半導(dǎo)體二極管和三極管1

第10章基本放大電路

第11章運(yùn)算放大器第13章門電路和組合邏輯電路第9章二極管和晶體管退出電工學(xué)——下篇第14章觸發(fā)器和時序邏輯電路9.2

半導(dǎo)體二極管

9.3

穩(wěn)壓管9.4

半導(dǎo)體三極管9.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性退出第9章半導(dǎo)體二極管和三極管

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。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷復(fù)合。9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性在外電場的作用下，本征半導(dǎo)體中電流的形成？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。空穴移動方向

電子移動方向

外電場方向SiSiSiSiSiSiSi電子電流?？昭娏?。另：當(dāng)T時載流子數(shù)量大大增加所以，半導(dǎo)體器件是溫度敏感元件+4+4+4+4+4+4+4+4+4+5自由電子施主原子

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。摻入五價元素磷，情況會怎樣？9.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體如何增強(qiáng)半導(dǎo)體導(dǎo)電能力？參入微量的雜質(zhì)(某種元素)+4+4+4+4+4+4+4+4+4

在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼：稱為P型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體中，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；+3受主原子空穴9.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?.PN結(jié)的形成P區(qū)N區(qū)PN結(jié)內(nèi)電場方向N區(qū)的電子向P區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合當(dāng)擴(kuò)散和漂移達(dá)到平衡時，就形成了一定厚度的PN結(jié)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)

外加正向電壓內(nèi)電場方向E外電場方向RIP區(qū)N區(qū)外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴(kuò)散運(yùn)動增強(qiáng)，形成較大的正向電流P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場方向IR2.

外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動難于進(jìn)行返回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(diǎn)接觸型和面接觸型兩類。點(diǎn)接觸型表示符號正極負(fù)極金銻合金面接觸型N型鍺

正極引線負(fù)極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼9.2半導(dǎo)體二極管9.2.2基本外形普通二極管發(fā)光二極管9.2.3伏安特性通常，硅管的死區(qū)電壓約為0.5V，鍺管約為0.1V。導(dǎo)通時的正向壓降，硅管約為0.6~0.7V，鍺管約為0.2~0.3V。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性I/mAU

/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02鍺管的伏安特性0二極管具有單向?qū)щ娦裕?.2.4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。[例1]

在圖中二極管為鍺管，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R接負(fù)電源–12V。求輸出端電位VY。DA、DB的導(dǎo)通截止情況？？

在這里，DA起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在+2.7V。

二極管的應(yīng)用范圍很廣，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(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。

DA–12VYVAVBDBR返回[解]如果二極管的正向壓降是0.3V，則VY=+2.7V。

穩(wěn)壓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。

I/mAU/VOUZIZIZM+正向+反向UZIZ9.3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)！

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)有下面幾個：1.穩(wěn)定電壓UZ

4.穩(wěn)定電流IZ

3.動態(tài)電阻rZ2.電壓溫度系數(shù)U5.最大允許耗散功率PZMI/mAU/VOUZIZIZM+正向+反向UZIZ如：2CW59的穩(wěn)壓值為10~11.8V2CW59的電壓溫度系數(shù)為0.095%/度穩(wěn)壓管的動態(tài)電阻越小穩(wěn)壓效果越好如：2CW59的最大電流值為25mA如：2CW59的最大耗散功率為0.25WVDZR使用穩(wěn)壓管需要注意的幾個問題：圖穩(wěn)壓管電路UOIO+IZIRUI+

1.

外加電源的正極接管子的N區(qū)，電源的負(fù)極接P區(qū)，保證管子工作在反向擊穿區(qū)；RL

2.

穩(wěn)壓管應(yīng)與負(fù)載電阻RL

并聯(lián)；

3.

