電工電子第12章半導體二極管和三極管new

1、2021-11-281目錄目錄第第 12 章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管2021-11-282目錄目錄第第1212章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管12.1 半導體的基本知識半導體的基本知識12.3 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管12.4 半導體三極管半導體三極管12.2 半導體二極管半導體二極管2021-11-283目錄目錄第第1212章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管2021-11-284目錄目錄12.1 PN結(jié)和二極管結(jié)和二極管 引言：引言：半導體的基本知識半導體的基本知識1. 概念概念半導體半導體導電能力介乎于導體和絕緣體之間導電能力介乎于導體和絕緣體之間

2、。如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。影響半導體導電能力的因素影響半導體導電能力的因素光照光照導電能力導電能力如：光敏元件如：光敏元件溫度溫度導電能力導電能力 如：熱敏元件如：熱敏元件摻雜摻雜純凈的半導體中摻入微量的某些雜質(zhì)，純凈的半導體中摻入微量的某些雜質(zhì)， 會使半導體的導電能力明顯改變。會使半導體的導電能力明顯改變。摻雜摻雜導電能力導電能力 如：如：P P型、型、N N型半導體。型半導體。2021-11-285目錄目錄 常用的半導體材料常用的半導體材料鍺鍺 Ge硅硅 Si硅和鍺為四價元素，最外層有四個價電子硅和鍺為四價元素，最外層有四個價電子32

3、142-8-18-42-8-412.1.112.1.1本征半導體本征半導體純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體sisisisi最外層最外層八個電八個電子的穩(wěn)子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)定結(jié)構(gòu)共價鍵內(nèi)的共價鍵內(nèi)的價電子對價電子對共價鍵共價鍵共價鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定共價鍵結(jié)構(gòu)穩(wěn)定導電能力很弱導電能力很弱SiGe價電子價電子2021-11-286目錄目錄 本征激發(fā)本征激發(fā)（熱激發(fā)）熱激發(fā)）sisisisi空空穴穴自自由由電電子子自由電子自由電子本征激發(fā)成對產(chǎn)生本征激發(fā)成對產(chǎn)生空穴空穴 兩種載流子兩種載流子 半導體中有自由電子半導體中有自由電子和空穴兩種載流子和空穴兩種載流子本征半導體兩端外加電壓時，將出現(xiàn)

4、本征半導體兩端外加電壓時，將出現(xiàn)兩部分電流，兩部分電流，電子流電子流和和空穴流空穴流。 復合復合復合使自由電子和空穴成對減少復合使自由電子和空穴成對減少 在一定溫度下，熱激發(fā)和復合處于動平衡狀態(tài)。在一定溫度下，熱激發(fā)和復合處于動平衡狀態(tài)。半導體中的載流子數(shù)目一定。半導體中的載流子數(shù)目一定。溫度升高、光照增強使價電子溫度升高、光照增強使價電子擺脫原子核的束縛擺脫原子核的束縛自由電子與空穴相遇自由電子與空穴相遇2021-11-287目錄目錄多余電子多余電子12.1.212.1.2雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 N型半導體（電子半導體）型半導體（電子半導體）本征半導體中摻入微量的五價元素本征半導體中摻入微量的

5、五價元素磷磷特點：特點：多數(shù)載流子多數(shù)載流子自由電子自由電子少數(shù)載流子少數(shù)載流子空穴空穴N 型半導體型半導體+示意圖示意圖P+sisisi硅晶體中摻磷出現(xiàn)自由電子硅晶體中摻磷出現(xiàn)自由電子磷磷 P152-8-5p2021-11-288目錄目錄P型半導體型半導體示意圖示意圖空穴空穴 P型半導體（空穴半導體）型半導體（空穴半導體）特點：特點：多數(shù)載流子多數(shù)載流子空穴空穴少數(shù)載流子少數(shù)載流子自由電子自由電子本征半導體中摻入微量的三價元素本征半導體中摻入微量的三價元素硼硼B(yǎng)-sisisi硅晶體中摻硼出現(xiàn)空穴硅晶體中摻硼出現(xiàn)空穴多數(shù)載流子數(shù)目由摻雜濃度確定多數(shù)載流子數(shù)目由摻雜濃度確定少數(shù)載流子數(shù)目與溫度有

