第14章二極管和晶體管

模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)模擬信號(hào)：在時(shí)間和幅值上都是連續(xù)的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)：在時(shí)間和幅值上都是離散的信號(hào)。

對(duì)應(yīng)任意時(shí)間值t均有確定的函數(shù)值u或i，并且u或i的幅值是連續(xù)取值的，即在時(shí)間和數(shù)值上均具有連續(xù)性。

在時(shí)間和數(shù)值上均具有離散性，u或i的變化在時(shí)間上不連續(xù)，總是發(fā)生在離散的瞬間；且它們的數(shù)值是一個(gè)最小量值的整數(shù)倍，當(dāng)其值小于最小量值時(shí)信號(hào)將毫無(wú)意義。

模擬電路：對(duì)模擬量進(jìn)行處理的電路。數(shù)字電路：對(duì)數(shù)字量進(jìn)行處理的電路。最基本的處理是對(duì)信號(hào)的放大。

第14章介紹半導(dǎo)體器件，是電子技術(shù)的基礎(chǔ)。第15、16、17、18章，模擬電路。第20、21章，數(shù)字電路。電工技術(shù)（上冊(cè)）（電工學(xué)）電工電子技術(shù)電子技術(shù)（下冊(cè)）電路分析基礎(chǔ)

磁路與電機(jī)

模擬電子技術(shù)

數(shù)字電子技術(shù)

電工電子技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀容量大型化器件小型化功率電子技術(shù)微電子技術(shù)設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA技術(shù)1785年，庫(kù)侖確定電荷間的作用力；1826年，歐姆提出“歐姆定律”；1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象；1834年，雅可比造出第一臺(tái)電動(dòng)機(jī)；1864年，麥克斯韋提出電磁波理論；1895年，馬可尼和波波夫?qū)崿F(xiàn)第一次無(wú)線電通信；1904年，弗萊明發(fā)明第一只電子管（二極管）；1946年，誕生第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)；1947年，貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明第一只晶體管；1958年，德克薩斯公司發(fā)明第一塊集成電路。：發(fā)展快速發(fā)展原因電能易轉(zhuǎn)換易傳輸易控制第14章二極管和晶體管14.3半導(dǎo)體二極管14.4穩(wěn)壓二極管14.5晶體管14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?4.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性14.6光電器件第14章半導(dǎo)體二極管和三極管本章要求：一、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕龢O管的電流分配和電流放大作用；二、了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義；三、會(huì)分析含有二極管的電路。器件是非線性的、特性有分散性、RC的值有誤差，工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法。對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過(guò)分追究精確的數(shù)值。對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過(guò)分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用。學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問(wèn)題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo)體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化(可做成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管等)。熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng)14.1.1本征半導(dǎo)體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的鍺、硅、硒，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(jià)健結(jié)構(gòu)共價(jià)健共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱為價(jià)電子。

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

Si

Si

Si

Si價(jià)電子

價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理本征激發(fā)：空穴溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多。自由電子在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng)）。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，載流子定向運(yùn)動(dòng)（漂移運(yùn)動(dòng)），在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng)電子電流

(2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴空穴電流注意：

(1)本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少,其導(dǎo)電性能很差；(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大。自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目。半導(dǎo)體有兩種導(dǎo)電粒子（載流子）：自由電子、空穴14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體。摻入五價(jià)元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮邮ヒ粋€(gè)電子變?yōu)檎x子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。多數(shù)載流子（多子）：自由電子少數(shù)載流子（少子）：空穴14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱為空穴半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。摻入三價(jià)元素

Si

Si

Si

Si多子：空穴少子：自由電子B–硼原子接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子空穴無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性。1.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。2.在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。3.當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。abc4.在外加電壓的作用下，P型半導(dǎo)體中的電流主要是

，N型半導(dǎo)體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦訮N結(jié)：P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體交界面的特殊薄層1.PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）P接正、N接負(fù)

外電場(chǎng)IFPN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–多子在外電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，形成較大的正向電流。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，正向電阻較小，處于導(dǎo)通狀態(tài)。–+2.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場(chǎng)P接負(fù)、N接正少子在外電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)，形成很小的反向電流。PN結(jié)加反向電壓時(shí)，反向電阻較大，處于截止?fàn)顟B(tài)。溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加。PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－IR14.3半導(dǎo)體二極管14.3.1基本結(jié)構(gòu)（一個(gè)PN結(jié)）(a)點(diǎn)接觸型(b)面接觸型