必須限制流過穩(wěn)壓管的電流IZ，不能超過規(guī)定值，以免因過熱而燒毀管子。

[例1]

圖中通過穩(wěn)壓管的電流IZ等于多少？R是限流電阻，其值是否合適？IZDZ+20VR=1.6k

UZ=12V

IZM=18mAIZ例

1的圖IZ

<IZM

，電阻值合適。[解]試估算電阻的最小值？穩(wěn)壓管二極管的基本外形與普通二極管對比，其體積一般要大一些！具體判別要根據(jù)其型號為準(zhǔn)！9.4.1基本結(jié)構(gòu)N型硅二氧化硅保護(hù)膜BECN型硅P型硅(a)

平面型N型鍺ECB銦球銦球PP(b)合金型返回9.4半導(dǎo)體三極管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摻雜濃度高摻雜濃度低，很薄集電區(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符號小功率三極管3.三極管的外形大功率三極管以NPN型三極管為例討論cNNPebbec表面看三極管若實現(xiàn)放大，必須從三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部所加電源的極性來保證。三極管的放大作用

和載流子的運(yùn)動有放大作用嗎？三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)要求：NNPebcNNNPPP

1.發(fā)射區(qū)高摻雜。

2.基區(qū)做得很薄。通常只有幾微米到幾十微米，而且摻雜較少。

三極管放大的外部條件：外加電源的極性應(yīng)使發(fā)射結(jié)處于正向偏置狀態(tài)，而集電結(jié)處于反向偏置狀態(tài)。3.集電結(jié)面積大。摻雜濃度低，很薄摻雜濃度高becRcRb三極管中載流子運(yùn)動過程IEIB

1.發(fā)射—形成發(fā)射極電流

IE

(基區(qū)多子數(shù)目較少，空穴電流可忽略)。

2.復(fù)合和擴(kuò)散電子到達(dá)基區(qū)，少數(shù)與空穴復(fù)合形成基極電流Ibn，復(fù)合掉的空穴由VBB

補(bǔ)充。多數(shù)電子在基區(qū)繼續(xù)擴(kuò)散，到達(dá)集電結(jié)的一側(cè)。becIEIBRbRc三極管中載流子運(yùn)動過程

3.收集集電結(jié)反偏，有利于收集基區(qū)擴(kuò)散過來的電子而形成集電極電流

Icn。其能量來自外接電源VCC

。IC

另外，集電區(qū)和基區(qū)的少子在外電場的作用下將進(jìn)行漂移運(yùn)動而形成反向飽和電流，用ICBO表示。ICBO

設(shè)EC=6V，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：IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05IB/mA00.020.040.060.080.10IC/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)(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)結(jié)論：(3)當(dāng)IB=0(將基極開路)時，IC=ICEO，表中ICEO<0.001mA=1A。

下圖給出了起放大作用時NPN型和PNP型晶體管中電流實際方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的實際極性。+UBE

ICIEIBCTEB+UCENPN型晶體管+UBE

IBIEICCTEB+UCEPNP型晶體管1.

輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當(dāng)集—射極電壓UCE為常數(shù)時，曲線IB

=f(UBE)。O0.40.8IB

/AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100死區(qū)，硅管0.6～0.7V鍺管0.2～0.3V9.4.3特性曲線2.

輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當(dāng)基極電流IB為常數(shù)時，曲線IC

=f(UCE)。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。

晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲組分為三個工作區(qū)(1)

放大區(qū)ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共發(fā)射極電路IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區(qū)在放大區(qū)，。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因為IC和IB基本成正比的關(guān)系。飽和區(qū)(2)

截止區(qū)IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。晶體管截止時：

UBE

0,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)截止區(qū)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+發(fā)射結(jié)處于正向偏置集電結(jié)處于反向偏置發(fā)射結(jié)處于反向偏置！發(fā)射結(jié)處于正向偏置集電結(jié)處于正向偏置！晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用IC0IB=0+UCEUCC截止

UBC<0++UBE

0

+UBE>

0

IB+UCE0

飽和

UBC>0+＋－RbRc+VCCbce＋－＋－RbRc+VCCbce＋－＋＋－－0.7V0.3V等效電路等效電路

管型

工作狀態(tài)

飽和

放大

截止UBE/VUCE/V

UBE/V

UBE/V

開始截止

可靠截止硅管(NPN)鍺管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.30.5

0.1

0

0.1晶體管結(jié)電壓的典型值1.電流放大系數(shù)，

在輸出特性曲線近于平行等距并且ICEO較小的情況下,可近似認(rèn)為，但二者含義不同。2.集—