ch9二極管和晶體管解析

1、ch9二極管和晶體管解析第 9 章 半導(dǎo)體二極管和三極管9.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性 本征半導(dǎo)體就是完全純潔的、具有晶體構(gòu)造的半導(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。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價鍵構(gòu)造。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量價電子即可掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn)，同時又不斷復(fù)合。在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運動形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補，而在該原子的共價鍵中產(chǎn)

2、生另一個空穴?？昭ū惶钛a和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場方向挪動，形成空穴電流。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?？昭ㄅ矂臃较?電子挪動方向 外電場方向SiSiSiSiSiSiSi9.1.2 N 型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體1. N 型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷，當(dāng)某一個硅原子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因此自由電子的數(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。 SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電才能

3、很低。假設(shè)在其中參入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電才能大大增強。2. P 型半導(dǎo)體 在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼，在組成共價鍵時將因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空位，相鄰硅原子的價電子很容易填補這個空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為 P 型半導(dǎo)體。 SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價電子填補空位9.1.3 PN 結(jié)及其單向?qū)щ娦?. PN 結(jié)的形成 用專門的制造工藝在同一塊半導(dǎo)體單晶上，形成 P 型半導(dǎo)體區(qū)域和 N 型半導(dǎo)體區(qū)域，在這兩個區(qū)域的交界處就形成了一個特殊的薄層，稱為 PN 結(jié)。 P 區(qū)N 區(qū)N區(qū)的電子向P

4、區(qū)擴(kuò)散并與空穴復(fù)合PN 結(jié)內(nèi)電場方向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)抵消一局部負(fù)空間電荷N區(qū)電子進(jìn)入空間電荷區(qū)抵消一局部正空間電荷空間電荷區(qū)變窄 擴(kuò)散運動增強，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)散運動難于進(jìn)展返回9.2 半導(dǎo)體二極管9.2.1 根本構(gòu)造 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。按構(gòu)造分，有點接觸型和面接觸型兩類。點接觸

5、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9.2.2 伏安特性 二極管和 PN 結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線可見，當(dāng)外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓。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。60402002550I / 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 50510150.010.02鍺管的

6、伏安特性0 在二極管上加反向電壓時，反向電流很小。但當(dāng)反向電壓增大至某一數(shù)值時，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦浴．a(chǎn)生擊穿時的電壓稱為反向擊穿電壓 U(BR)。9.2.3 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。 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0.60.7V鍺0.20

7、.3V 分析方法：將二極管斷開，分析二極管兩端電位的上下或所加電壓UD的正負(fù)。假設(shè) V陽 V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通假設(shè) V陽 V陰 二極管導(dǎo)通假設(shè)忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V否那么， UAB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+兩個二極管的陰極接在一起取 B 點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽 =6 V，V2陽=0 V，V1陰 = V2陰= 12 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。假設(shè)忽略管壓降，二

8、極管可看作短路，UAB = 0 V例2:D1承受反向電壓為6 V流過 D2 的電流為求：UAB 在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用。 BD16V12V3kAD2UAB+ 例 3 在圖中，輸入電位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 電阻 R 接負(fù)電源 12 V。求輸出端電位 VY。 解 因為 VA 高于VB ，所以DA 優(yōu)先導(dǎo)通。假設(shè)二極管的正向壓降是 0.3 V，那么 VY = + 2.7 V。當(dāng) DA 導(dǎo)通后, DB 因反偏而截止。 在這里，DA 起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在 + 2.7 V。 二極管的應(yīng)用范圍很廣，主要都是利用它的單向?qū)щ娦浴Ｋ捎门c整流、檢波、限幅、

9、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，可看作開路 uo = ui已知： 二極管是理想的，試畫出 uo 波形。8V例4：二極管的用處： 整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護(hù)、溫度補償?shù)取i18V參考點二極管陰極電位為 8 VD8VRuoui+ 9.3 穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號如以以下圖所示。 穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當(dāng)反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓管反向擊穿。此后

10、，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起作用。I/mAU/VOUZIZIZM+ 正向 +反向UZIZ 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 PZM 例 1 圖中通過穩(wěn)壓管的電流 IZ 等于多少？R 是限流電阻，其值是否適宜？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mAIZ例 1 的圖IZ IZM ，電阻值適宜。解晶體管的構(gòu)造示意圖和表示符號(a)NPN型晶體管；(a)NNCEBPCETBIBIEIC(b)BECPPNET

