二極管三極管

1、半導體的導電特性半導體的導電特性 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體 PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦越Y(jié)及其單向?qū)щ娦?半導體二極管與雙極型晶體管 半導體二極管半導體二極管 雙極型晶體管雙極型晶體管半導體概念半導體概念依照導電性能，可以把媒質(zhì)分為依照導電性能，可以把媒質(zhì)分為導體、導體、絕緣體絕緣體和和半導體半導體。 導體導體有良好的導電能力，銅、鋁等金屬材料；有良好的導電能力，銅、鋁等金屬材料； 絕緣體絕緣體基本上不能導電，玻璃、陶瓷等材料；基本上不能導電，玻璃、陶瓷等材料； 半導體半導體的導電性能介于導體和絕緣體之間，的導電性能介于導體和絕緣體之間，硅硅(Si)(Si)、鍺、鍺(Ge)(Ge)、砷化鎵、砷化鎵(Ga

2、As)(GaAs)等材料。等材料。半導體的導電能力會半導體的導電能力會隨隨溫度、光照溫度、光照的變化或因的變化或因摻入某些摻入某些雜質(zhì)雜質(zhì)而發(fā)生顯著而發(fā)生顯著變化。變化。銅導線銅導線(左上左上)、玻璃絕緣體、玻璃絕緣體(左下左下)和硅晶體和硅晶體(上上)半導體器件半導體器件具有體積小、重具有體積小、重量輕、使用壽命長、耗電少等特量輕、使用壽命長、耗電少等特點，是組成各種電子電路的核心點，是組成各種電子電路的核心器件，在當今的電子技術中占有器件，在當今的電子技術中占有主導地位。主導地位。 GaAs-AlGaAs 諧振腔發(fā)光二極管諧振腔發(fā)光二極管Ge二極管二極管Si二極管二極管 光敏電阻是一種特殊

3、的光敏電阻是一種特殊的電阻電阻，它的電阻和光線的強弱有直接關系，它的電阻和光線的強弱有直接關系光強度增加，則電阻減?。还鈴姸仍黾?，則電阻減??；光強度減小，則電阻增大。光強度減小，則電阻增大。通常應用于光控電路，如路燈照明、警報器、樓梯燈通常應用于光控電路，如路燈照明、警報器、樓梯燈本征半導體本征半導體一、一、半導體半導體 指純單晶，理想化的。指純單晶，理想化的。 現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外現(xiàn)代電子學中，用的最多的半導體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。層電子（價電子）都是四個。結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)： GeSi硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)硅和鍺的共價鍵結(jié)構(gòu)共價鍵共共價鍵共用電子對

4、用電子對+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共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為共價鍵中的兩個電子被緊緊束縛在共價鍵中，稱為束縛電子束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為常溫下束縛電子很難脫離共價鍵成為自由電子自由電子，因此本征半，因此本征半導體中的自由電子很少，導電能力很弱。導體中的自由電子很少，導電能力很弱。共價鍵共價鍵：共價鍵就是相鄰兩個原子中的價電子成為：共價鍵就是相鄰兩個原子中的價電子成為共用電子對共用電子對而形成的相互作用力。而形成的相互作用力。 輻射方法輻射方法 加熱加熱 本征半導體導電性能本征半導體導電性能比金屬導體比金屬導體差差很多

5、。很多。但它具有熱敏但它具有熱敏、 光光敏的特性敏的特性。 如何導電？如何導電？ 強能量的量子撞擊共價鍵強能量的量子撞擊共價鍵? 光照是一般采用的方法。光照是一般采用的方法。 分子振動分子振動 破壞結(jié)構(gòu)破壞結(jié)構(gòu)電子掉下來，引起自由電電子掉下來，引起自由電子子空穴空穴1.4 電子器件 幾個概念幾個概念本征激發(fā)本征激發(fā)：當本征半導體的溫度升高或受到光照時，當本征半導體的溫度升高或受到光照時，某些共價鍵中的價電子某些共價鍵中的價電子從外界獲得能量從外界獲得能量而掙脫共價而掙脫共價鍵的束縛，鍵的束縛，離開原子而成為離開原子而成為自由電子自由電子的同時，在共價鍵中會留的同時，在共價鍵中會留下數(shù)量相同的空