6、關(guān)少數(shù)載流子數(shù)目與溫度有關(guān). 溫度溫度少子少子結(jié)論：結(jié)論：52-3硼硼 BB2021-11-289目錄目錄12.1.3 PN結(jié)結(jié) 同一片半導體基片上，分別制造同一片半導體基片上，分別制造P型半導體和型半導體和N型半導型半導體，在它們的交界面處形成的特殊區(qū)域。體，在它們的交界面處形成的特殊區(qū)域。引言引言. PN結(jié)結(jié)1. PN結(jié)的形成結(jié)的形成PNPN結(jié)結(jié)P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的載區(qū)的載流子濃度不同流子濃度不同由載流子的濃度差由載流子的濃度差多子擴散多子擴散 P+NN區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)電子電子空穴空穴正負離子顯電性正負離子顯電性建立空間電荷區(qū)建立空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場形成內(nèi)電場i P+N+-i自建電場自建

7、電場2021-11-2810目錄目錄內(nèi)電場內(nèi)電場i反對多子擴散反對多子擴散有利少子漂移有利少子漂移擴散擴散 = 漂移漂移動平衡動平衡空間電荷區(qū)寬度確定空間電荷區(qū)寬度確定PN結(jié)形成結(jié)形成PN結(jié)結(jié)空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)PN結(jié)也稱為高阻區(qū)、耗盡層結(jié)也稱為高阻區(qū)、耗盡層P+NPN結(jié)結(jié)+-i自建電場自建電場2021-11-2811目錄目錄2.2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?PN結(jié)正向?qū)ńY(jié)正向?qū)ìF(xiàn)象：現(xiàn)象：燈亮、燈亮、 電流大（電流大（mA級）級）原因：原因： ，使，使PN結(jié)變窄，由多數(shù)載流子結(jié)變窄，由多數(shù)載流子形成較大的正向電流。形成較大的正向電流。 oi 結(jié)論：結(jié)論：PN結(jié)正向?qū)?，正向電流?/p>

8、、正向電阻小。結(jié)正向?qū)ǎ螂娏鞔?、正向電阻小。PN結(jié)變窄結(jié)變窄-PNEmA+-+-o i +I2021-11-2812目錄目錄 PN結(jié)反向截止結(jié)反向截止現(xiàn)象：現(xiàn)象：燈不亮、燈不亮、 電流很?。娏骱苄。ˋ級）級）原因：原因： 、 方向一致，使方向一致，使PN結(jié)變寬，由少數(shù)結(jié)變寬，由少數(shù)載流子形成很小的反向電流。載流子形成很小的反向電流。o i 結(jié)論：結(jié)論：PN結(jié)反結(jié)反 向截止，反向電流小、反向電阻大。向截止，反向電流小、反向電阻大。PN結(jié)變寬結(jié)變寬-+PNE-+-o i A0 反反I0 反反I 反反R2021-11-2813目錄目錄12.2 半導體二極管半導體二極管12.2.1 基本結(jié)構(gòu)及

9、符號基本結(jié)構(gòu)及符號點接觸型：結(jié)面小、結(jié)電容小，適用高頻小電流場合。點接觸型：結(jié)面小、結(jié)電容小，適用高頻小電流場合。 如：檢波電路、數(shù)字開關(guān)電路如：檢波電路、數(shù)字開關(guān)電路面接觸型：結(jié)面大、結(jié)電容大，用在低頻電路面接觸型：結(jié)面大、結(jié)電容大，用在低頻電路 如：整流電路如：整流電路D陰極陰極 陰極陰極 陰極陰極 陰極陰極陽極陽極 陽極陽極 陽極陽極 陽極陽極點接觸型點接觸型面接觸型面接觸型外外 形形符符 號號2021-11-2814目錄目錄半導體二極管圖片半導體二極管圖片2021-11-2815目錄目錄半導體二極管圖片半導體二極管圖片2021-11-2816目錄目錄12. 2.2伏安特性伏安特性UBR

