半導(dǎo)體二極管和三極管機(jī)自06級08年3月7日更新

1、.1電子技術(shù)部分的特點(diǎn)：電子技術(shù)部分的特點(diǎn)： 1、任務(wù)重，學(xué)時少、任務(wù)重，學(xué)時少（electronic technology）2、第一批校級立項(xiàng)雙語、第一批校級立項(xiàng)雙語(bilingual)教學(xué)課程教學(xué)課程3、作業(yè)多、進(jìn)度快、作業(yè)多、進(jìn)度快4、內(nèi)容多、難度大，不易理解、內(nèi)容多、難度大，不易理解5、專業(yè)基礎(chǔ)課，重要性不言而喻、專業(yè)基礎(chǔ)課，重要性不言而喻 最后希望學(xué)生高度重視、認(rèn)真預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)、最后希望學(xué)生高度重視、認(rèn)真預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)、獨(dú)立完成作業(yè)、有疑難問題及時溝通答疑獨(dú)立完成作業(yè)、有疑難問題及時溝通答疑.2紹興文理學(xué)院紹興文理學(xué)院機(jī)電系機(jī)電系 電工學(xué)學(xué)科組編電工學(xué)學(xué)科組編第第1414章章 半導(dǎo)體二極

2、管和三極管半導(dǎo)體二極管和三極管chapter 14 semiconductor diode and transistor .3目目 錄錄(catalog).4本章重點(diǎn)內(nèi)容本章重點(diǎn)內(nèi)容l l pnpn結(jié)及其單向?qū)щ娞匦越Y(jié)及其單向?qū)щ娞匦詌 l 半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線半導(dǎo)體二極管的伏安特性曲線l l 二極管在實(shí)際中的應(yīng)用二極管在實(shí)際中的應(yīng)用l l 三極管的輸入輸出特性曲線三極管的輸入輸出特性曲線.514.1 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(semiconductor)： 導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體(conductor)和絕緣體和絕緣體 (insulator)之間的物質(zhì)。

3、之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性半導(dǎo)體特性(semiconductor characteristics) ： 熱敏特性、光敏特性、摻雜特性熱敏特性、光敏特性、摻雜特性舉例說明舉例說明摻雜特性摻雜特性： 在純硅中摻入百萬分之一的硼后，硅的電在純硅中摻入百萬分之一的硼后，硅的電阻率從大約阻率從大約2103 m減少到減少到410 -3 m .6本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體(intrinsic semiconductors) 就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。 現(xiàn)代電子中應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為現(xiàn)代電子中應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺鍺和和硅硅，它，它們們最外層電子最外層電子各有四個價

4、電子，都是四價元素各有四個價電子，都是四價元素. .si硅原子硅原子ge鍺原子鍺原子.7 純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體 晶體管名稱的由來晶體管名稱的由來 下圖是本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的下圖是本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價鍵共價鍵結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體sisisisi共價鍵共價鍵價電子價電子 (covalent bonds) (electrons ).8(a) five noninteracting silicon atoms, each with four valence e

5、lectrons, (b) the tetrahedral configuration( (四面體結(jié)構(gòu)）四面體結(jié)構(gòu)）(a)(a)(b)(c)(c) a two-dimensional representation showing the covalent bondingfigure 1.1 silicon atoms in a crystal matrix:.9 在熱力學(xué)溫在熱力學(xué)溫度零度和沒度零度和沒有外界激發(fā)有外界激發(fā)時時, ,本征半導(dǎo)本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。體不導(dǎo)電。本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體的共價鍵結(jié)構(gòu)硅原子硅原子價電子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4.10（free ele

6、ctrons and holes) 共價鍵中的電子在獲得一定能量共價鍵中的電子在獲得一定能量（比如溫度增加或光照）（比如溫度增加或光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子自由電子, ,同時在共同時在共價鍵中留下一個價鍵中留下一個空穴空穴。空穴空穴(hole)sisisisi自由電子自由電子(free electrons).11熱激發(fā)與復(fù)合熱激發(fā)與復(fù)合（recombination）現(xiàn)象現(xiàn)象 由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-熱激發(fā)熱激發(fā) 自由電子在運(yùn)自由電子在運(yùn)動中遇到空穴后，動中遇到空穴后，兩者同時消失，兩者同時消失

