第8章 二極管 晶體管

1、第第8章章: 二極管、晶二極管、晶體管和場效應(yīng)管體管和場效應(yīng)管 任課教師：贠素君任課教師：贠素君 辦公室辦公室: 物電院物電院322室室電工電子技術(shù)電工電子技術(shù)8.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性1、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識半導(dǎo)體：半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)， 例如例如硅硅Si、鍺、鍺Ge、砷化鎵、砷化鎵GaAs 和和一些硫化物一些硫化物、金屬金屬氧化物氧化物等。等。導(dǎo)導(dǎo) 體：體：電阻率電阻率 cm 的物質(zhì)。的物質(zhì)。如銅、銀、如銅、銀、鋁等金屬材料。鋁等金屬材料。410絕緣體：絕緣體：電阻率電阻率 cm 物質(zhì)。物質(zhì)。如橡膠、塑料如橡

2、膠、塑料、云母、陶瓷云母、陶瓷等。等。9102、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電 能力明顯改變能力明顯改變當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化當(dāng)受到光照時，導(dǎo)電能力明顯變化當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強共價健共價健 Si Si Si Si價電子價電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴 若若 溫度溫度 T ，將有，將有少數(shù)價電子克服共價鍵少數(shù)價電子克服共價鍵的束縛成為的束縛成為自由電子自由電子，在原來的共價鍵中留下在原來的共價鍵中留下一個空位一個空位空穴?？昭ā

3、自由電子自由電子和和空穴空穴使使本本征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，征半導(dǎo)體具有導(dǎo)電能力，但很微弱。但很微弱?？昭煽闯蓭д姷妮d流子?？昭煽闯蓭д姷妮d流子。電子空穴對電子空穴對 由熱激發(fā)而產(chǎn)生由熱激發(fā)而產(chǎn)生本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種本征半導(dǎo)體中存在數(shù)量相等的兩種載流子載流子，即，即自由電子自由電子和和空穴空穴。溫度溫度越高越高運動加劇運動加劇載流子的載流子的濃度濃度越高越高本征半導(dǎo)體的本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強導(dǎo)電能力越強。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的載流子的濃度濃度。歸納歸納本征半導(dǎo)體中載流子的濃度很低本征半導(dǎo)體中載流子的

4、濃度很低, ,導(dǎo)電性能很差。導(dǎo)電性能很差。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與溫度密切相關(guān)。本征半導(dǎo)體中載流子的濃度與溫度密切相關(guān)。雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種雜質(zhì)半導(dǎo)體有兩種N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(摻入摻入5價雜質(zhì)元素價雜質(zhì)元素)P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體(摻入摻入3價雜質(zhì)元素價雜質(zhì)元素)1、 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 5 價價雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素，如磷、砷、銻等，即構(gòu)成如磷、砷、銻等，即構(gòu)成 N 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體( (或稱電子型或稱電子型半導(dǎo)體半導(dǎo)體) )。常用的常用的 5 價雜質(zhì)元素有磷、砷、銻等。價雜質(zhì)元素有磷、砷、銻等。+4+4+4+4+4+4+4+4+4 自由電子濃

5、度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即自由電子濃度遠(yuǎn)大于空穴的濃度，即 n p 。電電子稱為多數(shù)載流子子稱為多數(shù)載流子( (簡稱多子簡稱多子) )，空穴稱為少數(shù)載流子空穴稱為少數(shù)載流子( (簡稱少子簡稱少子) )。+5施主原子施主原子自由電子自由電子+4+4+4+4+4+4+4+4+4在硅或鍺的晶體中摻入少量的在硅或鍺的晶體中摻入少量的 3 價價雜質(zhì)元素，雜質(zhì)元素，如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成如硼、鎵、銦等，即構(gòu)成 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體。+3空穴濃度多于電子空穴濃度多于電子濃度，即濃度，即 p n?？昭昭槎鄶?shù)載流子為多數(shù)載流子，電子為，電子為少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。3 價雜質(zhì)原子稱為價雜質(zhì)原子稱為受主原子。受主

6、原子。受主原子受主原子空空 穴穴2、 P 型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體圖圖 8.1.5P 型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)型半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)歸納歸納3、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子、雜質(zhì)半導(dǎo)體中起導(dǎo)電作用的主要是多子。4、N型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子型半導(dǎo)體中電子是多子，空穴是少子； P型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。1、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多、雜質(zhì)半導(dǎo)體中兩種載流子濃度不同，分為多數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子、少子）。數(shù)載流子和少數(shù)載流子（簡稱多子、少子）。2、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜、雜質(zhì)半導(dǎo)體中多數(shù)載流子的數(shù)量取決于摻雜濃度，少數(shù)載流

