第15章半導體二極管和三極管

會計學1第15章半導體二極管和三極管本章要求:1.理解PN結的單向導電性；2.了解二極管、穩(wěn)壓管和晶體管的基本構造、工作原理和主要特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；3.理解晶體管的電流分配和放大作用。{end}

第15章半導體二極管和三極管第1頁/共56頁15.1

半導體的導電特性半導體：導電能力介乎于導體和絕緣體之間的物質。半導體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性第2頁/共56頁

本征半導體就是完全純凈的半導體。

應用最多的本征半導體為鍺和硅，它們各有四個價電子，都是四價元素。硅的原子結構15.1.1本征半導體第3頁/共56頁

純凈的半導體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結構，所以半導體也稱為晶體

——晶體管名稱的由來

本征半導體晶體結構中的共價健結構15.1.1本征半導體SiSiSiSi價電子第4頁/共56頁自由電子與空穴15.1.1

本征半導體

共價鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子同時在共價鍵中留下一個空穴。空穴SiSiSiSi第5頁/共56頁熱激發(fā)與復合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-----

熱激發(fā)15.1.1

本征半導體

自由電子在運動中遇到空穴后，兩者同時消失，稱為復合現(xiàn)象

溫度一定時，本征半導體中的自由電子—空穴對的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對數(shù)目越多。SiSiSiSi空穴第6頁/共56頁半導體導電方式

在半導體中，同時存在著電子導電和空穴導電，這是半導體導電方式的最大特點，也是半導體和金屬在導電原理上的本質差別。載流子自由電子和空穴

因為，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導電性能也就愈好，所以，溫度對半導體器件性能的影響很大。15.1.1

本征半導體SiSiSiSi空穴

當半導體兩端加上外電壓時，自由電子作定向運動形成電子電流；而空穴的運動相當于正電荷的運動第7頁/共56頁15.1.2N型半導體和P型半導體N型半導體在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷（或其它五價元素）。

自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

電子型半導體或N型半導體SiSiP+Si第8頁/共56頁15.1.2N型半導體和P型半導體P型半導體

在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價元素）。

空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

空穴型半導體或P型半導體。SiSiB-Si空穴第9頁/共56頁15.1.2N型半導體和P型半導體

不論N型半導體還是P型半導體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個晶體仍然是不帶電的。{end}第10頁/共56頁

在N型半導體和P型半導體的結合面上形成如下物理過程:因濃度差空間電荷區(qū)形成內電場

內電場促使少子漂移

內電場阻止多子擴散

多子的擴散和少子的漂移達到動態(tài)平衡，PN結形成。多子的擴散運動由雜質離子形成空間電荷區(qū)

P區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)內電場15.2.1PN結的形成

15.2

PN結第11頁/共56頁15.2.2

PN結的單向導電性1外加正向電壓使PN結導通PN結呈現(xiàn)低阻導通狀態(tài)，通過PN結的電流基本是多子的擴散電流——正向電流–+變窄PN內電場方向外電場方向RI第12頁/共56頁15.2.2PN結的單向導電性2外加反向電壓使PN結截止

PN結呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結的電流是少子的漂移電流

----反向電流+-

變寬PN內電場方向外電場方向RI=0特點:受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的第13頁/共56頁15.2.2PN結的單向導電性結論

PN結具有單向導電性

（1）PN結加正向電壓時，處在導通狀態(tài)，結電阻很低，正向電流較大。（2）PN結加反向電壓時，處在截止狀態(tài)，結電阻很高，反向電流很小。{end}第14頁/共56頁15.3

半導體二極管15.3.1基本結構15.3.2伏安特性15.3.3伏安特性的折線化15.3.4二極管的主要參數(shù)15.3.1基本結構PN結鋁合金小球面接觸型觸絲N型鍺片點接觸型表示符號第15頁/共56頁15.3.2

伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

半導體二極管的伏安特性是非線性的。第16頁/共56頁正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。15.3.2

伏安特性1正向特性第17頁/共56頁反向電流：反向飽和電流：反向擊穿電壓U（BR）15.3.2

伏安特性正向O0.40.8U/VI/mA80604020-50-25I/μA-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓2反向特性第18頁/共56頁15.3.2伏安特性的折線化U0U0USUSUS第19頁/共56頁15.3.3

主要參數(shù)1最大整流電流IOM：二極管長時間使用時，允許流過的最大正向平均電流。2反向工作峰值電壓URWM:

保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3反向峰值電流IRM:

二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。第20頁/共56頁含二極管電路的分析方法確定二極管的工作狀態(tài)

根據(jù)工作狀態(tài)用不同的模型代替二極管在等效后的線性電路中作相應的分析若二極管工作在截止狀態(tài)則可等效為斷開的開關若二極管工作在導通狀態(tài)則可等效為導通的開關UONID或電壓為UON的電壓源15.3.4

應用舉例

主要利用二極管的單向導電性?？捎糜谡鳌z波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關元件。第21頁/共56頁如何判斷二極管的工作狀態(tài)？步驟1、假設二極管截止，即將二極管斷開。2、計算二極管兩端的電壓

UD=V陽-V陰3、判斷：若

UD>0，則二極管工作于導通狀態(tài)

若

UD<0，則二極管工作于截止狀態(tài)第22頁/共56頁例：圖示電路中，分析當UA與UB分別為0與3V的不同組合時，二極管D1、D2的狀態(tài)，并求U0的值。解：（1）當UA=UB=0時設D1、D2截止，則等效電路為UD1UD2D1D2U0R5VUAUBD1D2U0R5V由電路，有UD1=0-（-5）=5>0