7、，稱為稱為復(fù)合現(xiàn)象復(fù)合現(xiàn)象 溫度一定時，本溫度一定時，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。sisisisi自由自由電子電子空穴空穴.12+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空空穴穴本征激發(fā)本征激發(fā)復(fù)合復(fù)合recombination在常溫下自由電子和空穴的形成在常溫下自由電子和空穴的形成成對出現(xiàn)成對出現(xiàn)成對消失成對消失.13+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴導(dǎo)電的實(shí)空穴導(dǎo)電的實(shí)質(zhì)是共價鍵中質(zhì)是共價鍵中的束縛電子依的束縛電子依次填補(bǔ)空穴形次填補(bǔ)空穴形成電流。故半

8、成電流。故半導(dǎo)體中有導(dǎo)體中有電子電子和和空穴空穴兩兩種種載流子載流子。 空穴移動方向空穴移動方向 電子移動方向電子移動方向 在外電場作用下，在外電場作用下，電子和空穴均能電子和空穴均能參與導(dǎo)電。參與導(dǎo)電。 價電子填補(bǔ)空穴價電子填補(bǔ)空穴.14半導(dǎo)體導(dǎo)電方式半導(dǎo)體導(dǎo)電方式:載流子載流子(carrier)自由電子和空穴自由電子和空穴 當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，自由電子作定向運(yùn)動形成電子電流；自由電子作定向運(yùn)動形成電子電流；而空穴的運(yùn)動相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動而空穴的運(yùn)動相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動.15 在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體

9、導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn) 溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好也就愈好1、半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別本質(zhì)差別2、溫度溫度對半導(dǎo)體器件性能的影響。對半導(dǎo)體器件性能的影響。.1614.1.2 雜質(zhì)半導(dǎo)體雜質(zhì)半導(dǎo)體(extrinsic semiconductors) 1 1、n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 (n-type semiconductors)在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中摻入微量的摻入微量的磷磷（或（或其它五價元素）其它五價元素）電電子型半導(dǎo)體子型半導(dǎo)體或或n n型型半導(dǎo)體半導(dǎo)體 . .自由電子是

10、自由電子是多數(shù)載流子多數(shù)載流子(majority carriers)空穴是空穴是少數(shù)載流子少數(shù)載流子(minority carriers)sisip+si或稱為或稱為n型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體多余多余電子電子.17n n型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4+4磷原子磷原子+4+5多余價電子多余價電子自由電子自由電子正離子正離子.18少數(shù)載流子少數(shù)載流子多數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子正離子 n n型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖.192、p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(p-type semiconductors)在硅或鍺晶體中在硅或鍺晶體中摻入摻入硼硼（或其它（或其它三價元素）。三價元

11、素）。 空穴是多數(shù)載流空穴是多數(shù)載流子，自由電子是子，自由電子是少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。 空穴型半導(dǎo)體或空穴型半導(dǎo)體或p p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。sisib-si空穴空穴.20p型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴+4+4硼原子硼原子填補(bǔ)空位填補(bǔ)空位+3負(fù)離子負(fù)離子.21 p 型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子負(fù)離子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子.22 不論不論n n型半導(dǎo)體還是型半導(dǎo)體還是p p型半導(dǎo)體，雖然型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體仍然是晶體仍然是不帶電不帶電的的。返回注意事項(xiàng)

12、注意事項(xiàng).23p 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū)用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上, ,形成形成p p型半導(dǎo)體區(qū)域和型半導(dǎo)體區(qū)域和n n型半導(dǎo)體區(qū)域型半導(dǎo)體區(qū)域, ,在這兩個區(qū)域的交界處就在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個形成了一個pn pn 結(jié)。結(jié)。n區(qū)的電子向區(qū)的電子向p區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合p區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向n區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合區(qū)擴(kuò)散并與電子復(fù)合空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向.24 2、 漂移漂移（drift ）：）：drift, which is the movement caused by electric fields; 少數(shù)載流子在內(nèi)

