電工學(xué)08第十五章半導(dǎo)體二極管和三極管課件

第十五章半導(dǎo)體二極管和三極管§15–1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性§15–2PN結(jié)§15–3半導(dǎo)體二極管§15–4穩(wěn)壓管§15–5半導(dǎo)體三極管§15–1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性一、導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體1、很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。2、有的物質(zhì)幾乎不導(dǎo)電，稱為絕緣體，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。3、導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)，稱為半導(dǎo)體，如鍺、硅、砷化鎵和一些硫化物、氧化物等。（導(dǎo)體）?半導(dǎo)體?載流子密度（濃度）舉例：一種物質(zhì)的導(dǎo)電性能取決于它的載流子密度（濃度）。（1）通過一定的工藝過程，可以將半導(dǎo)體制成晶體。（2）完全純凈的（單一元素組成的）、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體，稱為本征半導(dǎo)體。

（3）在硅和鍺晶體中，原子按四角形系統(tǒng)組成，每個(gè)原子與其相臨的原子之間形成共價(jià)鍵，共用一對價(jià)電子。二、本征半導(dǎo)體1。要點(diǎn)：2。硅和鍺的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)+4+4+4+4+4表示除去價(jià)電子后的原子共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱為束縛電子，常溫下束縛電子很難脫離共價(jià)鍵成為自由電子，因此本征半導(dǎo)體中的自由電子很少，導(dǎo)電能力很弱。共價(jià)鍵共用電子對3。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理在絕對零度（T=0K）和沒有外界激發(fā)時(shí),價(jià)電子完全被共價(jià)鍵束縛著，本征半導(dǎo)體中沒有可以運(yùn)動(dòng)的帶電粒子，它的導(dǎo)電能力為0。在常溫下，由于熱激發(fā)，使一些價(jià)電子獲得足夠的能量而脫離共價(jià)鍵的束縛，成為自由電子，同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱為空穴。自由電子和空穴都可以參與導(dǎo)電，通稱載流子。

空穴導(dǎo)電：空穴吸引鄰近價(jià)電子來填補(bǔ)，這樣的結(jié)果相當(dāng)于空穴的遷移，因此可以認(rèn)為空穴是呈正電性的載流子，其定向運(yùn)動(dòng)的方向與自由電子相反，所形成的電流稱為空

穴電流。2、自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時(shí)又不斷相遇“復(fù)合”。3、在一定溫度下，電子空穴對的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，于是半導(dǎo)體中的載流子數(shù)目便維持一定。1、半導(dǎo)體有兩種載流子：自由電子和空穴

本征半導(dǎo)體的特點(diǎn)：4、溫度愈高，半導(dǎo)體的載流子愈多，導(dǎo)電性能也愈好。例如，摻雜濃度為百萬分之一，則載流子濃度約為：電阻率為：在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化?？梢?，摻雜大大提高了半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力，同時(shí)也導(dǎo)致雜質(zhì)半導(dǎo)體的產(chǎn)生！三、N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體+4+4+3+4空穴硼原子2、P型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體中摻三價(jià)元素

（1）摻雜濃度遠(yuǎn)大于本征半導(dǎo)體中載流子濃度。（2）空穴濃度遠(yuǎn)大于自由電子濃度。

多數(shù)載流子（多子）空穴

特點(diǎn)：自由電子少數(shù)載流子（少子）結(jié)論1、P型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入三價(jià)元素；

N型半導(dǎo)體：本征半導(dǎo)體中摻入五價(jià)元素。3、多數(shù)載流子的數(shù)目取決于摻雜濃度，少數(shù)載流子的數(shù)目取決于溫度。4、無論P(yáng)型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體，就其整體而言，正負(fù)電荷平衡仍為電中性。2、P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體