6、位子下數(shù)量相同的空位子空穴空穴。這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為本征激發(fā)本征激發(fā)。本征激發(fā)形成本征激發(fā)形成: : 電子電子( (負電荷負電荷) )- -空穴（空穴（帶正電帶正電）雜質(zhì)半導體：雜質(zhì)半導體：摻雜后的半導體摻雜后的半導體，包括，包括N N型半導體和型半導體和P P型半導體。型半導體。N N型半導體型半導體：在本征半導體中摻入：在本征半導體中摻入五價元素五價元素( (磷、砷、銻磷、砷、銻) )等，每個等，每個雜質(zhì)原子提供雜質(zhì)原子提供一個自由電子，從而大量增加自由一個自由電子，從而大量增加自由電子數(shù)量。電子數(shù)量。N N型型半導體中半導體中自由電子濃度遠大于空自由電子濃度遠大于空穴濃度穴濃度，為多

7、數(shù)載流子，為多數(shù)載流子( (多子多子) )，空穴，空穴為少數(shù)載流子為少數(shù)載流子( (少子少子) )。+4+4+4+4+5+4+4+4+4自由電子自由電子 雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體P P型半導體型半導體：在本征半導體中摻入：在本征半導體中摻入三價元素三價元素( (硼、鋁、銦硼、鋁、銦) )等，等，每個雜質(zhì)原子每個雜質(zhì)原子( (受主原子受主原子) )提供一個空穴，從而大量增加空提供一個空穴，從而大量增加空穴數(shù)量。穴數(shù)量。P P型型半導體中半導體中空穴濃度遠大于自由電子濃度空穴濃度遠大于自由電子濃度，為多數(shù)載流子為多數(shù)載流子( (多子多子) )，自由電子為少數(shù)載流子自由電子為少數(shù)載流子( (少子少子)

8、)。+4+4+4+4+3+4+4+4+4空穴空穴雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體的記憶及示意表示法：雜質(zhì)半導體的記憶及示意表示法：P 型半導體型半導體+N 型半導體型半導體雜質(zhì)雜質(zhì)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)型半導體多子和少子的移動都能形成電流。但由于數(shù)量的關系，起導電作用的主要是量的關系，起導電作用的主要是多子多子。近似認為近似認為多子與雜多子與雜質(zhì)濃度相等。質(zhì)濃度相等。結(jié)論結(jié)論u 不論不論P P型或型或N N型半導體，摻雜越多，摻雜濃度越大，多子型半導體，摻雜越多，摻雜濃度越大，多子數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子數(shù)目越少，其濃度也數(shù)目就越多，多子濃度就越大，少子數(shù)目越少，

9、其濃度也小。小。u 摻雜后，多子濃度都將遠大于少子濃度，且即使是少量摻雜后，多子濃度都將遠大于少子濃度，且即使是少量摻雜，載流子都會有摻雜，載流子都會有幾個數(shù)量級的增加幾個數(shù)量級的增加，表明其導電能力，表明其導電能力顯著增大顯著增大。幾十萬到幾百萬倍。幾十萬到幾百萬倍u 在雜質(zhì)半導體中，在雜質(zhì)半導體中，多子濃度多子濃度近似等于摻雜濃度，其值與近似等于摻雜濃度，其值與溫度幾乎無關，而溫度幾乎無關，而少子濃度少子濃度也將隨溫度升高而顯著增大。也將隨溫度升高而顯著增大。小結(jié)小結(jié) 1 1、半導體半導體的導電能力介于導體與絕緣體之間。的導電能力介于導體與絕緣體之間。 2 2、在一定溫度下，本征半導體因、

10、在一定溫度下，本征半導體因本征激發(fā)本征激發(fā)而產(chǎn)生自由電子而產(chǎn)生自由電子和空穴對，故其有一定的導電能力。和空穴對，故其有一定的導電能力。 3 3、本征半導體本征半導體的導電能力主要由溫度決定；的導電能力主要由溫度決定；雜質(zhì)半導體雜質(zhì)半導體的的導電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。導電能力主要由所摻雜質(zhì)的濃度決定。 4 4、P P型半導體型半導體中空穴是多子，自由電子是少子。中空穴是多子，自由電子是少子。N N型半導型半導體體中自由電子是多子，空穴是少子。中自由電子是多子，空穴是少子。將一塊半導體的一側(cè)參雜成將一塊半導體的一側(cè)參雜成P P型半導體，另一側(cè)參雜成型半導體，另一側(cè)參雜成N N型半型半導體，

