第14章：半導(dǎo)體二極管與三極管

1、第第14章：章：半導(dǎo)體二極管與三極管半導(dǎo)體二極管與三極管14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.2 PN結(jié)14.3 半導(dǎo)體二極管14.4 穩(wěn)壓管14.5 半導(dǎo)體三極管簡要總結(jié)最簡單的電路（基礎(chǔ)模型）最簡單的電路（基礎(chǔ)模型）UISLSLURRRSLSLIGGGUISLSLURRRSLSLIGGG理想受控源（隔離、單向控制）理想受控源（隔離、單向控制）ioUUioIIiorIU iogUI 最簡單的理想受控源電路最簡單的理想受控源電路ioUUUAioRIUAioIIIAioGUIArg簡單的理想受控源電路簡單的理想受控源電路ioUUUASoUSUUAioRIUASoRSIUAioIIIASoISIIAio

2、GUIASoGSUIAUArRAIAgGA典型的理想受控源電路典型的理想受控源電路ioUUUASoUSUUAioRIUASoRSIUAioIIIASoISIIAioGUIASoGSUIALoLRRRUisiARRRLoLRRrRRisiAGGGLoLGGGIisiAGGGLoLGGgGGisiARRR典型的理想受控源電路（換一個(gè)思路）典型的理想受控源電路（換一個(gè)思路）ioUUUASoUSUUAioRIUASoRSIUAioIIIASoISIIAioGUIASoGSUIALoLRRRUisiARRRLoLRRrRRisiAGGGLoLGGGIisiAGGGLoLGGgGGisiARRR結(jié)論：結(jié)論

3、： 每經(jīng)過一個(gè)環(huán)節(jié)總放大倍數(shù)需乘以一個(gè)相應(yīng)的系數(shù)每經(jīng)過一個(gè)環(huán)節(jié)總放大倍數(shù)需乘以一個(gè)相應(yīng)的系數(shù)放大電路的模型：采用四種實(shí)際受控源電路表示。放大電路的模型：采用四種實(shí)際受控源電路表示。實(shí)際受控源：理想受控源實(shí)際受控源：理想受控源+ +輸入電阻輸入電阻+ +輸出電阻輸出電阻實(shí)際受控源實(shí)際受控源帶有內(nèi)阻的信號(hào)源與負(fù)載對(duì)實(shí)際受控源的影響帶有內(nèi)阻的信號(hào)源與負(fù)載對(duì)實(shí)際受控源的影響ioUUUASoUSUUAioRIUASoRSIUAioIIIASoISIIAioGUIASoGSUIALoLRRRUisiARRRLoLRRrRRisiAGGGLoLGGGIisiAGGGLoLGGgGGisiARRR多級(jí)放大電路

4、的放大倍數(shù)多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)ioUUUALbLBaBLbLiBaBiLbLibRRRrGGGgRRRUrGGGgURRRUrI多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)多級(jí)放大電路的放大倍數(shù)ioIIIALbLBaBLbLiBaBiLbLibGGGgRRRrGGGIgRRRrIGGGIgU多級(jí)放大電路的輸入輸出電阻多級(jí)放大電路的輸入輸出電阻多級(jí)放大電路：放大器可以采用任意一種實(shí)際受控源電路。多級(jí)放大電路：放大器可以采用任意一種實(shí)際受控源電路。前后級(jí)之間：前部視為獨(dú)立信號(hào)源、后部視為負(fù)載（電阻）。前后級(jí)之間：前部視為獨(dú)立信號(hào)源、后部視為負(fù)載（電阻）。14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性概念圖景一、1/11半導(dǎo)體半導(dǎo)體又名：

5、晶體概念：導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體與絕緣體之間的材料，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等；特性：半導(dǎo)體導(dǎo)電能力對(duì)溫度、光照或磁場等具有敏感特性；往純凈半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，會(huì)使其導(dǎo)電能力明顯改變。參考1：導(dǎo)體，自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體，如鐵、銅、鋁等；參考2：絕緣體，有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。思考：導(dǎo)體與絕緣體的結(jié)合方式有幾種？各有什么用途？一、2/11本征半導(dǎo)體完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體常用半導(dǎo)體材料：硅與鍺，原子結(jié)構(gòu)如圖（最外層價(jià)電子都是四個(gè)）SiGe一、3/11本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)特征：每個(gè)原子與相鄰的四個(gè)原子通過稱為共價(jià)鍵電子對(duì)結(jié)合