11、CBIBIEIC(b)PNP型晶體管CE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)集電結(jié)發(fā)射結(jié)NNP基極發(fā)射極集電極BCE發(fā)射區(qū)集電區(qū)基區(qū)P發(fā)射結(jié)P集電結(jié)N集電極發(fā)射極基極B9.4 雙極型晶體管 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)射極集電極構(gòu)造特點：集電區(qū)：面積最大1. 三極管放大的外部條件BECNNP發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏 PNP發(fā)射結(jié)正偏 VBVE集電結(jié)反偏 VCVE集電結(jié)反偏 VCVB EBRBECRC9.4.2 電流分配和放大原理 我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實驗中用的是 NPN 型管

12、，為了使晶體管具有放大作用，電源 EB 和 EC 的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電壓(正向偏置)，集電結(jié)加反向電壓(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100 設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB，那么基極電流 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：基極電路集電極電路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶體管電流測量數(shù)據(jù)結(jié)論：(1)符合基爾霍夫定律(

13、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 。 稱為動態(tài)電流(交流)放大系數(shù) (3)當(dāng) IB = 0(將基極開路)時，IC = ICEO， 表中 ICEO 0UBC VB VE對于 PNP 型三極管應(yīng)滿足: UEB 0UCB 0即 VC VB 0，UBC UBE。ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCEEBCEB共發(fā)射極電路IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 12

14、43212.31.5放 大 區(qū) 飽和區(qū)截止區(qū)(2) 截止區(qū) IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB = 0 時, IC = ICEO(很小)。對 NPN 型硅管，當(dāng)UBE 0.5 V 時，即已開場截止，但為了使晶體管可靠截止，常使 UBE 0，截止時集電結(jié)也處于反向偏置(UBC 0)，此時, IC 0 ，UCE UCC 。(3) 飽和區(qū) 當(dāng) UCE 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 /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212

15、.31.5放 大 區(qū) 當(dāng)晶體管飽和時， UCE 0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很??；當(dāng)晶體管截止時，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如以以下圖所示+ UBE 0 ICIB+UCE(a)放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC (b)截止 UBC 0 IB+ UCE 0 (c)飽和 UBC 0+ 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 0.3 0.1

16、0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶體管結(jié)電壓的典型值9.4.4 主要參數(shù)1. 電流放大系數(shù) ， 當(dāng)晶體管接成共發(fā)射極電路時，在靜態(tài)(無輸入信號)時集電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù) 當(dāng)晶體管工作在動態(tài)(有輸入信號)時，基極電流的變化量為 IB ，它引起集電極電流的變化量為 IC 。 IC 與 IB的比值稱為動態(tài)電流(交流)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. 集基極反向截止電流 ICBO ICBO 是當(dāng)發(fā)射極開路時流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。3. 集射極反向截止電流 ICEO IC

17、EO 是當(dāng)基極開路(IB = 0)時的集電極電流，也稱為穿透電流，其值越小越好。 4. 集電極最大允許電流 ICM 當(dāng) 值下降到正常數(shù)值的三分之二時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流 ICM 。 5. 集射反相擊穿電壓 U(BR)CEO 6. 集電極最大允許耗散功率 PCM 基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，稱為集射反相擊穿電壓 U(BR)CEO 。 當(dāng)晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率，稱為集電極最大允許耗散功率 PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安全 工 作 區(qū) 由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同確

18、定晶體管的平安工作區(qū)。返回晶體管處于放大狀態(tài)。 (2) 開關(guān) S 合向 b 時 例9.1.1 圖示電路，晶體管的 = 100，求開關(guān) S 合向 a、b、c 時的 IB、IC 和 UCE，并指出晶體管的工作 狀態(tài)忽略 UBE 。解 (1) 開關(guān) S 合向 a 時 UBB1 RB1 5 500103 IB = = A = 0.01 mAIC = IB = 1000.01 mA = 1 mA UCE = UCCRCIC = (1551031103) V = 10 VUCC = 15 V UBB1 = 5 V UBB2 = 1.5 VRB1 = 500 k RB2 = 50 k RC = 5 kUBB1 S BCERCUCC RB1 UBB2 RB2 a b c UCE = 0 V 晶體管處于飽和狀態(tài)。因為假設(shè) IC = IB = 1000.1mA = 10 mA UCE = UCCRCIC = V =35 V UCE0，這是不可能的，即不可能處于放大狀態(tài)。 (3) 開關(guān) S 合向 c 時 IB = 0，IC = 0，UCE