10、 反向擊穿電壓反向擊穿電壓 正向特性正向特性死區(qū)電壓死區(qū)電壓 = = 0.2V0.2V（鍺管）（鍺管）0.5V0.5V（硅管）（硅管）UD = = 0.20.3V （鍺管）（鍺管）0.60.7V （硅管）（硅管）導通后管壓降：導通后管壓降： 反向特性反向特性，二二極極管管反反向向截截止止時時，反反反反0BR IUU擊擊穿穿急急劇劇增增加加，二二極極管管反反向向時時，反反反反IUUBR UIo死區(qū)死區(qū)+-+UBRUD2021-11-2817目錄目錄UIoUBRUDC20ID 溫度對二極管的影響溫度對二極管的影響 溫度升高二極管溫度升高二極管 正向壓降減小正向壓降減小溫度溫度載流子載流子導電能力導

11、電能力等效電阻等效電阻正向壓降正向壓降UD C1T mV2D U溫度升高二極管反向電流增大溫度升高二極管反向電流增大溫度溫度少數(shù)載流子少數(shù)載流子反向電流反向電流溫度每升高溫度每升高10 C。反向電流增大一倍。反向電流增大一倍。C75DU2021-11-2818目錄目錄理想二極管的開關(guān)特性理想二極管的開關(guān)特性正向?qū)ㄕ驅(qū)ǚ聪蚪刂狗聪蚪刂?-0D U0D U開關(guān)閉合開關(guān)閉合+-0D I0D I開關(guān)斷開開關(guān)斷開例例由理想二極管組成的電路如圖所示，求電壓由理想二極管組成的電路如圖所示，求電壓UAB。(a)3K6VD12VAB解：圖解：圖(a)+-D 正正向?qū)?，向?qū)?，UD=0電壓電壓UAB=-6

12、V2021-11-2819目錄目錄12V3KD1(b)BD26VA(c)B12VD2D13K6VA3V解：圖解：圖(b)D1 導通，導通，UD1= 0， D2 截止截止電壓電壓UAB = 0V解：圖解：圖(c)D1 優(yōu)先優(yōu)先導通，導通，UD1= 0，電壓電壓UAB = -3V-6V-3V，D2 截止截止2021-11-2820目錄目錄12.2.3主要參數(shù)主要參數(shù)（1）最大整流電流）最大整流電流 IDM二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向二極管長期使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。（點接觸型平均電流。（點接觸型IB ，IC與與IB之比稱為直流之比稱為直流(靜態(tài)靜態(tài))電流放大系數(shù)電流

13、放大系數(shù)由由KCL得：得：IE=IC+IB結(jié)論：結(jié)論：，5204.008.2BC II8 .5206.017.3BC IIIC、IEIB ， IC與與 IB之比稱為之比稱為 交流交流(動態(tài)動態(tài))電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)5 .5402.009.104.006.008.217.33B4B3C4CBC IIIIII；BCII BE1II）（ ；CE1II 2021-11-2836目錄目錄IC電子在基區(qū)與空穴復電子在基區(qū)與空穴復合，形成電流合，形成電流IB ，復，復合機會小，合機會小， IB小小IBIE發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)向基發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射區(qū)發(fā)射(擴擴散散)電子，電子，形成發(fā)射極形成發(fā)射極

