流

8、正向電流正向電流 + 變窄 PN 內(nèi)電場 方向 外電場方向 R I 14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2 外加反向電壓使PN結(jié)截止 PNPN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PNPN結(jié)的電流是少子的漂移電流結(jié)的電流是少子的漂移電流 -反向電流反向電流 特點(diǎn)特點(diǎn): : 受溫度影響大受溫度影響大 原因原因: : 反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的 + - 變 寬 PN 內(nèi)電場 方向 外電場方向 R I=0 14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?結(jié)結(jié) 論論 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦?（1） PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，結(jié)加正向電壓時(shí)，

9、處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低， 正向電流較大。正向電流較大。 （2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高， 反向電流很小。反向電流很小。 14.3 14.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管 15.3.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 14.3.2 伏安特性伏安特性 14.3.3 伏安特性的折線化伏安特性的折線化 14.3.4 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù) 14.3.1 基本結(jié)構(gòu) PN結(jié) 陰極引線 鋁合金小球 金銻合金 底座 N型硅 陽極引線 面接觸型面接觸型 引線 外殼觸絲N型鍺片 點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型 表示符號表示符號 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性

10、 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死區(qū) 電壓 擊穿 電壓 半導(dǎo)體二極半導(dǎo)體二極 管的伏安特性管的伏安特性 是非線性的。是非線性的。 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死區(qū)電壓 擊穿電壓 死區(qū)電壓：死區(qū)電壓： 硅管：硅管：0.5伏左右，鍺管：伏左右，鍺管： 0.1伏左右。伏左右。 正向壓降：正向壓降： 硅管：硅管：0.7伏左右，鍺管：伏左右，鍺管： 0.2 0.3伏。伏。 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 1 正向特性正向特

11、性 反向電流：反向電流： 反向飽和電流：反向飽和電流： 反向擊穿電壓反向擊穿電壓U（BR） 14.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性 正向 O 0.4 0.8 U/V I/mA 80 60 40 20 -50 -25 I/A -20 -40 反向 死區(qū)電 壓 擊穿電 壓 2 反向特性反向特性 14.3.4 伏安特性的折線化 U 0 U 0 US 14.3.4 14.3.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 1 最大整流電流最大整流電流IOM： 二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。 2 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URWM: 保證二極管不被擊穿

12、而給出的反向峰值電壓。保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。 3 反向峰值電流反向峰值電流IRM: 二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。 14.3.5 14.3.5 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 主要利用二極管的單向?qū)щ娦??？捎糜谡鳌z波、限主要利用二極管的單向?qū)щ娦浴？捎糜谡鳌z波、限 幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。 例例: 圖中電路，輸入端圖中電路，輸入端A的電位的電位VA=+3V，B的電位的電位 VB=0V，求輸出端，求輸出端Y的電位的電位VY。電阻。電阻R接負(fù)電源接負(fù)電源-12V。 VY=+

13、2.7V 解：解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，優(yōu)先導(dǎo)通， DA導(dǎo)通后，導(dǎo)通后， DB上加的是反向電壓，上加的是反向電壓， 因而截止。因而截止。 DA起鉗位作用，起鉗位作用， DB起隔離作用。起隔離作用。 -12V A B +3V 0VDB DA Y 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中 與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。 1 1 穩(wěn)壓管表示符號穩(wěn)壓管表示符號： 正向 + - 反向 + -IZ UZ 2 2 穩(wěn)壓管的伏安特性：穩(wěn)壓管的伏安特性： 3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓

14、原理： 穩(wěn)壓管工作于反向穩(wěn)壓管工作于反向 擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)， 電流雖然在很大范圍內(nèi)電流雖然在很大范圍內(nèi) 變化，但穩(wěn)壓管兩端的變化，但穩(wěn)壓管兩端的 電壓變化很小。利用這電壓變化很小。利用這 一特性，穩(wěn)壓管在電路一特性，穩(wěn)壓管在電路 中能起穩(wěn)壓作用。中能起穩(wěn)壓作用。 穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。 反向擊穿 是可逆的。 U/V I/mA 0 IZ IZM UZ 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 4 主要參數(shù)主要參數(shù) （2）電壓溫度系數(shù)）電壓溫度系數(shù) U （1）穩(wěn)定電壓）穩(wěn)定電壓 UZ 穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的