多數(shù)載流子空穴自由電子

少數(shù)載流子電子空穴一、PN結(jié)的形成§15–

2PN結(jié)空間電荷區(qū)形成內(nèi)電場二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮N結(jié)加上正向電壓（或正向偏置）的意思是：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓。1、PN結(jié)正向偏置外電場削弱內(nèi)電場，空間電荷區(qū)變窄。有利于多子的擴(kuò)散，形成較大正向電流，PN結(jié)呈低電阻。在一定范圍內(nèi)，正向電流隨外電壓增加而增大。內(nèi)電場外電場I正向?qū)?、PN結(jié)反向偏置PN結(jié)加上反向電壓（或反向偏置）的意思是：P區(qū)加負(fù)、N區(qū)加正電壓。結(jié)論P(yáng)N結(jié)的單向?qū)щ娦詾椋篜N結(jié)加正向偏置時(shí)，導(dǎo)通，正向電流很大，正向電阻很?。籔N結(jié)加反向偏置時(shí)，截止，反向電流很小，反向電阻很大。一、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點(diǎn)接觸型PN§15–3半導(dǎo)體二極管電流方向D表示符號二極管實(shí)際結(jié)構(gòu)三、主要參數(shù)1.最大整流電流IOM二極管長期使用時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流。2.反向擊穿電壓U(BR)二極管反向擊穿時(shí)的電壓值。擊穿時(shí)反向電流劇增，二極管的單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過熱而燒壞。手冊上給出的最高反向工作電壓URWM一般是U(BR)的一半。3.反向峰值電流IRM指二極管加反向峰值工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說明管子的單向?qū)щ娦圆睿虼朔聪螂娏髟叫≡胶?。反向電流受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流要大幾十到幾百倍。四、二極管電路的分析方法及應(yīng)用（圖解法）直流信號REUIuDiDIU0整流作用：uitE限幅（削波）作用：EuiuoRDRuiuoDuituouo鉗位、隔離作用：FABR-12VDADBUA>UB時(shí)，UF≈UADA將F端電位鉗位在UADB將F端與輸入端B隔離UA>UB時(shí)，UF≈UBDB將F端電位鉗位在UBDA將F端與輸入端A隔離ABR12VFDADB例1解:YABR-12VDADB+3v0v在如圖所示的的電路中，求輸入端Y的電位VY。DA優(yōu)先導(dǎo)通設(shè)管壓降為0.3V，則VY=2.7v此時(shí)，VY>VB,DB反偏截止效果

鉗位：VY鉗在2.7v隔離：DB使B與Y隔離斷開，不通。例2已知ui=2Esinωt,試畫出各電路的輸出電壓uo的波形。REuiuoD(1)并聯(lián)下限幅器uit2E-2E0解:①ui

正半周時(shí)，D截止，E

斷開，uo≈ui;②ui

負(fù)半周且時(shí),D導(dǎo)通，輸出為uo=E。uot2E-2E-E0EuiuoDR(2)并聯(lián)上限幅器uit2E-2E0ui

正半周且時(shí),D截止，uo≈E;當(dāng)時(shí)，D導(dǎo)通，輸出為uo

=ui;①ui

負(fù)半周時(shí)，D截止，uo≈E。②t2E-2EEuo0RE1uiuoD1D2E2(3)雙向限幅（削波）器uit2E-2E0時(shí),D2截止,uo

≈

ui;時(shí),D2導(dǎo)通,uo=E2

。時(shí),D1截止,uo

≈

ui;時(shí),

D1導(dǎo)通,uo=E1

。ui

正半周，D1截止，①ui

負(fù)半周，D2截止，②0uot2E-2E-E1E2-E2E1例3對如圖的電路，試求下列情況下輸出端的電位VY及各元件中通過的電流:

(1)VA=10v,VB=0;(2)VA=6v,VB=5.8v;(3)VA=VB=5v。設(shè)二極管的正向電阻為零，反向電阻為無限大。VYVAR=9kΩDBDAVB1kΩ1kΩ(1)VA=10v,VB=0時(shí)，解:IBIAIRVYVAR=9kΩDBDAVB1kΩ1kΩDB反向截止！(2)VA=6v,VB=5.8v時(shí)，∵VY<VB，∴DB也導(dǎo)通此時(shí)VY應(yīng)由VA和VB共同作用而得，可根據(jù)結(jié)點(diǎn)電壓法求出！DA導(dǎo)通∵VA>VB，∴DA優(yōu)先導(dǎo)通進(jìn)一步可求出IR、IA、IB如下：VA=VB=5v時(shí)，DA、

DB同時(shí)導(dǎo)通，此時(shí)VY由VA和VB共同作用，可根據(jù)結(jié)點(diǎn)電壓法求出：IAIBIRVYVAR=9kΩDBDAVB1kΩ1kΩ§15–4穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管是一種特殊的半導(dǎo)體二極管。特殊處：反向擊穿電壓低，反向擊穿特性陡，且擊穿后除去反向電壓又能恢復(fù)正常。+-DZ穩(wěn)壓管的圖形符號和文字符號一、伏安特性及工作特點(diǎn)：穩(wěn)壓誤差曲線越陡，電壓越穩(wěn)定。DZU/VI/mAUZIZIZMUZIZ+--+0DZ（1）在反向擊穿區(qū)