11、那么在中間交界處形成一個導體，那么在中間交界處形成一個PNPN結(jié)結(jié)。 19481948年，年，威廉威廉蕭克利蕭克利的論文的論文“半導體中的半導體中的P-NP-N結(jié)和結(jié)和P-NP-N結(jié)型結(jié)型晶體管的理論晶體管的理論”發(fā)表于貝爾實驗室內(nèi)部刊物。發(fā)表于貝爾實驗室內(nèi)部刊物。根據(jù)根據(jù)PNPN結(jié)的結(jié)的材料、摻雜分布、材料、摻雜分布、 幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件幾何結(jié)構(gòu)和偏置條件的不同，的不同，可以制造多種功能的晶體二極管。可以制造多種功能的晶體二極管。整流二極管、檢波二極管和開關二極管；穩(wěn)壓二極管和雪崩二整流二極管、檢波二極管和開關二極管；穩(wěn)壓二極管和雪崩二極管；激光二極管與半導體發(fā)光二極管；光電探測器；太陽電極

12、管；激光二極管與半導體發(fā)光二極管；光電探測器；太陽電池。雙極型晶體管和場效應晶體管，池。雙極型晶體管和場效應晶體管，是現(xiàn)代電子技術的基礎。是現(xiàn)代電子技術的基礎。PNPN結(jié)結(jié)PN結(jié)的形成結(jié)的形成 在一塊晶體兩邊分別形成在一塊晶體兩邊分別形成P P型型( (硼硼) )和和N N型型半導半導 體體( (磷磷) )。 由于由于P P區(qū)有大量空穴區(qū)有大量空穴( (濃度大濃度大) )，而，而N N區(qū)的空穴極少區(qū)的空穴極少( (濃度小濃度小) )，因，因此空穴要從濃度大的此空穴要從濃度大的P P區(qū)向濃度小的區(qū)向濃度小的N N區(qū)區(qū)擴散擴散。 N N區(qū)電子區(qū)電子也類似反向運動也類似反向運動PN自由電自由電子子空

13、穴空穴擴散擴散 擴散擴散空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)內(nèi)電場內(nèi)電場多數(shù)載流子將多數(shù)載流子將擴散擴散形成形成耗盡層耗盡層；耗盡了載流子的交界處留耗盡了載流子的交界處留下下不可移動的離子不可移動的離子形成形成空空間電荷區(qū)；間電荷區(qū)；（內(nèi)電場）（內(nèi)電場）內(nèi)電場內(nèi)電場阻礙了阻礙了多子的多子的繼續(xù)擴散。繼續(xù)擴散。P區(qū)區(qū)N區(qū)區(qū)空間電荷區(qū)的內(nèi)電場對空間電荷區(qū)的內(nèi)電場對多數(shù)載流子多數(shù)載流子的的擴散運動擴散運動起起阻擋作用。但對。但對少數(shù)載流子少數(shù)載流子（P P區(qū)的自由電子和區(qū)的自由電子和N N區(qū)的空穴區(qū)的空穴) )則則可推動它們越過空間電荷區(qū)，進入對方。少數(shù)載流子在可推動它們越過空間電荷區(qū)，進入對方。少數(shù)載

14、流子在內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為內(nèi)電場作用下有規(guī)則的運動稱為漂移運動漂移運動。漂移漂移漂移漂移擴散與漂移擴散與漂移擴散和漂移的動態(tài)平衡擴散和漂移的動態(tài)平衡形成形成PNPN結(jié)結(jié)(1) (1) 在開始形成空間電荷區(qū)時，在開始形成空間電荷區(qū)時，多數(shù)載流子的擴散運多數(shù)載流子的擴散運動動占優(yōu)勢。在擴散運動進行過程中，空間電荷區(qū)逐占優(yōu)勢。在擴散運動進行過程中，空間電荷區(qū)逐漸加寬，漸加寬，內(nèi)電場逐步加強內(nèi)電場逐步加強。(2) (2) 內(nèi)電場逐步加強，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，內(nèi)電場逐步加強，多數(shù)載流子的擴散運動逐漸減弱，而而少數(shù)載流子的漂移運動少數(shù)載流子的漂移運動則逐漸增強。則逐漸增強。(3)(3)最