UD2=0-（-5）=5>0則D1、D2處于導通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=0D1D2U0R5V第23頁/共56頁（2）當UA=UB=3V時設D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0

UD2=3-（-5）=8>0則D1、D2處于導通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3V3VD1D2U0R5V3V3V第24頁/共56頁（3）當UA=3V，UB=0時設D1、D2截止，則等效電路為由電路，有UD1=3-（-5）=8>0

UD2=0-（-5）=5>0則D1、D2處于導通狀態(tài)，電路可等效為所以，U0=3VUD1UD2D1D2U0R5V3VD1D2U0R5V3V出現(xiàn)矛盾！即D1、D2不可能同時導通！！合理的情況是：D1導通，D2截止。D1D2U0R5V3V第25頁/共56頁（4）當UA=0，UB=3V時所以，U0=3V同理可得：D1截止，D2導通。D1D2U0R5V3V{end}UAUBD1D2U0R5V綜上所述：當UA、UB中有一個為3V時，輸出UO為3V“或”邏輯第26頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管

一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。它在電路中與適當數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。1穩(wěn)壓管表示符號：

第27頁/共56頁正向+-反向+-IZUZ2穩(wěn)壓管的伏安特性：3穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時，電流雖然在很大范圍內變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。

U/VI/mA0IZIZMUZ

第28頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管4主要參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)

（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)第29頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管（3）動態(tài)電阻（4）穩(wěn)定電流（5）最大允許耗散功率

rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應的電流變化量的比值IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PZM=UZIZM第30頁/共56頁15.4

穩(wěn)壓管例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當U<UZ時,電路不通；當U>UZ時,穩(wěn)壓管擊穿此時選R，使IZ<IZM{end}第31頁/共56頁15.5

半導體三極管15.5.1

基本結構15.5.1

基本結構15.5.2

電流分配和放大原理15.5.3

特性曲線15.5.4

主要參數(shù)

結構平面型

合金型

NPN

PNP第32頁/共56頁15.5.1

基本結構發(fā)射結集電結BNNP發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECNNPBECCEB第33頁/共56頁發(fā)射結集電結BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB15.5.1

基本結構第34頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法第35頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實驗及測量結果可得出如下結論：（1）IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）當IB=0（將基極開路）時，IE=ICEO，ICEO<0.001mA第36頁/共56頁用載流子在晶體管內部的運動規(guī)律來解釋上述結論。15.5.2

電流分配和放大原理

外部條件：發(fā)射結加正向電壓；集電結加反向電壓。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP第37頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理發(fā)射結正偏擴散強E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴散運動形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴散電子，形成發(fā)射極電流IE。RBEC++__EBEBCNNP第38頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理2電子在基區(qū)中的擴散與復合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運動擴散IEC復合IEB同時基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時達到動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復合運動形成的RBEC++__EBEBC第39頁/共56頁15.5.2

電流分配和放大原理3集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴散，同時收集E區(qū)擴散過來的電子有助于少子的漂移運動，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBC第40頁/共56頁RBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC15.5.2

電流分配和放大原理第41頁/共56頁15.5.3

特性曲線

用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。

以共發(fā)射極接法時的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE第42頁/共56頁15.5.3

特性曲線1輸入特性曲線：

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管0.1伏左右。正常工作時，發(fā)射結的壓降：

NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型鍺管UBE=-0.2~-0.3V。00.40.8UBE/VIB/μA80604020UCE>1

第43頁/共56頁15.5.3

特性曲線2輸出特性曲線

晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。UCE/V13436912IC/mA10080604020μAIB=002第44頁/共56頁15.5.3

特性曲線晶體管的輸出特性曲線分為三個工作區(qū)：（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)（1）放大區(qū)（線性區(qū)）132436912IC/mA10080604020μAIB=00UCE/V

輸出特性曲線的近似水平部分。

特點：等效：BECβIB條件：E結正偏、C結反偏第45頁/共56頁15.5.3

特性曲線（2）截止區(qū)IB=0曲線以下的區(qū)域為截止區(qū)IB=0時，IC=ICEO〈0.001mA

對NPN型硅管而言，當UBE〈0.5V時，即已開始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020μAIB=00UCE/V特點：IB=0，IC=0等效：BEC條件：E結反偏第46頁/共56頁（3）飽和區(qū)

當UCE〈UBE時，集電結處于正向偏置，晶體管工作處于飽和狀態(tài)

在飽和區(qū)，IB的變化對IC的影響較小，兩者不成比例13436912IC/mA10080604020μAIB=002UCE/V15.5.3

特性曲線條件：E結正偏、C結正偏等效：BEC特點：UCE=UCES≈0，IC≠βIB第47頁/共56頁例1:測得各晶體管在無信號輸入時,三個電極相對于”地”的電壓如圖所示。問哪些管子工作于放大狀態(tài),哪些處于截止、飽和狀態(tài)，哪些管子已經(jīng)損壞？ecb硅管-3V0V-2.7Vecb鍺管-0.3V-3V0Vecb鍺管1.3V1.1V1Vecb硅管-2.8V-1.4V-3.5V截止放大飽和放大15.5.3

特性曲線第48頁/共56頁ecb鍺管1.2V1.3V1.5Vecb鍺管1.8V3.7V1.5Vecb硅管2V12V-0.7V飽和放大已損壞ecb鍺管0V0.7V-3.5V倒置15.5.3

特性曲線第49頁/共56頁15.5.4

主要參數(shù)1電流放大系數(shù)