15、電壓。 說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù) 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 （3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻 （4 4）穩(wěn)定電流）穩(wěn)定電流 （5 5）最大允許耗散功率）最大允許耗散功率 rZ 穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值 IZ PZM 管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。 PZM=UZIZM 14.4 14.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 例題例題 + _ U U0UZ R 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用 當(dāng)當(dāng)UUZ大于時(shí)大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓管擊穿 R UU I Z Z 此時(shí)此時(shí) 選選R，使，

16、使IZIZM 14.5 14.5 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管 14.5.1 14.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 14.5.1 14.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 4 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP 14.5.1 14.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 發(fā)射結(jié)集電結(jié) B NNP 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) EC N N P B E C C E B 發(fā)射結(jié)集電結(jié) B PPN 發(fā)射區(qū) 基區(qū) 集電區(qū) EC P P N B E C C E B 14.

17、5.1 14.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 A mA mA IB IC IE RB EC + + _ _ EB B C E 3DG6 共發(fā)射極接法 14.5.2 14.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理 晶體管電流測量數(shù)據(jù)晶體管電流測量數(shù)據(jù) IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 由此實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果可得出如下結(jié)論：由此實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果可得出如下結(jié)論： （

18、1） IE=IC+IB 符合基爾霍夫電流定律。符合基爾霍夫電流定律。 （2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。 （3）當(dāng)）當(dāng)IB=0（將基極開路）時(shí)，（將基極開路）時(shí)， IE=ICEO， ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 2 輸出特性曲線輸出特性曲線 CICEC B | )U(I f 晶體管的輸晶體管的輸 出特性曲線是出特性曲線是 一組曲線。一組曲線。 UCE/V 1 3 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 2 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 晶體管的輸出特性曲線分為三

19、個工作區(qū)晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)： （1）放大區(qū)）放大區(qū) （2）截止區(qū)）截止區(qū) （3）飽和區(qū)）飽和區(qū) （1）放大區(qū)（線性區(qū)）放大區(qū)（線性區(qū)） 1 3 2 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 放大區(qū) UCE/V 輸出特性曲線的近似水平部分。輸出特性曲線的近似水平部分。 B _ C II 發(fā)射結(jié)處于正向偏置；集電結(jié)處于反向偏置發(fā)射結(jié)處于正向偏置；集電結(jié)處于反向偏置 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 （2）截止區(qū)）截止區(qū) IB=0曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū) IB=0 時(shí)，時(shí)，IC=ICEO0.001mA 對對NPN型硅管而

20、言，當(dāng)型硅管而言，當(dāng)UBE0.5V時(shí)，即已開時(shí)，即已開 始截止，為了截止可靠，常使始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。小于等于零。 1 3 2 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 截止區(qū) UCE/V （3）飽和區(qū)）飽和區(qū) 當(dāng)當(dāng)U UCECEU UBEBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作處于飽時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作處于飽 和狀態(tài)和狀態(tài) 在飽和區(qū)，在飽和區(qū)，I IB B的變化對的變化對I IC C的影響較小，兩者不成比例的影響較小，兩者不成比例 1 3 4 36912 IC/mA100 80 60 40 20A IB=0 0 2 飽和區(qū)

21、UCE/V 14.5.3 14.5.3 特性曲線特性曲線 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 1 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) , _ _ ：靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù) B C _ I I ：動態(tài)電流（交流）放大系數(shù) B C I I 注意：注意： , _ 兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行 等距并且等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值較為接較小的情況下，兩者數(shù)值較為接 近。在估算時(shí)，常用近。在估算時(shí)，常用 _ 近似關(guān)系近似關(guān)系 （1） （2） 對于同一型號的晶體管，對于同一型號的晶體管，值有差別，常用晶體管的值有差別，常用晶體管的 值在值在2

22、0-100之間。之間。 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 2 2 集集基極反向截止電流基極反向截止電流I ICBOCBO ICBO=IC|IE=0 ICBO受溫度的影響大。受溫度的影響大。 在室溫下，小功率鍺管的在室溫下，小功率鍺管的 ICBO約為幾微安到幾十微安，約為幾微安到幾十微安， 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 14.5.4 14.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 3 集集射極反向截止電流射極反向截止電流ICEO ICEO=IC|IB=0 穿透電流穿透電流ICEO與與ICBO的關(guān)系：的關(guān)系： CEOB _ CBOCBOB _ C CBO _ CBOCBO _ CEO CBO CBOCEO 0I CBOB