結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路。結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路。(c)平面型

用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中。陰極引線陽(yáng)極引線二氧化硅保護(hù)層P型硅N型硅(

c

)平面型金屬觸絲陽(yáng)極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a)點(diǎn)接觸型鋁合金小球N型硅陽(yáng)極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b)面接觸型二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽(yáng)極(

d

)符號(hào)D14.3.2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(diǎn)：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)。14.3.3主要參數(shù)1.最大整流電流

IOM二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流。2.反向工作峰值電壓URWM是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞。3.反向峰值電流IRM指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍。二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù)）時(shí)，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(yáng)極接負(fù)、陰極接正）時(shí)，二極管處于反向截止?fàn)顟B(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(kāi)，分析二極管兩端電位的高低或所加電壓UD的正負(fù)。若V陽(yáng)>V陰或UD為正，二極管導(dǎo)通若V陽(yáng)<V陰或UD為負(fù)，二極管截止若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi)。電路如圖，求：UABV陽(yáng)=－6V，V陰=－12VV陽(yáng)>V陰，二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V否則，UAB低于－6V一個(gè)管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–解：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位。V1陽(yáng)=－6V，V2陽(yáng)=0V，V1陰=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導(dǎo)通，鉗位，使D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:流過(guò)D2

的電流為求：UABD2：鉗位作用，D1：隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–解：ui>8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路uo=8V

ui<8V，二極管截止，可看作開(kāi)路uo=ui已知：二極管是理想的，試畫出uo

波形。8V例3：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)取i18V參考點(diǎn)二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––解：14.4穩(wěn)壓二極管1.符號(hào)UZIZIZMUZIZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓使用時(shí)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。_+UIO3.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(shí)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?jǐn)?shù)。(3)動(dòng)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。14.5晶體管14.5.1基本結(jié)構(gòu)NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號(hào)：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結(jié)集電結(jié)：面積大BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：集電區(qū)：面積最大14.5.2電流分配和放大原理1.三極管放大的外部條件BECNNPEBRBECRC發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏PNP發(fā)射結(jié)正偏VB<VE集電結(jié)反偏VC<VB從電位的角度看：

NPN

發(fā)射結(jié)正偏VB>VE集電結(jié)反偏VC>VB

2.各電極電流關(guān)系及電流放大作用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）三電極電流關(guān)系IE=IB+IC2）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(shí)質(zhì):用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流的變化，是CCCS器件。3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形成發(fā)射極電流IE。

進(jìn)入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié)。從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律IC=ICE+ICBOICEICIBBECNNPEBRBECIEIBEICEICBOIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE014.5.3特性曲線即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù)。為什么要研究特性曲線：1）直觀地分析管子的工作狀態(tài)2）合理地選擇偏置電路的參數(shù)，設(shè)計(jì)性能良好的電路重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端共發(fā)射極電路測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路輸入回路輸出回路ECICEBmAAVUCEUBERBIBV++––––++1.輸入特性特點(diǎn):非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1VO2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個(gè)工作區(qū)：(1)放大區(qū)在放大區(qū)有IC=IB

，也稱為線性區(qū)，具有恒流特性。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置

集電結(jié)反向偏置IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O（2）截止區(qū)IB<0以下區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)，有IC0，UCE

UCC。條件：發(fā)射結(jié)反向偏置、集電結(jié)反向偏置飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)UCEUBE時(shí)，飽和狀態(tài)。UCE

0,ICUCC/RC。條件：發(fā)射結(jié)正向偏置

集電結(jié)正向偏置

14.5.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，直流電流放大系數(shù)交流電流放大系數(shù)當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí)，表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù)。注意：和

的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0較小的情況下，兩者數(shù)值接近。常用晶體管的

值在20~200之間。2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。溫度ICBOICBOA+–EC3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEOAICEOIB=0+–

ICEO受溫度的影響大。溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差。4.集電極最大允許電流ICM5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO集電極電流IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為ICM。當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCMPCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過(guò)大，溫升過(guò)高會(huì)燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。ICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個(gè)極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)ICUCEO晶體管參數(shù)與溫度的關(guān)系1、溫度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管優(yōu)于鍺管。2、溫度每升高1C，UBE將減小–(2～2.5)mV，即晶體管具有負(fù)溫度系數(shù)。3、溫度每升高1C，增加0.5%~1.0%。例1：UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,IC=1.5m