第14章-半導體二極管和三極管-機自06級-08年3月7日更新講解

1、電子技術部分的特點：電子技術部分的特點： 1、任務重，學時少、任務重，學時少（Electronic Technology）2、第一批校級立項雙語、第一批校級立項雙語(Bilingual)教學課程教學課程3、作業(yè)多、進度快、作業(yè)多、進度快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)基礎課，重要性不言而喻、專業(yè)基礎課，重要性不言而喻 最后希望學生高度重視、認真預習和復習、最后希望學生高度重視、認真預習和復習、獨立完成作業(yè)、有疑難問題及時溝通答疑獨立完成作業(yè)、有疑難問題及時溝通答疑紹興文理學院紹興文理學院機電系機電系 電工學學科組編電工學學科組編第第1414章章 半導體二極管和三極

2、管半導體二極管和三極管Chapter 14 Semiconductor Diode and Transistor 目目 錄錄(Catalog)本章重點內(nèi)容本章重點內(nèi)容l l PNPN結及其單向?qū)щ娞匦越Y及其單向?qū)щ娞匦詌 l 半導體二極管的伏安特性曲線半導體二極管的伏安特性曲線l l 二極管在實際中的應用二極管在實際中的應用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14.1 半導體的導電特性半導體的導電特性半導體半導體(Semiconductor)： 導電能力介乎于導體導電能力介乎于導體(conductor)和絕緣體和絕緣體 (insulator)之間的物質(zhì)。之間的物質(zhì)。半導體特

3、性半導體特性(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 本征半導體本征半導體(Intrinsic Semiconductors) 就是完全純凈的、具有晶體結構的半導體。就是完全純凈的、具有晶體結構的半導體。 現(xiàn)代電子中應用最多的本征半導體為現(xiàn)代電子中應用最多的本征半導體為鍺鍺和和硅硅，它，它們們最外層電子最外層電子各有四個價電子，都是四價元素各有四

4、個價電子，都是四價元素. .Si硅原子硅原子Ge鍺原子鍺原子 純凈的半導體其所有的原子基本上整齊排列，形純凈的半導體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結構，所以半導體也稱為晶體成晶體結構，所以半導體也稱為晶體 晶體管名稱的由來晶體管名稱的由來 下圖是本征半導體晶體結構中的下圖是本征半導體晶體結構中的共價鍵共價鍵結構結構本征半導體本征半導體SiSiSiSi共價鍵共價鍵價電子價電子 (covalent bonds) (Electrons )(a) five noninteracting silicon atoms, each with four valence electrons, (b) th

5、e tetrahedral configuration( (四面體結構）四面體結構）(a)(a)(b)(c)(c) a two-dimensional representation showing the covalent bondingFigure 1.1 Silicon atoms in a crystal matrix: 在熱力學溫在熱力學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, ,本征半導本征半導體不導電。體不導電。本征半導體的共價鍵結構本征半導體的共價鍵結構硅原子硅原子價電子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4（Free Electrons and Holes) 共價鍵

6、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?？昭昭?Hole)SiSiSiSi自由電子自由電子(Free electrons)熱激發(fā)與復合熱激發(fā)與復合（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) 自由電子在運自由電子在運動中遇到空穴后，動中遇到空穴后，兩者同時消失，兩者同時消失，稱為稱為復合現(xiàn)象復合現(xiàn)象 溫度一定時，本溫度一

7、定時，本征半導體中的自由征半導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+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)復合復合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+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴導電的實空穴導電的實質(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空穴形次填補空穴形成電流。故半成電流。故半導體中有導體中有電子電子和和空穴空穴兩兩種種載流

8、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電。參與導電。 價電子填補空穴價電子填補空穴半導體導電方式半導體導電方式:載流子載流子(Carrier)自由電子和空穴自由電子和空穴 當半導體兩端加上外電壓時，當半導體兩端加上外電壓時，自由電子作定向運動形成電子電流；自由電子作定向運動形成電子電流；而空穴的運動相當于正電荷的運動而空穴的運動相當于正電荷的運動 在半導體中，同時存在著電子導電和空在半導體中，同時存在著電子導電和空穴導電，這是半導體導電方式的最大特點穴導電，這是半導體導電方式的最大特點 溫度愈高，載流子

9、數(shù)目愈多，導電性能溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導電性能也就愈好也就愈好1、半導體和金屬在導電原理上的半導體和金屬在導電原理上的本質(zhì)差別本質(zhì)差別2、溫度溫度對半導體器件性能的影響。對半導體器件性能的影響。14.1.2 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體(Extrinsic Semiconductors) 1 1、N型半導體型半導體 (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）電電子型半導體子型半導體或或N N型型半導體半導體 . .自由電子是自由電子是多數(shù)載流子多數(shù)載流子(Majority Carriers)空穴是空穴

10、是少數(shù)載流子少數(shù)載流子(Minority Carriers)SiSiP+Si或稱為或稱為N型半導體和型半導體和P型半導體型半導體多余多余電子電子N N型半導體型半導體+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型半導體結構示意圖型半導體結構示意圖2、P型半導體型半導體(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

