半導體二極管和三極管課件

1、第第 9 章章 半導體二極管和三極管半導體二極管和三極管9.2 半導體二極管半導體二極管 9.3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管9.4 半導體三極管半導體三極管9.1 半導體的導電特性半導體的導電特性共價鍵共共價鍵共用電子對用電子對（束縛電子）束縛電子）+4+4+4+4+4+4表示除表示除去價電子去價電子后的原子后的原子9.1 半導體的導電特性半導體的導電特性半導體半導體 硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)由于熱激發(fā)由于熱激發(fā), ,少量價電子獲得足夠的能量而脫離共少量價電子獲得足夠的能量而脫離共價鍵的束縛，成為價鍵的束縛，成為自由電子自由電子，同時共價鍵上留下一個空，同時共價鍵上留下一個空位，稱為位，稱為空穴

2、空穴。（本征激發(fā)）。（本征激發(fā)）1) 1) 載流子：載流子：( (自由電子和空穴自由電子和空穴) )+4+4+4+4自由電子自由電子空穴空穴束縛電子束縛電子9.1.1 9.1.1 本征半導體本征半導體2) 本征半導體的導電機理本征半導體的導電機理+4+4+4+4 * 空穴吸引附近的電子空穴吸引附近的電子來填補來填補（復合）（復合）, , 相當于相當于空穴的遷移，可以認為空穴空穴的遷移，可以認為空穴是載流子?？昭◣д姾?，是載流子?？昭◣д姾?，空穴子移動形成電流?？昭ㄗ右苿有纬呻娏?。本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即本征半導體中存在數(shù)量相等的兩種載流子，即自由電子自由電子和和空穴空穴。

3、* 電子定向移動形成電流。電子定向移動形成電流。 * 溫度越高，載流子的濃度溫度越高，載流子的濃度越高。因此本征半導體的導電越高。因此本征半導體的導電能力越強能力越強在外電場的作用下，在外電場的作用下，+4+4+3+4在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生在本征半導體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導體的導電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。顯著變化。其原因是摻雜半導體的某種載流子濃度大大增加。9.1.2 9.1.2 N 型半導體和型半導體和P 型半導體型半導體+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子N 型半導體型半導體摻入少量的五價元素磷摻

4、入少量的五價元素磷多數(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P 型半導體型半導體摻入少量的三價元素硼摻入少量的三價元素硼多余多余空穴空穴硼原子硼原子多數(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9.1.3 PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦? 1、PN PN 結(jié)的形成結(jié)的形成 用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成用專門的制造工藝在同一塊半導體單晶上，形成 P 型半導體型半導體區(qū)域和區(qū)域和 N 型半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特型半導體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。結(jié)。 P

5、區(qū)區(qū)N 區(qū)區(qū)N區(qū)的區(qū)的電子向電子向P區(qū)擴散區(qū)擴散并與空并與空穴復合穴復合PN 結(jié)結(jié)內(nèi)電場方向內(nèi)電場方向PN 結(jié)變窄結(jié)變窄 P接正、接正、N接負接負 外電場外電場IF內(nèi)電場內(nèi)電場PN+IR+9.2 半導體二極管半導體二極管9.2.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu) 將將 PN 結(jié)加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極結(jié)加上相應的電極引線和管殼，就成為半導體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點接觸型和面接觸型兩類。管。按結(jié)構(gòu)分，有點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型點接觸型表示符號表示符號正極正極負極負極金銻合金金銻合金面接觸型面接觸型N型鍺型鍺 正極引線正極引線負極引線負極引線 PN 結(jié)結(jié)底座底座鋁合金小球鋁合金小球引線引

6、線觸絲觸絲N 型鍺型鍺外殼外殼9.2.2 9.2.2 伏安特性伏安特性反向擊穿電壓反向擊穿電壓U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+9.2.3 主要參數(shù)主要參數(shù) 1. 最大整流電流最大整流電流 IOM 最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。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 它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿反向擊穿電壓的一半或三分之二。電壓的一半或三分之二。 3. 反向峰值電流反向峰值電流 IRM它

7、是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。 二極管的應用：二極管的應用： 主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴Ｋ捎门c整流、檢波、限主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用與整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。 解解 因為因為 VA 高于高于VB ，所以，所以DA 優(yōu)先導通。如果二極管的正向優(yōu)先導通。如果二極管的正向壓降是壓降是 0.3 V，則，則 VY = + 2.7 V。當當 DA 導通后導通后, DB 因反偏而截止。因反偏而截止。 在這里，在這里，DA 起鉗位作用，起鉗位作用，將輸出端電位

8、鉗制在將輸出端電位鉗制在 + 2.7 V。 例例 9.2.1 在圖中，輸入電位在圖中，輸入電位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 電阻電阻 R 接負電源接負電源 12 V。求輸出端電位。求輸出端電位 VY。DA 12VYVAVBDBR二極管：二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 .5V，正向壓降，正向壓降 0.7V(硅二極管硅二極管) 理想二極管：理想二極管：死區(qū)電壓死區(qū)電壓=0 ，正向壓降，正向壓降=0 RLuiuouiuott二極管的應用舉例二極管的應用舉例 1：二極管半波整流二極管半波整流V sin18itu t 動畫動畫IZmax+-穩(wěn)壓二極管符號穩(wěn)壓二極管符號UIUZIZ穩(wěn)壓二極管