6、成最外層電子為八個(gè)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，如圖：+4+4+4+4一、4/11本征半導(dǎo)體導(dǎo)電情況：價(jià)電子：束縛在共價(jià)鍵中的電子；自由電子：價(jià)電子受激發(fā)脫離了共價(jià)鍵束縛成為自由電子；空穴：價(jià)電子脫離共價(jià)鍵束縛后留下的空位；電子電流：自由電子定向運(yùn)動(dòng)形成的電流；空穴電流：價(jià)電子遞補(bǔ)空穴導(dǎo)致空穴移動(dòng)形成的電流；載流子：自由電子與空穴；激發(fā)：價(jià)電子自由電子與空穴對(duì)；復(fù)合：自由電子填補(bǔ)空穴，即自由電子價(jià)電子。+4+4+4+4自由自由電子電子空穴空穴束縛電子束縛電子一、5/11雜質(zhì)半導(dǎo)體形成過程：在純凈半導(dǎo)體材料中摻入微量雜質(zhì)（摻雜）形成；分類：N型（或電子）半導(dǎo)體與P型（或空穴）半導(dǎo)體；特性：相對(duì)本征半導(dǎo)體其導(dǎo)電能力大

7、大增強(qiáng)；N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的正負(fù)電荷總體平衡，因此均不帶電。一、6/11N型半導(dǎo)體形成過程：在純凈硅或鍺晶體中摻入磷（或其它五價(jià)元素）。結(jié)構(gòu)如圖：+4+4+5+4多余多余電子電子磷原子磷原子多數(shù)載流子：自由電子少數(shù)載流子：空穴一、7/11P型半導(dǎo)體形成過程：在純凈硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。結(jié)構(gòu)如圖：多數(shù)載流子：空穴少數(shù)載流子：自由電子+4+4+3+4空穴空穴硼原子硼原子一、8/1114.2 PN結(jié)N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體的交界面附近區(qū)域形成特殊的電氣結(jié)構(gòu)稱為PN結(jié)；重要性：PN結(jié)是構(gòu)成各種半導(dǎo)體器件的基礎(chǔ)。一、9/11擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)內(nèi)電場內(nèi)電場E漂移運(yùn)動(dòng)漂移運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散的結(jié)果是使空

8、間電擴(kuò)散的結(jié)果是使空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)逐漸加寬，空間電荷區(qū)越寬，內(nèi)電場越強(qiáng)。荷區(qū)越寬，內(nèi)電場越強(qiáng)。內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂內(nèi)電場越強(qiáng)，就使漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。使空間電荷區(qū)變薄。空間電荷區(qū)，載流子極少空間電荷區(qū)，載流子極少也稱耗盡層也稱耗盡層/ /阻擋層。阻擋層。P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體+所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，所以擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到平衡，相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚相當(dāng)于兩個(gè)區(qū)之間沒有電荷運(yùn)動(dòng)，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。度固定不變。PN結(jié)形成過程一、10/11 PN 結(jié)結(jié)外加正向電壓外加正向

9、電壓： P 區(qū)接正、區(qū)接正、N 區(qū)接負(fù)電壓區(qū)接負(fù)電壓 PN 結(jié)結(jié)加上反向電壓加上反向電壓： P區(qū)加負(fù)、區(qū)加負(fù)、N 區(qū)加正電壓區(qū)加正電壓內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場結(jié)變薄結(jié)變薄結(jié)論：結(jié)論：P N 結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通內(nèi)電場內(nèi)電場外電場外電場結(jié)變厚結(jié)變厚結(jié)論：結(jié)論：P N 結(jié)截止結(jié)截止PN結(jié)的特性：單向?qū)щ娦砸弧?1/1114.3 半導(dǎo)體二極管基本結(jié)構(gòu)伏安特性主要參數(shù)PN二極管在電路中的符號(hào)二、1/17二極管基本結(jié)構(gòu)點(diǎn)接觸型PN結(jié)面積小結(jié)電容小小電流高頻檢波面接觸型PN結(jié)面積大結(jié)電容大大電流低頻整流點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型面接觸型面接觸型小功率高頻小功率高頻大功率低頻大功率低頻PN結(jié)結(jié)引線引線外殼外殼觸絲觸絲N型鍺型

10、鍺N型硅型硅底座底座二、2/17二極管的伏安特性伏安特性曲線，如圖：導(dǎo)通：截止：擊穿：UI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: : 硅管約硅管約0.7V,鍺管約鍺管約0.2V。反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR反向漏電流反向漏電流最大整流電流最大整流電流二、3/17二極管主要參數(shù)參數(shù)是二極管選型時(shí)的重要依據(jù)。最大整流電流IOM：長時(shí)間使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流；反向工作峰值電壓URWM：反向擊穿電壓的二分之一到三分之一；反向峰值電流IRM：二極管加上反向工作峰值電壓時(shí)的反向漏電流值；動(dòng)態(tài)電阻RZ：正向?qū)▔航底兓颗c正向電流變化量的比值。二、4/1