14、電流電流IE3. 放大原理放大原理BENNPEBRBEC+-+-+發(fā)射到基區(qū)發(fā)射到基區(qū)電子被收集電子被收集和復合的比和復合的比例系數(shù)就是例系數(shù)就是電流放大系電流放大系數(shù)數(shù)集電結(jié)反偏，擴散到基區(qū)的電集電結(jié)反偏，擴散到基區(qū)的電子被收集子被收集(漂移漂移)到集電區(qū)形成到集電區(qū)形成IC ，收集能力強，收集能力強， IC大大C2021-11-2837目錄目錄12.4.3特性曲線特性曲線ICmA AV1V2UCEUBERBIBECEB 實驗線路實驗線路輸入回路輸入回路輸入特性輸入特性 IB = f（UBE ）| UCE輸出回路輸出回路輸出特性輸出特性 IC = f（UCE ）| IB2021-11-283

15、8目錄目錄 死區(qū)電壓，死區(qū)電壓，硅管硅管0.5V，鍺管鍺管0.2V。令令UCE=常數(shù)常數(shù)IB=f（UBE）1. 輸入特性輸入特性工作壓降：工作壓降： UBE 0.60.7V,硅管硅管UBE 0.20.3V 鍺管鍺管IB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1V02021-11-2839目錄目錄2. 輸出特性輸出特性1234IC(mA )UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0 放大區(qū)放大區(qū)BCII 特特征征：電電結(jié)結(jié)反反偏偏條條件件：發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)正正偏偏、集集EBCUUU 當當UCE大于一大于一定的數(shù)值時，定的數(shù)值時，IC只與只與IB有關(guān)，有

16、關(guān)，IC= IB。此區(qū)域滿足此區(qū)域滿足IC= IB稱為稱為線性區(qū)（放線性區(qū)（放大區(qū)）。大區(qū)）。2021-11-2840目錄目錄此區(qū)域中此區(qū)域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死區(qū)電死區(qū)電壓，稱為截壓，稱為截止區(qū)。止區(qū)。IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100 A0截止區(qū)截止區(qū)CCECEOCB00EUIII 、特特征征：電電結(jié)結(jié)反反偏偏條條件件：發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)反反偏偏、集集BECUUU ICEO2021-11-2841目錄目錄IC(mA )1234UCE(V) 36 9 12IB=020 A40 A60 A80 A100 A此區(qū)域中此區(qū)域中

17、UCEUBE,集電結(jié)正偏，集電結(jié)正偏，IC不不受受IB影響影響，UCE 0,稱為飽和區(qū)。稱為飽和區(qū)。0飽和區(qū)飽和區(qū)；、特特征征：CCCSCES0V3 . 01 . 0REIU 電電結(jié)結(jié)正正偏偏條條件件：發(fā)發(fā)射射結(jié)結(jié)正正偏偏、集集ECBUUU CSBCEBEIIUU、飽飽和和的的判判別別：UCES2021-11-2842目錄目錄12.4.4主要參數(shù)主要參數(shù)前述電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共前述電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。點，稱為共射接法，相應地還有共基、共集接法。共射共射直流電流放大系數(shù)直流電流放大系數(shù)：BCII 電流放大系數(shù)電流放大

18、系數(shù)和和 BIIC 共射共射交流電流放大系數(shù)：交流電流放大系數(shù)：常用的小功率晶體管，常用的小功率晶體管，值一般為值一般為2020200200。 2021-11-2843目錄目錄集集-基極反向電流基極反向電流ICBOICBO是集電是集電結(jié)反偏由少結(jié)反偏由少子的漂移形子的漂移形成的反向電成的反向電流，受溫度流，受溫度的變化影響。的變化影響。 兩個極間電流兩個極間電流 AICBO溫度溫度少子少子 ICBO ICBO越小越好越小越好2021-11-2844目錄目錄集集-射極穿透電流射極穿透電流ICEO AICEOICEO= (1+ ) ICBO，溫度，溫度 ICBO ICEO IC ICEO不受不受IB控制控制, IB=0時時,