chapter14 二極管和晶體管

第14章二極管和晶體管

14.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性

14.2PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

14.3二極管

14.4穩(wěn)壓二極管

14.5晶體管

14.6光電器件主要內(nèi)容：本章要求：一、半導(dǎo)體(semiconductor)的基本概念1。了解半導(dǎo)體導(dǎo)電的特點2。了解半導(dǎo)體的分類；掌握N型和P型半導(dǎo)體的特點；二、理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦匀?、二極管(Diode)1。掌握二極管的結(jié)構(gòu)、符號、特性曲線、主要參數(shù)、極性及好壞的判別、應(yīng)用；2。掌握穩(wěn)壓管的結(jié)構(gòu)、符號、主要參數(shù)3。掌握發(fā)光二極管的使用四、三極管(Transistor)1。掌握三極管的分類、基本結(jié)構(gòu)及符號2。掌握三極管的電流放大作用；3。掌握三極管的輸入、輸出特性曲線：三極管工作在三個不同工作區(qū)的條件和特點4。理解主要參數(shù)的意義；5。掌握三極管的管型及管腳的判別1。對于元器件，重點放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過分追究其內(nèi)部機理。討論器件的目的在于應(yīng)用。2。學(xué)會用工程觀點分析問題，就是根據(jù)實際情況，對器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡便的分析方法獲得具有實際意義的結(jié)果。強調(diào)幾點：3。對電路進(jìn)行分析計算時，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過分追究精確的數(shù)值。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。14.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性一、半導(dǎo)體(semiconductor)的概念半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體(conductor)和絕緣體(insulator)之間。常用的半導(dǎo)體材料有硅(Si)和鍺(Ge)。二、半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性：1。熱敏性：

當(dāng)環(huán)境溫度升高時，導(dǎo)電能力顯著增強。

(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)2。光敏性：當(dāng)受到光照時，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)。3。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）。三、半導(dǎo)體的分類

1。本征半導(dǎo)體(Intrinsicsemiconductor)：

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。

2。雜質(zhì)半導(dǎo)體(Extrinsicsemiconductor)：

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。四、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

1。N型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入磷或其他五價元素：

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。在N

型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子(Majoritycarriers)，空穴是少數(shù)載流子(Minoritycarriers)。

2。P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入硼或其他三價元素?fù)诫s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。在P型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

在半導(dǎo)體中，同時存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。無論N型或P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但整個晶體仍然是中性的，對外不顯電性。

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，少子的數(shù)量

（a.減少、b.不變、c.增多）。abc

4.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?。PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運動內(nèi)電場濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬?？臻g電荷區(qū)(Spacechargerregion)也稱PN結(jié)、耗盡層擴(kuò)散和漂移這一對相反的運動最終達(dá)到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－動畫形成空間電荷區(qū)2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負(fù)外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強，形成較大的擴(kuò)散電流。

PN結(jié)加正向電壓時，PN結(jié)變窄，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－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–PN結(jié)變寬（2）PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場內(nèi)電場被加強，少子的漂移加強，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流。IR

P接負(fù)、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。動畫–+

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?fàn)顟B(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－14.3

二極管將一個PN結(jié)加上相應(yīng)的兩根外引線，然后用塑料、玻璃或鐵皮等材料做外殼封裝就成為最簡單的二極管。硅管：可通過較大電流，但其工作頻率較低，一般用于整流鍺管：不能通過較大電流，但其高頻性能好，一般用于高頻和小功率的工作，也用作數(shù)字電路中的開關(guān)元件。4.二極管符號：PN陽極陰極D整流二極管發(fā)光二極管普通二極管穩(wěn)壓二極管14.3.1基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(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，用于高頻整流和開關(guān)電路中。PN陽極(Anode)陰極(Cathode)D二極管的符號14.3.2二極管的伏安特性一、伏安特性曲線硅管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0.2~0.3V。UI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二極管長期使用時，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的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?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。選擇元件和使用時，重點依據(jù)前二項半導(dǎo)體二極管的型號國家標(biāo)準(zhǔn)對半導(dǎo)體器件型號的命名舉例如下：2AP9用數(shù)字代表同類器件的不同規(guī)格。代表器件的類型，P為普通管，Z為整流管，K為開關(guān)管。代表器件的材料，A為N型Ge，B為P型Ge，C為N型Si，D為P型Si。2代表二極管，3代表三極管。小結(jié)：二極管的單向?qū)щ娦?/p>

1.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負(fù)）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(fù)、陰極接正）時，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(breakdown)，失去單向?qū)щ娦浴?/p>