11、714.4 半導(dǎo)體穩(wěn)壓管伏安特性主要參數(shù)二極管與穩(wěn)壓管的理想化處理二極管與穩(wěn)壓管電路分析方法PN穩(wěn)壓管在電路中的符號(hào)二、5/17穩(wěn)壓管的伏安特性伏安特性曲線正向正向?qū)▍^(qū)導(dǎo)通區(qū)UI穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓UZ工作區(qū)工作區(qū)反向擊穿區(qū)反向擊穿區(qū)穩(wěn)定穩(wěn)定電流電流IZUI二、6/17穩(wěn)壓管主要參數(shù)穩(wěn)定電壓UZ：正常工作電流下，穩(wěn)壓二端的工作電壓；電壓的溫度系數(shù)U：穩(wěn)定電壓受溫度變化的系數(shù)，單位%/；動(dòng)態(tài)電阻RZ ：穩(wěn)壓管端電壓變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值，RZ=UZ/IZ；穩(wěn)定電流IZ：最大工作電流，取最大允許耗散電流的二分之一到三分之一；最大允許耗散功率PZM：穩(wěn)壓管不至發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗， PZM

12、 =UZ*IZmax。二、7/17二極管的理想化處理理想二極管的符號(hào)與特性UI二、8/17二極管的模型及特性二極管模型的特性二極管模型：由理想二極壓與電壓源及電阻串聯(lián)組成UI二、9/17穩(wěn)壓管的理想化處理理想穩(wěn)壓管的特性UI二、10/17穩(wěn)壓管的模型及特性穩(wěn)壓管的模型穩(wěn)壓管的特性同學(xué)們自己去研究研究有興趣的同學(xué)我們課后討論二、10/17二極管、穩(wěn)壓管電路分析方法不同場合實(shí)際二極管的簡化程度不同：理想二極管、理想二極管與電阻的串聯(lián)、理想二極管與電壓源的串聯(lián)、三者串聯(lián)，注意區(qū)分；二極管與穩(wěn)壓管的壓降可以看作充電狀態(tài)時(shí)電壓源的端電壓；二極管與穩(wěn)壓管只有開通與關(guān)斷二種狀態(tài)；電路分析時(shí)可以先假設(shè)二極管或

13、穩(wěn)壓管是關(guān)斷的，并求解其端電壓，若端電壓低于導(dǎo)通電壓則計(jì)算結(jié)果確定，若端電壓高于導(dǎo)通電壓則將二極管或穩(wěn)壓管看作電壓源重新計(jì)算。二、13/17二極管電路舉例（一）二極管檢波電路tttuiuRuoRRLuiuRuoCD二、14/17二極管電路舉例（二）二極管鉗位電路輸出端Y的電位？RADBYDAB+3V0V-12V二、15/17穩(wěn)壓管電路舉例（三）穩(wěn)壓管電路求IZR作為限流電阻阻值是否合適？R=1.6K UZ=12VIZ+20VDZIZM=18mA二、16/17穩(wěn)壓管電路舉例（續(xù)）穩(wěn)壓管電路Uz=10V，求：Iz與輸出電壓10K UZIZ+20VDZ4K IZ+20V6K 6K IZ+20V4K

14、6K IZ+20V4K 研究與思考為研究方便，統(tǒng)一規(guī)定理想二極管符號(hào)、實(shí)際二極管符號(hào)：1、畫出實(shí)際二極管的電路模型；2、繪出理想二極管、二極管模型與實(shí)際二極管的伏安特性，并進(jìn)行比較分析；3、思考：如何適當(dāng)改變電路，讓交流信號(hào)通過二極管？第第14章：章：半導(dǎo)體二極管與三極管半導(dǎo)體二極管與三極管14.5 半導(dǎo)體三極管簡要總結(jié)14.5 半導(dǎo)體三極管基本結(jié)構(gòu)電流分配和放大原理特性曲線主要參數(shù)三極管分為NPN型與PNP型二種，符號(hào)如圖：NPN型三極管CBEBECPNP型三極管三、1/15三極管的基本結(jié)構(gòu)三極管結(jié)構(gòu)分類：平面型、合金型CBEN型硅N型硅P型硅CEBN型鍺PP三、2/15三極管的結(jié)構(gòu)示意圖基