15、后最后擴散運動和漂移運動擴散運動和漂移運動達到達到動態(tài)平衡動態(tài)平衡。達到平衡。達到平衡后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，后空間電荷區(qū)的寬度基本上穩(wěn)定下來，PNPN結(jié)就處于結(jié)就處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。相對穩(wěn)定的狀態(tài)。PNPN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)的單向?qū)щ娦訮NPN結(jié)外加電壓情形結(jié)外加電壓情形 在在PNPN結(jié)上加正向電壓結(jié)上加正向電壓，即外電源的正端接，即外電源的正端接P P區(qū)，負端區(qū)，負端接接N N區(qū)。外電場與內(nèi)電場的方向相反，區(qū)。外電場與內(nèi)電場的方向相反，因此擴散與漂因此擴散與漂移運動的平衡被破壞移運動的平衡被破壞。 外電場驅(qū)使外電場驅(qū)使P P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵

16、消一部分負空間電荷，同時空間電荷，同時N N區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)抵消區(qū)的自由電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷。于是，一部分正空間電荷。于是，整個空間電荷區(qū)變窄整個空間電荷區(qū)變窄，電，電內(nèi)電場被削弱，內(nèi)電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散運動增強多數(shù)載流子的擴散運動增強，形成較，形成較大的大的擴散電流擴散電流( (正向電流正向電流) )。 給給PNPN結(jié)加反向電壓結(jié)加反向電壓，即外電源的正端接即外電源的正端接N N區(qū)，負區(qū)，負端接端接P P區(qū)，則外電場與內(nèi)電場方向一致，也區(qū)，則外電場與內(nèi)電場方向一致，也破壞了擴破壞了擴散與漂移運動的平衡散與漂移運動的平衡。 外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自

17、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，使得空間電荷增加，空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強，使得空間電荷增加，空間電荷區(qū)變寬，內(nèi)電場增強，使使多數(shù)載流子的擴散運動多數(shù)載流子的擴散運動難以進行。難以進行。 但另一方面，內(nèi)電場的增強也加強了少數(shù)裁流于的但另一方面，內(nèi)電場的增強也加強了少數(shù)裁流于的漂移運動漂移運動，在外電場的作用下，在外電場的作用下，N N區(qū)中的空穴越過區(qū)中的空穴越過PNPN結(jié)進入結(jié)進入P P區(qū)，區(qū)， P P區(qū)中的自由電子越過區(qū)中的自由電子越過PNPN結(jié)進入結(jié)進入N N區(qū)區(qū)，在電路中形成了，在電路中形成了反向電流反向電流。由于由于少數(shù)載流子數(shù)量很少少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此

18、，因此反向電流不大反向電流不大，即，即PNPN結(jié)呈現(xiàn)的結(jié)呈現(xiàn)的反向電阻很高反向電阻很高。又因為少數(shù)載流子是由于又因為少數(shù)載流子是由于價電子價電子獲得熱能獲得熱能( (熱激發(fā)熱激發(fā)) )掙脫掙脫共價鍵的束縛而產(chǎn)生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的共價鍵的束縛而產(chǎn)生的，環(huán)境溫度愈高，少數(shù)載流子的數(shù)目愈多。所以數(shù)目愈多。所以溫度對反向電流的影響很大。溫度對反向電流的影響很大。PNPN結(jié)結(jié)單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦约丛诩丛赑NPN結(jié)上加結(jié)上加正向電壓正向電壓時，時，PNPN結(jié)電阻很低，結(jié)電阻很低，正向電流正向電流較大較大(PN(PN結(jié)處于結(jié)處于導通狀態(tài)導通狀態(tài)) )；加反向電壓時，加反向電壓時，PNPN結(jié)電阻結(jié)

19、電阻很高很高，反向電流很小，反向電流很小(PN(PN結(jié)處于結(jié)處于截止狀態(tài)截止狀態(tài)) )。PNPN結(jié)的反向擊穿問題結(jié)的反向擊穿問題 PN PN結(jié)結(jié)反向偏置反向偏置時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過時，在一定的電壓范圍內(nèi)，流過PNPN結(jié)的電流結(jié)的電流很小基本上可視為零值。但當電壓超過某一數(shù)值時，反向電很小基本上可視為零值。但當電壓超過某一數(shù)值時，反向電流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為流會急劇增加，這種現(xiàn)象稱為PNPN結(jié)結(jié)。 反向擊穿發(fā)生在反向擊穿發(fā)生在空間電荷區(qū)空間電荷區(qū)。 擊穿的原因主要有兩種：擊穿的原因主要有兩種：(1)雪崩擊穿(2)齊納擊穿半導體二極管半導體二極管 把PN結(jié)用管殼封裝，然后在P區(qū)和N區(qū)分