13、電場作用下有規(guī)則的運(yùn)少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運(yùn)動稱為動稱為漂移漂移運(yùn)動。運(yùn)動。返回術(shù)語術(shù)語terminology 1、擴(kuò)散擴(kuò)散（diffusion）：）：diffusion, which is the flow caused by the variations in the concentration, that is, concentration gradients（梯度、傾斜度）（梯度、傾斜度）. 多數(shù)載流子在濃度差的作用的運(yùn)動稱為擴(kuò)散多數(shù)載流子在濃度差的作用的運(yùn)動稱為擴(kuò)散運(yùn)動。運(yùn)動。.25多子擴(kuò)散多子擴(kuò)散少子漂移少子漂移內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)p 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū) 在

14、一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動態(tài)平衡，在一定的條件下，多子擴(kuò)散與少子漂移達(dá)到動態(tài)平衡， 空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來?？臻g電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來。 .26內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向e外電場方向外電場方向rp 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū)外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使p區(qū)的空穴進(jìn)入空間區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷n區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷抵消一部分正空間電荷1. 外加正向電壓外加正向電壓.27內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向e外電場方向外電場方向rip 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)變窄空間電荷區(qū)變窄 擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形成較大的正向電流成較大的

15、正向電流1. 外加正向電壓外加正向電壓.28p 區(qū)區(qū)n 區(qū)區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向er空間電荷區(qū)變寬空間電荷區(qū)變寬 外電場方向外電場方向ir2. 外加反向電壓外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過少數(shù)載流子越過pnpn結(jié)結(jié)形成很小的反向電流形成很小的反向電流 多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動難于進(jìn)行多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動難于進(jìn)行.29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)

16、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.301、pnpn結(jié)加正向電壓：結(jié)加正向電壓：pnpn結(jié)所處的狀態(tài)稱為結(jié)所處的狀態(tài)稱為正向?qū)д驅(qū)ㄍ?，其特點(diǎn)：，其特點(diǎn)：pnpn結(jié)正向電流大，結(jié)正向電流大，pnpn結(jié)電阻小。結(jié)電阻小。相當(dāng)于開關(guān)閉合相當(dāng)于開關(guān)閉合spn結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦裕?、pnpn結(jié)加反向電壓：結(jié)加反向電壓：pnpn結(jié)所處的狀態(tài)稱為結(jié)所處的狀態(tài)稱為反向截止反向截止，其特點(diǎn)：，其特點(diǎn)：pnpn結(jié)反向電流小，結(jié)反向電流小，pnpn結(jié)電阻大。結(jié)電阻大。相當(dāng)于開關(guān)打開相當(dāng)于開關(guān)打開.31 正極引線正極引線觸絲觸絲n型鍺型鍺支架支架外殼外殼負(fù)極引線負(fù)極引線點(diǎn)接觸型二極

17、管點(diǎn)接觸型二極管二極管的符號二極管的符號正極正極負(fù)極負(fù)極 正極引線正極引線二氧化硅保護(hù)層二氧化硅保護(hù)層p型區(qū)型區(qū)負(fù)極引線負(fù)極引線 平面型二極管平面型二極管n型硅型硅pn結(jié)結(jié)pn結(jié)結(jié).32i / ma硅管的伏安特性硅管的伏安特性正向特性正向特性反向擊反向擊穿特性穿特性600400200 0.1 0.200.4 0.850100u / v反向特性反向特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓i / mau / v0.40.8 40 802460.10.2鍺管的伏安特性鍺管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性0死區(qū)電壓死區(qū)電壓+ u iu=f（i）在反向電壓不超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，在反向電壓不超過

18、某一范圍時，反向電流的大小基本恒定，與反向電壓的高低無關(guān)，通常稱為與反向電壓的高低無關(guān)，通常稱為反向飽和電流反向飽和電流.33600400200 0.1 0.200.4 0.850100i / mau / v正向特性正向特性反向擊反向擊穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性反向特性反向特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓正向特性：正向特性：二極管加正向電壓二極管加正向電壓正極正極負(fù)極負(fù)極+反向特性：反向特性：二極管加反向電壓二極管加反向電壓正極正極負(fù)極負(fù)極+對于理想二極管對于理想二極管鍺鍺 管管正向壓降正向壓降0.2-0.3v硅硅 管管正向壓降正向壓降0.6-0.8v.34 例例1：下圖中，已知：下圖中，已