15、區(qū)：較薄，基區(qū)：較薄，摻雜濃度低摻雜濃度低集電區(qū)：集電區(qū)：面積較大面積較大發(fā)射區(qū)：摻發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高雜濃度較高集電結(jié)集電結(jié)發(fā)射結(jié)發(fā)射結(jié)BECNNP基極基極發(fā)射極發(fā)射極集電極集電極NPPC集電極集電極基極基極B發(fā)射極發(fā)射極E三、3/15三極管典型放大電路三極管最典型的放大電路：共射放大電路；正常工作三極管的發(fā)射結(jié)為正偏，而集電結(jié)為反偏。BECRBRCVmVmAuA三、4/15三極管的電流分配三極管加上電源接成共射電路；發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子；小部分電子在基區(qū)與空穴復(fù)合，大部分電子向集電結(jié)區(qū)域擴(kuò)散；在外電場的作用下電子滲過集電極透入集電區(qū)。NNPRBEBEC發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)發(fā)射區(qū)電子不斷向

16、基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流散，形成發(fā)射極電流I IE EIEIBIC基極加正電壓基極加正電壓,發(fā)射結(jié)正偏發(fā)射結(jié)正偏集電極加正電壓集電極加正電壓集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏自由電子向集電區(qū)擴(kuò)自由電子向集電區(qū)擴(kuò)散散,部分與基區(qū)空穴復(fù)部分與基區(qū)空穴復(fù)合合,基極正電源補(bǔ)充空基極正電源補(bǔ)充空穴形成基極電流穴形成基極電流IB集電結(jié)反偏集電結(jié)反偏,阻擋集電區(qū)的阻擋集電區(qū)的自由電子向基區(qū)擴(kuò)散自由電子向基區(qū)擴(kuò)散,同時(shí)同時(shí)將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)達(dá)到將發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)達(dá)到集電結(jié)邊緣的自由電子拉集電結(jié)邊緣的自由電子拉入集電區(qū)入集電區(qū),形成電流形成電流IC三、5/15三極管的放大原理三極管發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并與基區(qū)空穴復(fù)合的少量自由電

17、子與到達(dá)集電區(qū)的大量自由電子基本成比例，集電極電流可看作基極電流的放大;BCCBOBCBOCIIIIIIIIBECE ：表征三極管的電流放大能力，稱為電流放表征三極管的電流放大能力，稱為電流放大系數(shù)大系數(shù).三、6/15三極管的特性曲線UCE 1VIB( A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：工作壓降： 硅管硅管UBE 0.7V, 鍺管鍺管UBE 0.2V。UCE=0VUCE =0.5V死區(qū)電壓：死區(qū)電壓：硅管硅管0.5V鍺管鍺管0.1V。輸入特性曲線三、7/15三極管的特性曲線輸出特性曲線IC(mA )1234UCE(V)36912IB=020 A40 A60 A80 A100

18、 A飽和區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)截止區(qū)放大區(qū)三、8/15問題與思考：多根曲線是怎樣產(chǎn)生的？問題與思考：多根曲線是怎樣產(chǎn)生的？三極管的特性曲線（輸出特性）實(shí)際放大電路中三極管輸出特性曲線IC(mA )1234UCE(V)36912IB= 60 A三、8/15三極管的特性曲線（傳輸特性）實(shí)際放大電路中三極管傳輸特性曲線三、8/15IC(mA )123410203040IB( A)三極管輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)三極管輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn)放大區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。 且： IC = IB ，IC = IB；飽和區(qū)：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏。 且：UCEUBE，IBIC，UCE0.3V；截止區(qū)：UBE 死區(qū)電壓，且：IB=0，IC=ICEO 0 。三、9/15三極管的主要參數(shù)電流放大系數(shù) ： 分別稱為 靜態(tài)電流（直流）放大倍數(shù)與動(dòng)態(tài)電流（交流）放大倍數(shù)；集基極反向截止電流ICBO：發(fā)射極開路時(shí)通過反偏集電極的漏電流；集射極反向截止電流：ICEO：基極開路時(shí)集電極的漏電流；集電極最大允許電流ICM：當(dāng)值下降至正常值的三分之二時(shí)的集電極電流；集射極反向擊穿電壓U(BR)CEO：基極開路，加在集電極與發(fā)射極之間最大允許電壓；集電極最大允許耗散功率PCM：正常工作狀態(tài)下允許集電極耗散的最大功率。BCIIBCII三、10/15三極管的重要參數(shù)與關(guān)系式電流放大系數(shù)：發(fā)射