9、特性曲線穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當穩(wěn)壓二極管工作當穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下在反向擊穿狀態(tài)下,當工作電流當工作電流IZ在在Izmax和和 Izmin之間時之間時,其兩端電壓近似為其兩端電壓近似為常數(shù)常數(shù)正向同正向同二極管二極管穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流穩(wěn)定穩(wěn)定電壓電壓9.3 穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓二極管穩(wěn)壓管是工作于反向擊穿區(qū)的特殊的半導體二極管穩(wěn)壓管是工作于反向擊穿區(qū)的特殊的半導體二極管（4）穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流IZ、最大、最小穩(wěn)定電流最大、最小穩(wěn)定電流Izmax、Izmin。（5）最大允許功耗）最大允許功耗maxZZZMIUP（1）穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ（2）電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（%/） 穩(wěn)壓值

10、受溫度變化影響的的系數(shù)。穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動態(tài)電阻）動態(tài)電阻ZZIUZr穩(wěn)壓二極管的參數(shù)穩(wěn)壓二極管的參數(shù): 例例 9.3.1 圖中通過穩(wěn)壓管的電流圖中通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于等于多少？多少？R 是限流電阻，其值是否合適？是限流電阻，其值是否合適？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mAIZ例例 1 的圖的圖IZ IZM ，電阻值合適。，電阻值合適。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I穩(wěn)壓管的應用穩(wěn)壓管的應用要有合適的限流電阻要有合適的限流電阻R, Izmax Iz zmin半導體三極管半導體三極管: : 是具有電流放大

11、功能的元件是具有電流放大功能的元件NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC9.4.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理EEBRBRC 三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律三極管內(nèi)部載流子的運動規(guī)律BECNNPVEERBVCCIEIBEICEICBOJCJEBECNNPVEERBVCCIEIBEICEICBOJCJEICIB2. 三極管的電流分配關系ICICE ICBOIBIBE ICBOIEIC IBCEOBCBOBCBOCBOBCBOBECBOCECIIIIIIIIIIII )1( )( 得：得：令：令：IC E/ IBE共發(fā)射極電流放大系數(shù)共發(fā)射極電流放大系數(shù)放大系數(shù)放大系數(shù)稱為靜態(tài)（直

12、流）電流稱為靜態(tài)（直流）電流 IIBC2、共發(fā)射極電流放大系數(shù)、共發(fā)射極電流放大系數(shù)放大系數(shù)放大系數(shù)稱為動態(tài)（交流）電流稱為動態(tài)（交流）電流 IIBC 在放大狀態(tài)下三極管具有電流放大作用在放大狀態(tài)下三極管具有電流放大作用定義：定義：高頻小功率高頻小功率三極管三極管為幾十至幾百為幾十至幾百3、電流分配關系：、電流分配關系：當當 IB = 0( (將基極開路將基極開路) )時，時，IC = ICEO，ICEO 0，UBC UBE。BCII ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEB共發(fā)射極電路共發(fā)射極電路IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O

13、3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)( (2) ) 截止區(qū)截止區(qū) IB = 0 的曲線以下的的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時時, IC = ICEO( (很小很小) )。對。對 NPN 型硅管，當型硅管，當UBE 0.5 V 時，即已開始截止，但時，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，為了使晶體管可靠截止，常使常使 UBE 0，截止時集，截止時集電結(jié)也處于反向偏置電結(jié)也處于反向偏置( (UBC 0) )，此時此時, IC 0 ，UCE UCC 。( (3) ) 飽和區(qū)飽和區(qū) 當當 UCE 0) )，晶體晶體管工作于飽和狀態(tài)

14、。在飽和區(qū)，管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC 和和 IB 不成正比。此時，發(fā)不成正比。此時，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，射結(jié)也處于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 區(qū)區(qū) 當晶體管飽和時，當晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的接通，其間電阻很??；當晶體管截止時，個開關的接通，其間電阻很??；當晶體管截止時，IC 0 ，發(fā)，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關的斷開，其間電阻很大，可射極與集電極之間如同一個開關的斷開，

15、其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。見，晶體管除了有放大作用外，還有開關作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0 IB+ UCE 0 ( (c) )飽和飽和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 狀狀 態(tài)態(tài) 飽和飽和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 開始截止開始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )鍺管鍺管( (PNP) ) 0.7 0.3

16、0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶體管結(jié)電壓的典型值晶體管結(jié)電壓的典型值9.4.4 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) ， 當晶體管接成共發(fā)射極電路時，在靜態(tài)當晶體管接成共發(fā)射極電路時，在靜態(tài)( (無輸入信號無輸入信號) )時集時集電極電流與基極電流的比值稱為電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流靜態(tài)電流( (直流直流) )放大放大系數(shù)系數(shù) BCII 當晶體管工作在動態(tài)當晶體管工作在動態(tài)( (有輸入信號有輸入信號) )時，基極電流的變化時，基極電流的變化量為量為 IB ，它引起集電極電流的變化量為，它引起集電極電流的變化量為 IC 。 IC

17、與與 IB的比值稱為的比值稱為動態(tài)電流動態(tài)電流( (交流交流) )放大系數(shù)放大系數(shù) BCII 在輸出特性曲線近于平行等距并且在輸出特性曲線近于平行等距并且 ICEO 較小的情況下較小的情況下,可近似認為可近似認為 ，但二者含義不同。，但二者含義不同。 2. 集集基極反向截止電流基極反向截止電流 ICBO ICBO 是當發(fā)射極開路時流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。是當發(fā)射極開路時流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。3. 集集射極反向截止電流射極反向截止電流 ICEO ICEO 是當基極開路是當基極開路( (IB = 0) )時的集電極電流，也稱為穿透時的集電極電流，也稱為穿透電流，其值越小越好。電流，其值越小越好。 4. 集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 當當 值下降到正常數(shù)值的三分之二時的集電極電流，稱為值下降到正常數(shù)值的三分之二時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流集電極最大允許電流 ICM 。 5. 集集射反相擊穿電壓射反相擊穿電壓 U(BR)CEO 6. 集電極最大允許耗散功率集電極最大允許耗散功率 PCM 基極開路時，加在