電工學(xué)概論之二極管和晶體管

第9章二極管和晶體管第9章二極管和晶體管9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性9.2二極管9.3穩(wěn)壓二極管9.4晶體管9.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體9.1.1

本征半導(dǎo)體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。9.1.1本征半導(dǎo)體自由電子空穴共價鍵SiSiSiSi本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的形成用得最多的半導(dǎo)體是硅或鍺,它們都是四價元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量價電子即可掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn),同時又不斷復(fù)合。價電子在外電場的作用下，自由電子（帶負電），逆著電場方向定向運動形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補，而在該原子的共價鍵中產(chǎn)生另一個空穴?？昭ū惶钛a和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場方向移動，形成空穴電流。可見在半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電?？昭ㄒ苿臃较?/p>

電子移動方向

外電場方向SiSiSiSiSiSiSi本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達到動態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；9.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1．N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷，當(dāng)某一個硅原子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低。如果在其中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電能力大大增強。2.P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼，在組成共價鍵時將因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空位，相鄰硅原子的價電子很容易填補這個空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價電子填補空位9.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成P型半導(dǎo)體區(qū)域和N型半導(dǎo)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PN結(jié)。P區(qū)N區(qū)N區(qū)的電子向P區(qū)擴散并與空穴復(fù)合PN結(jié)內(nèi)電場方向9.2.2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄P接正、N接負外電場IF

PN結(jié)加正向電壓時，P區(qū)多數(shù)載流子空穴和N區(qū)的多數(shù)載流子自由電子在電場的作用下通過PN結(jié)進入對方，正向電流較大，正向電阻較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–PN結(jié)變寬2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場IRP接負、N接正溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。–+PN結(jié)加反向電壓時，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－9.2二極管9.2.1基本結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點接觸型和面接觸型兩類。點接觸型表示符號正極負極金銻合金面接觸型N型鍺正極引線負極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼9.3.2伏安特性硅管0.5V鍺管0.1V反向擊穿電壓U(BR)導(dǎo)通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通。

外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+

反向電流在一定電壓范圍內(nèi)保持常數(shù)。9.2.3主要參數(shù)1．最大整流電流IOM

最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2．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，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3．反向峰值電流IRM

它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大。2.二極管加反向電壓（反向偏置，陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小。

3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦浴?.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。

二極管電路分析舉例定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài)導(dǎo)通截止否則，正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V

分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V陽

<V陰或UD為負(反向偏置)，二極管截止

若二極管是理想的，正向?qū)〞r正向管壓降為零，反向截止時二極管相當(dāng)于斷開。

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號如下圖所示。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓二極管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓二極管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓二極管在電路中能起穩(wěn)壓作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ9.3穩(wěn)壓二極管9.3穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZIZMUZIZ2.伏安特性

穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻

穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用。_+UIO穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。3.主要參數(shù)(1)

穩(wěn)定電壓UZ

穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時管子兩端的電壓。(2)

電壓溫度系數(shù)ｕ環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。(3)

動態(tài)電阻(4)

穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM(5)

最大允許耗散功率PZM=UZIZMrZ愈小，曲線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好。9.4.1基本結(jié)構(gòu)N型硅二氧化硅保護膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型鍺ECB銦球銦球PP(b)合金型9.4晶體管1．NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EP

不論平面型或合金型，都分成

NPN或

PNP三層，因此又把晶體管分為

NPN型和

PNP型兩類。ECB符號T集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)N集電極C發(fā)射極E基極BNPPN2．PNP型三極管

CBET符號9.4.2電流分配和放大原理我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實驗中用的是NPN

型管，為了使晶體管具有放大作用，電源EB

和EC

的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電壓(正向偏置)，集電結(jié)加反向電壓(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100

設(shè)

EC=

6

V；改變可變電阻

RB

，則基極電流

IB、集電極電流

IC

和發(fā)射極電流

IE都發(fā)生變化，測量結(jié)果如下表：基極電路集電極電路mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100基極電路集電極電路IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶體管電流測量數(shù)據(jù)晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結(jié)論:(1)IE=IB+IC符合基爾霍夫定律(2)IC

IB

，

IC

IE

(3)IC

IB

把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大變化的特性稱為晶體管的電流放大作用。

實質(zhì):

用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化。結(jié)論：(1)符合基爾霍夫定律(2)

IC

和IE

比IB

大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得這就是晶體管的電流放大作用。稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化

IB可以引起集電極電流較大的變化

IC。式中，

稱為動態(tài)電流(交流)放大系數(shù)。+UBE

ICIEIB

CTEB+UCE(a)NPN型晶體管；+UBE

IBIEICCTEB+UCE電流方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的極性(4)要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，集電結(jié)必須反向偏置。(b)PNP型晶體管對于

NPN型晶體管應(yīng)滿足：

UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于

PNP型晶體管應(yīng)滿足：

UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路mAAVVICECIBRB+UBE+UCEEBCEB3DG1001.

輸入特性特點:非線性正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V3DG100晶體管的輸入特性曲線O0.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V60402080死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。2.輸出特性

共發(fā)射極電路ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEBIC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=03DG100晶體管的輸出特性曲線

在不同的IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。2.輸出特性

晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分為三個工作區(qū)3DG100晶體管的輸出特性曲線IC/mAUCE/V100μA80μA60μA40μA20μA

O3691242.31.5321IB=0(1)放大區(qū)

在放大區(qū)IC=

IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。

在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài)。對NPN型管而言,應(yīng)使

UBE

>0,UBC<0，此時，

UCE

>UBE。Q2Q1大放區(qū)飽和區(qū)截止區(qū)(2)截止區(qū)

IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB=0時，IC=ICEO(很小)。對NPN型硅管，當(dāng)

UBE<

0.5V時，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，常使

UBE

≤

0，截止時集電結(jié)也處于反向偏置(UBC

<

0)，此時，IC

0，UCE

UCC。(3)飽和區(qū)

當(dāng)

UCE

<

UBE

時，集電結(jié)處于正向偏置(UBC

>

0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC

和IB

不成正比。此時，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區(qū)當(dāng)晶體管飽和時，UCE

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很小；當(dāng)晶體管截止時，IC

0

，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示。+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE≤

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)飽和

UBC>0+

管型

工作狀態(tài)

飽和

放大

截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V開始截止可靠截止硅管(NPN)鍺管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

≤

0