7、子的數(shù)量取決于溫度。濃度，少數(shù)載流子的數(shù)量取決于溫度。雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理雜質(zhì)半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理一、一、PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造在同一片半導(dǎo)體基片上，分別制造P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和和N型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界型半導(dǎo)體，經(jīng)過載流子的擴散，在它們的交界面處就形成了面處就形成了PN結(jié)。結(jié)。+空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)N型區(qū)型區(qū)P型區(qū)型區(qū) PN結(jié)結(jié)漂移運動漂移運動P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+擴散運動擴散運動內(nèi)電場內(nèi)電場EPN結(jié)處載流子的運動結(jié)處載流子的運動內(nèi)電場越強，就使漂移內(nèi)電場越強，就使漂移運動越強，而漂移使空運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。間電荷區(qū)

8、變薄。擴散的結(jié)果是使空間電擴散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬。荷區(qū)逐漸加寬。所以擴散和漂所以擴散和漂移這一對相反移這一對相反的運動最終達的運動最終達到平衡，相當(dāng)?shù)狡胶?，相?dāng)于兩個區(qū)之間于兩個區(qū)之間沒有電荷運動沒有電荷運動，空間電荷區(qū)，空間電荷區(qū)的厚度固定不的厚度固定不變。變。空間電荷區(qū)中沒有載流子。空間電荷區(qū)中沒有載流子?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場空間電荷區(qū)中內(nèi)電場阻礙多子阻礙多子（ P區(qū)中的區(qū)中的空穴、空穴、N區(qū)中的電子）區(qū)中的電子） 的的擴散運動。擴散運動。 P區(qū)中的電子和區(qū)中的電子和N區(qū)中的空穴（區(qū)中的空穴（都是少子都是少子） 數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流數(shù)量有限，因此由它們形成的漂移電流

9、很小。很小?？臻g電荷區(qū)中內(nèi)電場空間電荷區(qū)中內(nèi)電場推動少子推動少子（ P區(qū)中的區(qū)中的電子、電子、N區(qū)中的空穴）區(qū)中的空穴） 的的漂移運動。漂移運動。歸納歸納 外電場外電場IFPN+ 二、二、PN 結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦?IR PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦哉蛱匦哉蛱匦苑聪蛱匦苑聪蛱匦詺w納歸納P（+），），N（-），外電場削弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，），外電場削弱內(nèi)電場，結(jié)導(dǎo)通，I正正大；大；I 的大小與外加電壓有關(guān)；的大小與外加電壓有關(guān)；P（-），），N（+），外電場增強內(nèi)電場，結(jié)不通，），外電場增強內(nèi)電場，結(jié)不通，I反反很小；很??；I反反的大小與少子的數(shù)量有關(guān)，與溫度有關(guān)；的大小與少子的數(shù)

10、量有關(guān)，與溫度有關(guān)； PN結(jié)結(jié)呈現(xiàn)低電阻，稱為呈現(xiàn)低電阻，稱為“正向?qū)ㄕ驅(qū)ā?PN結(jié)結(jié)呈現(xiàn)高電阻，稱為呈現(xiàn)高電阻，稱為“反向截止反向截止” 擴散運動擴散運動 漂移運動漂移運動 擴散運動擴散運動 漂移運動漂移運動小功率小功率二極管二極管大功率大功率二極管二極管穩(wěn)壓穩(wěn)壓二極管二極管發(fā)光發(fā)光二極管二極管 + 引線引線 + 封裝封裝 = 二極管二極管 陰極引線陰極引線陽極引線陽極引線二氧化硅保護層二氧化硅保護層P型硅型硅N型硅型硅( c ) 平面型平面型金屬觸絲金屬觸絲陽極引線陽極引線N型鍺片型鍺片陰極引線陰極引線外殼外殼( a ) 點接觸型點接觸型鋁合金小球鋁合金小球N型硅型硅陽極引線陽極引線

11、PN結(jié)結(jié)金銻合金金銻合金底座底座陰極引線陰極引線( b ) 面接觸型面接觸型陰極陰極陽極陽極( d ) 符號符號DUI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.5V,鍺管鍺管0.1V。導(dǎo)通壓降導(dǎo)通壓降: 硅硅管管0.60.8V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿電反向擊穿電壓壓UBR正向特性：正向特性：EDI反向特性：反向特性：EDI反反U死區(qū)死區(qū)電壓，導(dǎo)電壓，導(dǎo)通通UI I反反很小，與溫很小，與溫度有關(guān)；度有關(guān)；U 擊擊穿電壓，擊穿穿電壓，擊穿導(dǎo)通導(dǎo)通UI U（BR）= =幾十伏幾十伏uiU(BR)0UonIS20開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓理想伏安特性曲線理想伏安特性曲線vD

12、iD在許多情況下，可以忽略二極管的正向壓降和反向飽在許多情況下，可以忽略二極管的正向壓降和反向飽和電流。這時二極管就是一個理想開關(guān)。和電流。這時二極管就是一個理想開關(guān)。uiU(BR)0UonIS20開啟開啟電壓電壓反向飽反向飽和電流和電流擊穿擊穿電壓電壓二極管經(jīng)常應(yīng)用于以下場合：二極管經(jīng)常應(yīng)用于以下場合：（1 1）整流。）整流。（2 2）限幅。）限幅。（4 4）邏輯（二極管邏輯）。）邏輯（二極管邏輯）。（3 3）檢波。）檢波。定性分析：定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通導(dǎo)通截止截止 若二極管是若二極管是理想理想的，的，【例8.3.1】圖8.3.3所示電路中，ui=10 si