11、半導體或空穴型半導體或P P型半導體型半導體。SiSiB-Si空穴空穴P型半導體型半導體+4+4+4+4+4+4+4空穴空穴+4+4硼原子硼原子填補空位填補空位+3負離子負離子 P 型半導體結構示意圖型半導體結構示意圖電子是少數(shù)載流子電子是少數(shù)載流子負離子負離子空穴是多數(shù)載流子空穴是多數(shù)載流子 不論不論N N型半導體還是型半導體還是P P型半導體，雖然型半導體，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。返回注意事項注意事項P 區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上, ,形成形成P

12、P型半導體區(qū)域和型半導體區(qū)域和N N型半導體區(qū)域型半導體區(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。結。N區(qū)的電子向區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復合區(qū)擴散并與空穴復合P區(qū)的空穴向區(qū)的空穴向N區(qū)擴散并與電子復合區(qū)擴散并與電子復合空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向 2、 漂移漂移（Drift ）：）：Drift, which is the movement caused by electric fields; 少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運少數(shù)載流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為動稱為漂移漂移運動。運動。返回術語術語Terminology 1、

13、擴散擴散（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動稱為擴散多數(shù)載流子在濃度差的作用的運動稱為擴散運動。運動。多子擴散多子擴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) 在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡，在一定的條件下，多子擴散與少子漂移達到動態(tài)平衡， 空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來?？臻g

14、電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來。 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)的空穴進入空間區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)區(qū)電子進入空間電荷區(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 擴散運動增強，形擴散運動增強，形成較大的正向電流成較大的正向電流1. 外加正向電壓外加正向電壓P 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

15、向電壓外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側的空穴和自由電子移走外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側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結結形成很小的反向電流形成很小的反向電流 多數(shù)載流子的擴散運動難于進行多數(shù)載流子的擴散運動難于進行擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散運動和漂移運動的動態(tài)平衡擴散強擴散強漂移運動增強漂移運動增強內(nèi)電場增強內(nèi)電場增強兩者平衡兩者平衡PNPN結寬度基本穩(wěn)定結寬度基本穩(wěn)定外加外加電壓電壓平衡平衡破壞破壞擴散強擴散強漂移強漂移強PNPN結導通結導通PNPN結截止結截止1、PNPN結加正向電壓：結加正向電壓：PNPN結所處的狀態(tài)稱為結所處的狀態(tài)稱為正向?qū)д驅(qū)ㄍ?，?/p>

16、特點：，其特點：PNPN結正向電流大，結正向電流大，PNPN結電阻小。結電阻小。相當于開關閉合相當于開關閉合SPN結的單向?qū)щ娦越Y的單向?qū)щ娦裕?、PNPN結加反向電壓：結加反向電壓：PNPN結所處的狀態(tài)稱為結所處的狀態(tài)稱為反向截止反向截止，其特點：，其特點：PNPN結反向電流小，結反向電流小，PNPN結電阻大。結電阻大。相當于開關打開相當于開關打開 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極引線負極引線點接觸型二極管點接觸型二極管二極管的符號二極管的符號正極正極負極負極 正極引線正極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型區(qū)型區(qū)負極引線負極引線 平面型二極管平面型二極管N型硅型硅PN

17、結結PN結結I / 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，通常稱為與反向電壓的高低無關，通常稱為反向飽和電流反向飽和電流600400200 0.1 0.200.4 0.850

18、100I / 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極負極+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極負極+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 例例1：下圖中，已知：下圖中，已知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)先導通，則優(yōu)先導通，則VY=30.3=

19、2.7VDA導通后導通后, 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+ 0.3VDE3VRuiuouRuD 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 /V63300 2 2 6uR？ t 630 2 例例3：雙向限幅電路雙向限幅電路 t 033D1E3VRD2E3VuiuouRuD ui / Vuo /V3例例 14.3.1 由下圖（由下

20、圖（a）中的）中的R和和C構成一微分電路。當輸入電壓構成一微分電路。當輸入電壓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。設的波形。設Uc（0）= 0（a）（b）Figure 1.3 The diode rectifier: (a) circuit, (b) sinusoidal input signal, (c) equivalent circuit 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

21、。電流關系：電流關系：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, normally in the range of tenths of a micrometer (10-6m).Figure 1.8 An npn bipolar transistor biased in the

22、 forward-active mode Figure 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 and collector may be on the order of 1019, 1017, and 1014 cm -3, respectively. ECRCIC UCECEBUBE共發(fā)射極接法放大電路共發(fā)射極接

23、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)射結正向偏置；）發(fā)射結正向偏置；（2）集電結反向偏置。）集電結反向偏置。對于對于NPN型三極管應滿足型三極管應滿足: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 VEECRCIC 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)射結正向偏置；）發(fā)射結正向偏置；（2）集電結反向偏置。）集電結反向偏置。對于對于PNP型三極管應滿足型三極管應滿足: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型三極管應滿足型三極管應滿足: 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（二）（二） 飽和狀態(tài)飽和狀態(tài) 集電結、發(fā)射結均反向偏置，即集電結、發(fā)射結均反向偏置，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之間相當于短路之間相當于短路（三）（三） 截止狀態(tài)截止狀態(tài)即即UCE 0， UBC0， UCE0，則此管工