19、知va=3v， vb=0v， da 、db為鍺管，為鍺管， 求輸出端求輸出端y的電位并說明的電位并說明二極管的二極管的作用。作用。 解：解： da優(yōu)先導(dǎo)通，則優(yōu)先導(dǎo)通，則vy=30.3=2.7vda導(dǎo)通后導(dǎo)通后, db因反偏而截止因反偏而截止,起隔離作用起隔離作用, da起鉗位作用起鉗位作用,將將y端的電位鉗制在端的電位鉗制在+2.7v。 da 12vyabdbr+ 0.3v.35de3vruiuourud 例例2：下圖是：下圖是二極管二極管限幅電路，限幅電路，d為理想二極管，為理想二極管，ui = 6 sin t v, e= 3v,試畫出試畫出 uo波形波形 。 t t ui / v vuo

20、 /v63300 2 2 6ur？.36 t 630 2 例例3：雙向限幅電路雙向限幅電路 t 033d1e3vrd2e3vuiuourud ui / vuo /v3.37例例 14.3.1 由下圖（由下圖（a）中的）中的r和和c構(gòu)成一微分電路。當(dāng)輸入電壓構(gòu)成一微分電路。當(dāng)輸入電壓ui如圖（如圖（b）所示時，試畫出輸出電壓）所示時，試畫出輸出電壓uo的波形。設(shè)的波形。設(shè)uc（0）= 0（a）（b）.38figure 1.3 the diode rectifier: (a) circuit, (b) sinusoidal input signal, (c) equivalent circuit

21、for vi 0, (d) equivalent circuit for vi ib同樣有同樣有: ic ib所以說三極管具有電流控制作用所以說三極管具有電流控制作用,也稱之為電流放大作用。也稱之為電流放大作用。電流關(guān)系：電流關(guān)系：ie=ib+icecrcic ucecebubeebrbibieic= ib = ic ib the operation of the transistor depends on the two pn junctions being in close proximity, so the width of the base must be very narrow, n

22、ormally in the range of tenths of a micrometer (10-6m).54figure 1.8 an npn bipolar transistor biased in the forward-active mode .55figure 1.9 electron and holes currents in an npn transistor biased in the forward-active mode note: for example, the impurity doping concentrations in the emitter, base

23、and collector may be on the order of 1019, 1017, and 1014 cm -3, respectively. .56ecrcic ucecebube共發(fā)射極接法放大電路共發(fā)射極接法放大電路三極管具有電流控三極管具有電流控 制作用的外部條件制作用的外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。）集電結(jié)反向偏置。對于對于npn型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足:輸出輸出回路回路輸入輸入回路回路公公共共端端ebrbibieube 0ubc vb ve.57ecrcic ucecebube共發(fā)射極接法放大電路共發(fā)射極接法放大電路三

24、極管具有電流控制作用的三極管具有電流控制作用的外部條件外部條件 : （1）發(fā)射結(jié)正向偏置；）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。）集電結(jié)反向偏置。對于對于pnp型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足:輸出輸出回路回路輸入輸入回路回路公公共共端端ebrbibie即即 vc vb 0ube vb ve且且ic= ib對于對于pnp型三極管應(yīng)滿足型三極管應(yīng)滿足: vc vb ve且且ic= ibrbebecrcic ucecebibube（一）（一）放大狀態(tài)放大狀態(tài)條條件件特特征征ie.64（二）（二） 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài) 集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置，即集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均反向偏置，即ube 0 （1） ib增加時，增加時，ic基本不變，基本不變， 且且ic uc / rc （2） uce 0 晶體管晶體管c、e之間相當(dāng)于短路之間相當(dāng)于短路（三）（三） 截止?fàn)顟B(tài)截止?fàn)顟B(tài)即即uce 0， ubc0， uce0，則此管