20、別向外引出一個電極，即可構(gòu)成一個二極管。二極管是電子技術中最基本的半導體器件之一。根據(jù)其用途分有檢波管、開關管、穩(wěn)壓管和整流管等。硅高頻檢波管開關管穩(wěn)壓管整流管發(fā)光二極管 電子工程實際中，二極管應用得非常廣泛，上圖所示即為各類二極管的部分產(chǎn)品實物圖。1. 二極管的基本結(jié)構(gòu)和類型：結(jié)面積小，適用于 高頻檢波、脈沖電路及計算機中的開關元件。外殼觸絲N型鍺片正極引線負極引線N型鍺型鍺結(jié)面積大，適用于 低頻整流器件。負極引線底座金銻合金PN結(jié)鋁合金小球正極引線普通二極管圖符號穩(wěn)壓二極管圖符號發(fā)光二極管圖符號DDZD 使用二極管時，必須注意極性不能接反，否則電路非但不能正常工作，還有毀壞管子和其他元件的

21、可能。二極管的伏安特性U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020二極管具有二極管具有“單向?qū)щ娦詥蜗驅(qū)щ娦浴?二極管的伏安特性呈非線性，特性曲二極管的伏安特性呈非線性，特性曲線上大致可分為四個區(qū)：線上大致可分為四個區(qū)： 2 外加正向電壓超過死區(qū)電壓外加正向電壓超過死區(qū)電壓(硅管硅管0.5V，鍺管，鍺管0.1V)時，內(nèi)電場時，內(nèi)電場大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進入大大削弱，正向電流迅速增長，二極管進入正向?qū)▍^(qū)正向?qū)▍^(qū)。死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū) 1 當外加正向電壓很低時，正向電流很小，當外加正向電壓很低時，正向電流很小，幾乎為零。這一區(qū)域稱之為幾乎為零。這

22、一區(qū)域稱之為死區(qū)死區(qū)。 4 外加反向電壓超過反向擊穿電壓外加反向電壓超過反向擊穿電壓UBR時，反向電流突然增大，時，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦裕M入二極管失去單向?qū)щ娦?，進入反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)。反向擊穿區(qū)3 反向截止區(qū)反向截止區(qū)內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值內(nèi)反向飽和電流很小，可近似視為零值。UI死區(qū)電壓死區(qū)電壓 硅管硅管0.6V,鍺管鍺管0.2V。導通壓降導通壓降: : 硅硅管管0.60.7V,鍺鍺管管0.20.3V。反向擊穿反向擊穿電壓電壓UBR PN結(jié)的伏安特性結(jié)的伏安特性 正向?qū)▍^(qū)和反向截止區(qū)U(V)0.500.8-50-25I (mA)204060 (A)4020

23、死區(qū)正向?qū)▍^(qū)反向截止區(qū)反向擊穿區(qū) 當外加正向電壓當外加正向電壓大于大于死區(qū)電壓時，二死區(qū)電壓時，二極管導通，極管導通，電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而電壓再繼續(xù)增加時，電流迅速增大，而二極管端電壓卻幾乎不變二極管端電壓卻幾乎不變，此時二極管，此時二極管端電壓稱為端電壓稱為正向?qū)妷赫驅(qū)妷?。硅二極管的正向?qū)妷杭s為0.7V，鍺二極管約為0.3V。 在二極管兩端加反向電壓時，將有很在二極管兩端加反向電壓時，將有很小的、由少子漂移運動形成的小的、由少子漂移運動形成的反向電流反向電流。 反向電流有反向電流有兩個特點兩個特點：一是它隨：一是它隨溫度溫度的上升增長很快，二是的上升增長很快，二