13、n314 t V，E=5 V，當(dāng)1、2端開路時，畫出uD、uR、uo的波形圖。 解解圖圖 8.3.4 ui、uR、uD、uo的波形圖的波形圖【例8.3.2】圖8.3.5所示電路中，試求下列幾種情況下輸出端Y的電位Vo及各元件中的電流: (1) VA=+6 V，VB=+4 V; (2) VA=+6 V， VB=+5.5 V。設(shè)二極管為理想二極管。 圖圖 8.3.5例例8.3.2的電路的電路解解電路中二極管VDA、VDB的陰極接在一起，如果兩個二極管的陽極電位都高于陰極電位，則陽極電位高的管子搶先導(dǎo)通，然后再判斷另一個管子是否導(dǎo)通。(1) 當(dāng)VAVB時，VDA搶先導(dǎo)通，如果VDB不導(dǎo)通，則R1、V

14、DA、R3串聯(lián)，由于VoVB，VDB的陽極電位低于陰極電位，假設(shè)是正確的，因此mA 6 . 0A8000200063131RRVIIA02IV 8 . 4oV8 . 468000200080001330VVRRRVA(2) 當(dāng)VAVB時，VDA搶先導(dǎo)通，如果VDB不導(dǎo)通， 則Vo=4.8 V，但現(xiàn)在VDB=5.5 V，所以可以認(rèn)為VDA、VDB均導(dǎo)通，則 3o2oB1oARVRVVRVVV 23. 5oV此時VBVo，與假設(shè)吻合，說明VDB也導(dǎo)通。這時有:mA 39. 0A200023. 561oA1RVVImA 27. 0A 100023. 55 . 52oB2RVVImA 66. 0213

15、IIIUZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管與二極管的主要區(qū)別穩(wěn)壓管運用在反向擊穿區(qū)，穩(wěn)壓管運用在反向擊穿區(qū)， 二極管運用在正向區(qū)；二極管運用在正向區(qū)；穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡。穩(wěn)壓管比二極管的反向特性更陡?！纠?.4.1】圖8.4.3中，通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？ R是限流電阻，其值是否合適？mA 5A105A106 . 1122033ZI圖8.4.3 例8.4.1圖 IZVB VEVCVB EB保證集電結(jié)反偏。保證集電結(jié)反偏。晶體管內(nèi)部載流子的運動及電流分配晶體管內(nèi)部載流子的運動及電流分配1. 1.發(fā)射極加正向電壓，擴散運動形成發(fā)射極加正向

16、電壓，擴散運動形成擴散擴散電流電流IE（發(fā)射載流子）（發(fā)射載流子）2. 2.擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合擴散到基區(qū)的自由電子與空穴的復(fù)合運動形成運動形成復(fù)合電流復(fù)合電流IBE3. 3.集電結(jié)加反向電壓，推動基區(qū)電子向集電結(jié)加反向電壓，推動基區(qū)電子向集電區(qū)漂移，形成漂移電流集電區(qū)漂移，形成漂移電流ICE（收集（收集載流子）載流子）4. 4.集電結(jié)的集電結(jié)的反向電流反向電流ICBO( (少子漂移）少子漂移）反向飽和電流反向飽和電流ICBO大大小小極小極小大大EBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE發(fā)射極電流發(fā)射極電流IE基極電流基極電流IB=IBE-ICBO集電極電流集電極電流I

17、C=ICE+ICBOCBEIIICBOCECIIICBOBEBIIIEBNPNICBORbRCECICIBIEIBEICE晶體管的電流放大系數(shù)晶體管的電流放大系數(shù)定義：定義：BCBECEIIII1結(jié)論：結(jié)論：且與晶體管的結(jié)構(gòu)有關(guān)且與晶體管的結(jié)構(gòu)有關(guān)很小的基極電流很小的基極電流IB，就可以控制較，就可以控制較大的集電極電流大的集電極電流IC，從而實現(xiàn)了放，從而實現(xiàn)了放大作用。大作用。 即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，內(nèi)部載流子運動的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。是分析放大電路的依據(jù)

18、。 重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線重點討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線8.5.3、晶體管的共射特性曲線、晶體管的共射特性曲線 測試線路：測試線路： 輸入特性：輸入特性： 輸出特性：輸出特性：共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路輸入回路輸入回路輸出回路輸出回路發(fā)射極是輸入回路、發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端輸出回路的公共端 當(dāng)當(dāng)UCE為常數(shù)時發(fā)射結(jié)電壓為常數(shù)時發(fā)射結(jié)電壓UBE與基極與基極電流電流IB的關(guān)系；的關(guān)系；當(dāng)當(dāng)IB為常數(shù)時集電極電流為常數(shù)時集電極電流IC與管壓降與管壓降UCE的關(guān)系。的關(guān)系。ICmA AVVUCEUBERBIBECEBRC常常數(shù)數(shù) CE)(BEBUUfIIB( A)UBE(V)204060800.40.8UCE 1