UZ很小,IZ

很大,管子處于穩(wěn)壓工作狀態(tài)；（2）工作在其它區(qū)域與一般二極管性質(zhì)相同。二、穩(wěn)壓管的主要參數(shù)（1）穩(wěn)定電壓UZ：穩(wěn)壓管正常工作時(shí)管兩端電壓。（2）電壓溫度系數(shù)U（%/℃）：穩(wěn)壓值受溫度變化影響的的系數(shù)。（3）動(dòng)態(tài)電阻：是衡量穩(wěn)壓管性能好壞的指標(biāo)rZ越小，曲線越陡，管子性能越好。（5）最大允許耗散功率PZM（4）穩(wěn)定電流IZ：穩(wěn)壓管在UZ

作用下的電流，是一個(gè)參考數(shù)據(jù)。每種型號的穩(wěn)壓管都有

最大穩(wěn)定電流IZM。uit0三、穩(wěn)壓管的主要應(yīng)用1、限幅作用RED1D2uiuouiuoDZRRL在限幅電路中，二極管工作在正向特性區(qū)；穩(wěn)壓管工作在反向擊穿區(qū)。EuoUZ2、穩(wěn)壓作用RL-UiUoDZRZ++-穩(wěn)壓管穩(wěn)壓電路由限流電阻RZ與穩(wěn)壓管DZ構(gòu)成。⑴當(dāng)電源電壓增大而引起Ui↑

時(shí)，受其影響有Uo↑,∵Uo=UZ是DZ的反向工作電壓，∴有Ui↑→Uo=UZ↑→IZ↑很多

→IRZ=(IZ+Io)RZ

↑很多

→Uo=Ui–IRZ

基本不變（穩(wěn)壓!）IIZIo⑵當(dāng)電源電壓不變而負(fù)載變化時(shí)，RL↓→Io↑→Uo↓

→UZ

=Uo↓→IZ↓很多→I=(IZ+Io)基本不變→Uo=Ui–IRZ

基本不變（穩(wěn)壓!）一、基本結(jié)構(gòu)NNP基極BEC發(fā)射極集電極NPN型PNP型基極BECPPN發(fā)射極集電極§15–5

半導(dǎo)體三極管BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：較薄，1um以下，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高BECNNP基極發(fā)射極集電極發(fā)射結(jié)集電結(jié)三區(qū):基區(qū)發(fā)射區(qū)集電區(qū)三極:基極B發(fā)射極E集電極C兩結(jié):發(fā)射結(jié)集電結(jié)結(jié)構(gòu)特點(diǎn):Ec二、電流放大原理BECNNPEBRB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。IE基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略。IBE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)。BECNNPEBRBEcIE集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO。ICBO從基區(qū)擴(kuò)散來的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE。IC=ICE+ICBOICEIBEICE多子的運(yùn)動(dòng)少子的運(yùn)動(dòng)IBBECNNPEBRBEcIEICBOICEIC=ICE+ICBOICEIBEICE與IBE之比即IC與IB之比稱為電流放大倍數(shù)IB=IBE-ICBOIBEBECIBIEICNPN型三極管BECIBIEICPNP型三極管三極管的表示方法TT圖中箭頭方向代表發(fā)射結(jié)正偏時(shí)的正向電流方向！三、特性曲線特性曲線實(shí)驗(yàn)線路ICmAAVVUCEUBERBIBECEBCBE（1）輸入特性IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.2V。工作壓降：硅管UBE0.6~0.8V,鍺管UBE0.2~0.3V。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCE0.3VUBE,集電結(jié)、發(fā)射結(jié)均正偏，IB>IC，無放大作用，稱為飽和區(qū)。（2）輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，發(fā)射結(jié)、集電結(jié)均反偏，三極管相當(dāng)于兩個(gè)截止的二極管并聯(lián)，其作用相當(dāng)于一個(gè)打開的開關(guān)。此區(qū)稱為截止區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，UBE>0,UBC<0，，此區(qū)稱為放大區(qū)或線性區(qū)。（3）主要參數(shù)前面的電路中，三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點(diǎn)，稱為共射極接法，相應(yīng)地還有共基極、共集電極接法。共射直流電流放大倍數(shù)：①電流放大倍數(shù)β和工作于動(dòng)態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。基極電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：例：UCE=6V時(shí)：IB=40A,IC=1.5mA；