24、是在反向電壓超過某一范圍時，反向電流的在反向電壓超過某一范圍時，反向電流的大小基本恒定大小基本恒定。反向反向飽和電流飽和電流。二極管的主要參數(shù) （1）最大整流電流最大整流電流IDM：指二極管長期運行時，允許通過：指二極管長期運行時，允許通過的最大正向平均電流。其大小由的最大正向平均電流。其大小由PN結(jié)的結(jié)的結(jié)面積結(jié)面積和和外界散熱外界散熱條件決定。條件決定。 （2）最高反向工作電壓最高反向工作電壓URM：指二極管長期安全運行時所：指二極管長期安全運行時所能承受的最大反向電壓值。一般取能承受的最大反向電壓值。一般取擊穿電壓的一半擊穿電壓的一半。 （3）反向電流反向電流IR：指二極管未擊穿時的反向

25、電流。IR值越小，二極管的單向?qū)щ娦栽胶?。反向電流隨溫度的變化而變化較大。 （4）最大工作頻率最大工作頻率fM：此值由PN結(jié)的結(jié)電容大小決定。若二極管的工作頻率超過該值，則二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?。二極管的應用二極管的應用-整流整流作用作用 將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為將交流電變成單方向脈動直流電的過程稱為整流整流。利用。利用二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管的單向?qū)щ娦阅芫涂色@得各種形式的整流電路。二極管半波整流電路二極管全波整流電路B220VRLDIN4001B220VRLD1D2二極管橋式整流電路D4B220VRLD1D2D3二極管的應用二極管的應用-限幅限

26、幅DuS10K IN4148u0iD 圖示為一限幅電路。電源uS是一個周期性的矩形脈沖，高電平幅值為+5V，低電平幅值為-5V。試分析電路的輸出電壓為多少。uS+5V-5Vt0當輸入電壓ui=5V時，二極管反偏截止，此時電路可視為開路，輸出電壓u0=0V； 當輸入電壓ui= +5V時，二極管正偏導通，導通時二極管管壓降近似為零，故輸出電壓u0+5V。 顯然輸出電壓u0限幅在0+5V之間。u01.4 電子器件 1.4.5 雙極性晶體管雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)雙極型晶體管是由三層雜質(zhì)半導體構(gòu)成的器件。它有三個電半導體構(gòu)成的器件。它有三個電極，所以又稱為半導體三極管、極，所以又稱為半導體三極管、晶體

27、三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體三極管等，以后我們統(tǒng)稱為晶體管。晶體管。2907A PNP雙雙極性晶體管極性晶體管 大功率達林頓晶體管大功率達林頓晶體管100 GHz 銦磷銦磷/釤銦砷異質(zhì)結(jié)雙極釤銦砷異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管的電子掃描顯微圖片性晶體管的電子掃描顯微圖片1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-結(jié)構(gòu) 晶體管的原理晶體管的原理結(jié)構(gòu)如圖結(jié)構(gòu)如圖21(a)所示。由圖可見，所示。由圖可見，組成晶體管的三組成晶體管的三層雜質(zhì)半導體是層雜質(zhì)半導體是N型型P型型N型型結(jié)構(gòu)，所以稱為結(jié)構(gòu)，所以稱為NPN管。管。 P 集電極集電極 基極基極 發(fā)射極發(fā)射極 集電結(jié) 發(fā)射結(jié) 發(fā)射區(qū) 集電區(qū) ( a ) NPN

28、 c e b PNP c e b b 基區(qū) e c ( b ) N 襯底 N 型外延 P N c e b SiO 2 絕緣層 集電結(jié) 基區(qū) 發(fā)射區(qū) 發(fā)射結(jié) 集電區(qū) ( c ) N N 圖圖21晶體管的結(jié)構(gòu)與符號晶體管的結(jié)構(gòu)與符號 (a)NPN管的示意圖；管的示意圖；(b)電路符號；電路符號； (c)平面管結(jié)構(gòu)剖面圖平面管結(jié)構(gòu)剖面圖1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理 當晶體管處在發(fā)射當晶體管處在發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的結(jié)正偏、集電結(jié)反偏的放大狀態(tài)放大狀態(tài)下，管內(nèi)載流下，管內(nèi)載流子的運動情況可用圖子的運動情況可用圖2-2說明。我們按傳輸順說明。我們按傳輸順序分以下序分以下幾個過程