4.二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大。二極管極性及好壞的判別把萬用表歐姆檔的量程撥到Rχ100或Rχ1K位置，用接在萬用表上的紅、黑兩根表棒，分別正接和反接測量二極管的兩端，即可測出大小兩個阻值。大的是反向電阻，小的是正向電阻。特別提示：萬用表紅表筆和表內(nèi)電池的負(fù)極相連萬用表黑表筆和表內(nèi)電池的正極相連如果測出的正向電阻是幾百歐，反向電阻是幾百千歐，則說明被測二極管是好的。當(dāng)測得正向電阻時，黑表筆所接的一端即為二極管的正極。如果反向電阻太小，說明二極管失去單向?qū)щ娮饔?；如果正、反向電阻均為無限大，表明二極管已斷路。半導(dǎo)體二極管的應(yīng)用一、整流(rectification)：應(yīng)用最多二、鉗位三、限幅四、元件保護(hù)五、檢波六、穩(wěn)壓：穩(wěn)壓二極管(Zenerdiode)七、發(fā)光：發(fā)光二極管(Light-emittingdiodeLED)八、光敏：光敏二極管

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(fù)。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(fù)(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。電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>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一個管壓降，為－6.3Ｖ或－6.7V例1：取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。

D6V12V3kBAUAB+–直流電路舉例1。教材P33習(xí)題14.3.7圖a交流電路舉例課堂討論及仿真練習(xí)：1。教材P33習(xí)題14.3.7圖b2.教材P31習(xí)題14.3.3和14.3.4ui>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、箝位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––作業(yè)30頁習(xí)題14.1.114.3.114.3.214.4穩(wěn)壓二極管(ZenerDiode)1.符號UZIZIZMUZ

IZ2.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。UI_+

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ——(2)動態(tài)電阻rZ——

在規(guī)定的穩(wěn)壓管反向工作電流IZ下，所對應(yīng)的反向工作電壓。

rZ=U

/I

rZ愈小，反映穩(wěn)壓管的擊穿特性愈陡，穩(wěn)壓性能越好。

(3)最小穩(wěn)定工作電流IZmin——

保證穩(wěn)壓管擊穿所對應(yīng)的電流，若IZ＜IZmin則不能穩(wěn)壓。

(4)最大穩(wěn)定工作電流IZmax——

超過Izmax穩(wěn)壓管會因功耗過大而燒壞。(5)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)。(6)最大允許耗散功率PZM=UZIZM14.5

晶體管（transistor)

晶體管又稱半導(dǎo)體三極管，是最重要的一種半導(dǎo)體器件。它的放大作用用在模擬電路中；它的開關(guān)作用用在數(shù)字電路中。14.5.1結(jié)構(gòu)及類型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：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)BECNNP基極發(fā)射極集電極結(jié)構(gòu)特點：集電區(qū)：面積最大CollectorBaseEmitter14.5.2電流分配和放大作用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。

實質(zhì):用一個微小電流的變化去控制一個較大電流的變化，是CCCS器件。3.三極管的電流放大系數(shù)

IC與IB之比稱為電流放大倍數(shù)集－射極穿透電流,溫度ICEO(常用公式)若IB=0,則

ICICE014.5.3

三極管的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)部載流子運動的外部表現(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)計性能良好的電路重點討論應(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)射極電路輸入回路輸出回路

測量晶體管特性的實驗線路ICEBmAAVUCEUBERBIBECV++––––++1.

輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V特點:非線性死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V。正常工作時發(fā)射結(jié)電壓：NPN型硅管

UBE0.6~0.7VPNP型鍺管

UBE0.2~0.3V2.輸出特性IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120放大區(qū)輸出特性曲線通常分三個工作區(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。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)。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120（2）截止區(qū)Cut-offmodeIB<0以下區(qū)域為截止區(qū)，有IC0

。在截止區(qū)發(fā)射結(jié)處于反向偏置，集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于截止?fàn)顟B(tài)。飽和區(qū)截止區(qū)（3）飽和區(qū)

當(dāng)UCEUBE時，晶體管工作于飽和狀態(tài)Saturationmode)。

在飽和區(qū)，IBIC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。

深度飽和時，硅管UCES0.3V，

鍺管UCES0.1V。14.5.4

三極管的主要參數(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，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。例：在UCE=6V時，在Q1點IB=40A,IC=1.5mA；

在Q2點IB=60A,IC=2.3mA。在以后的計算中，一般作近似處理：

=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點，有由Q1和Q2點，得2.集-基極反向截止電流ICBO

ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運動所形成的電流，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的集電極電流即為ICM。當(dāng)集—射極之間的電壓UCE超過一定的數(shù)值時，三極管就會被擊穿。手冊上給出的數(shù)值是25C、基極開路時的擊穿電壓U(BR)

CEO。6.集電極最大允許耗散功耗PCM

PCM取決于三極管允許的溫升，消耗功率過大，溫升過高會燒壞三極管。

PC

PCM=ICUCE

硅管允許結(jié)溫約為150C，鍺管約為7090C。ICUCEICUCE=PCMICMU(BR)CEO安全工作區(qū)由三個極限參數(shù)可畫出三極管的安全工作區(qū)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