29、幾個過程進行進行描述。描述。 圖圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流c I C e I E N P N I B R C U CC U BB R B 15V b I BN I EN I CN 1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)一、發(fā)射區(qū)向基區(qū)注入電子注入電子 由于由于e結(jié)正偏，因而結(jié)兩側(cè)多子的擴散占優(yōu)勢，結(jié)正偏，因而結(jié)兩側(cè)多子的擴散占優(yōu)勢，這時發(fā)射區(qū)電子源源不斷地越過這時發(fā)射區(qū)電子源源不斷地越過e結(jié)注入到基區(qū)，形結(jié)注入到基區(qū)，形成電子注入電流成電子注入電流IEN。可以近似認為，發(fā)射極電流?？梢越普J為，發(fā)射極電流IEIEN，其方向

30、與電子注入方向相反。，其方向與電子注入方向相反。 1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理二、電子在基區(qū)中二、電子在基區(qū)中邊擴散邊復合邊擴散邊復合 （1）注入基區(qū)的電子，它在注入基區(qū)的電子，它在e結(jié)處濃度最大，而在結(jié)處濃度最大，而在c結(jié)處濃度結(jié)處濃度最小最小(因因c結(jié)反偏，電子濃度近似為零結(jié)反偏，電子濃度近似為零)。因此，在基區(qū)中形成。因此，在基區(qū)中形成了電子的濃度差。在該濃度差作用下，注入基區(qū)的電子將繼了電子的濃度差。在該濃度差作用下，注入基區(qū)的電子將繼續(xù)向續(xù)向c結(jié)擴散。結(jié)擴散。（2）在擴散過程中，電子會與基區(qū)中的空穴相遇，使部分）在擴散過程中，電子會與基區(qū)中的空穴相遇，使部分電

31、子因電子因復合復合而失去。但由于基區(qū)很薄且空穴濃度又低，所以而失去。但由于基區(qū)很薄且空穴濃度又低，所以被復合的電子數(shù)極少，而絕大部分電子都能被復合的電子數(shù)極少，而絕大部分電子都能擴散擴散到到c結(jié)邊沿。結(jié)邊沿。（3）基區(qū)中與電子復合的空穴由）基區(qū)中與電子復合的空穴由基極電源基極電源提供，形成基區(qū)提供，形成基區(qū)復合電流復合電流IBN，它是，它是基極電流基極電流IB的主要部分。的主要部分。 1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理三、擴散到集電結(jié)的三、擴散到集電結(jié)的電子被集電區(qū)收集電子被集電區(qū)收集 由于集電結(jié)反偏，在結(jié)內(nèi)形成了由于集電結(jié)反偏，在結(jié)內(nèi)形成了較強的電場較強的電場，因，因而，使

32、而，使擴散到擴散到c結(jié)邊沿的電子結(jié)邊沿的電子在該電場作用下在該電場作用下漂移漂移到集到集電區(qū)，形成集電區(qū)的收集電流電區(qū)，形成集電區(qū)的收集電流ICN。該電流是構(gòu)成集電。該電流是構(gòu)成集電極電流極電流IC的主要部分。的主要部分。1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理 現(xiàn)在用圖現(xiàn)在用圖22來說來說明晶體管的明晶體管的放大作用放大作用。 內(nèi)部載流子的運內(nèi)部載流子的運動對應形成了發(fā)射極動對應形成了發(fā)射極電流、基極電流和集電流、基極電流和集電極電流。三者之間電極電流。三者之間的關系是的關系是 IE= IC+ IB 圖圖22 晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流c I C

33、 e I E N P N I B R C U CC U BB R B 15V b I BN I EN I CN 1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理 由于晶體管制成后其由于晶體管制成后其內(nèi)部尺寸和摻雜濃度是確內(nèi)部尺寸和摻雜濃度是確定的，所以發(fā)射區(qū)所發(fā)射定的，所以發(fā)射區(qū)所發(fā)射的電子（的電子（IE）在基區(qū)復合）在基區(qū)復合的比例（的比例（IB）和被集電極）和被集電極收集的比例（收集的比例（IC）也是確）也是確定的，且定的，且IC接近于接近于 IE，而，而遠遠大于遠遠大于IB。 這樣這樣當當I IB B有微小變化有微小變化時會引起時會引起I IC C的較大變化。的較大變化。圖圖22 晶

34、體管內(nèi)載流子的運動和各極電流晶體管內(nèi)載流子的運動和各極電流c I C e I E N P N I B R C U CC U BB R B 15V b I BN I EP I EN I CN BCII1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-工作原理小結(jié)小結(jié)1. 1. 在晶體管中，不僅在晶體管中，不僅I IC C比比I IB B大很多；當大很多；當I IB B有微小變化有微小變化時還會引起時還會引起I IC C的較大變化的較大變化2. 2. 晶體管放大的晶體管放大的外部條件外部條件發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置電結(jié)必須反向偏置3. 3. 放大作用的放大作用的內(nèi)部條

35、件內(nèi)部條件基區(qū)很薄且摻雜濃度很低?；鶇^(qū)很薄且摻雜濃度很低。1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-伏安特性 三極管的三極管的伏安特性伏安特性反映了三極管電反映了三極管電極之間電壓和電流的關系。要正確使極之間電壓和電流的關系。要正確使用三極管必須了解其用三極管必須了解其伏安特性伏安特性。 輸入特性輸入特性 輸出特性輸出特性1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-輸入特性 三極管的輸入特性三極管的輸入特性是在三極管的集電極是在三極管的集電極與發(fā)射極之間加一定與發(fā)射極之間加一定電壓，即：電壓，即：U UCECE= =常數(shù)常數(shù)時，基極電流時，基極電流I IB B和基和基極與發(fā)射極之間的電極與發(fā)

36、射極之間的電壓壓U UBEBE之間的關系。之間的關系。AVmAVECRBIBUCEUBEICEB00.4200.8406080UBE(V)IB(A)UCE1V與二極管正向特性一致。與二極管正向特性一致。1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-輸入特性放大狀態(tài)時，硅放大狀態(tài)時，硅NPNNPN管管U UBEBE=0.6-0.7V=0.6-0.7V；鍺；鍺PNPPNP管管U UBE BE = = -0.2- 0.2- -0.3V0.3V。硅管的死區(qū)電壓為硅管的死區(qū)電壓為0.6V0.6V，鍺管，鍺管的死區(qū)電壓不超過的死區(qū)電壓不超過0.2V0.2V。00.4200.8406080UBE(V)IB(A

37、)UCE1V1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-輸出特性 輸出特性曲線是指當輸出特性曲線是指當基極電流基極電流I IB B為常數(shù)為常數(shù)時，時，輸出電路輸出電路( (集電極電路集電極電路) )中集電極電流中集電極電流I IC C與集與集- -射極電壓射極電壓U UCECE之間的關之間的關系曲線。系曲線。 在在不同的不同的I IB B下，可得下，可得到不同的曲線，即晶到不同的曲線，即晶體管的輸出特性曲線體管的輸出特性曲線是是一組曲線一組曲線( (見圖見圖) )。1.4 電子器件 1.4.5 雙極型晶體管-輸出特性 當當I IB B一定時，一定時，U UCECE超過超過約約1V1V以后就將形

38、成以后就將形成I IC C，當當U UCECE繼續(xù)增加時，繼續(xù)增加時， I IC C 的增加將不再明顯。這的增加將不再明顯。這是晶體管的是晶體管的恒流特性恒流特性。 當當I IB B增加時，相應的增加時，相應的I IC C也增加，曲線上移，也增加，曲線上移，而且而且I IC C比比I IB B 增加得更明增加得更明顯。這是晶體管的顯。這是晶體管的電流電流放大作用放大作用。通常將晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：通常將晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：1.4 電子器件 (1) (1) 放大區(qū)放大區(qū)特性曲線進于水平的區(qū)域。特性曲線進于水平的區(qū)域。在放大區(qū)，也稱線性區(qū)。在放大區(qū)，也稱線性區(qū)。BC

39、II此時發(fā)射結(jié)正向偏置，集電此時發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。結(jié)反向偏置。(2) (2) 截止區(qū)截止區(qū)I IB B=0=0曲線以下的區(qū)域。曲線以下的區(qū)域。 I IB B=0=0時，時，I IC C 近似于零。對于硅管近似于零。對于硅管當當U UBE BE 0.5V0.5V時即開始截止。時即開始截止。為了可靠截止常使為了可靠截止常使U UBEBE 0 0。 (3) (3) 飽和區(qū)飽和區(qū)當當U UCE CE U UBEBE時，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀時，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，態(tài)。在飽和區(qū)， I IB B的變化對的變化對I IC C影響較小，失去放大作用。影響較小，失去放大作用。即：飽和時，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏即：飽和時，晶體管的發(fā)射結(jié)處于正偏、集電結(jié)也處于正偏即截止時兩個即截止時兩個PNPN結(jié)都反