二極管和晶體管用

本學(xué)期所學(xué)的內(nèi)容包含兩大部分：模擬電子技術(shù)部分?jǐn)?shù)字電子技術(shù)部分模擬電子技術(shù)－－對(duì)模擬信號(hào)（連續(xù)變化的信號(hào)）放大處理的電路，如溫度、濕度等信號(hào)的放大電路。例：空調(diào)的溫控電路數(shù)字電子技術(shù)－－對(duì)數(shù)字信號(hào)（脈沖信號(hào)）進(jìn)行處理的電路。例：酒瓶裝箱電路、入口人數(shù)統(tǒng)計(jì)電路課程安排授課32學(xué)時(shí)，實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)分為模擬電子部分和數(shù)字電子部分第14章\16章\第17章\第18章~模擬部分第20章\第21章~數(shù)字部分考試題型：填空、選擇、判斷、簡(jiǎn)答、計(jì)算、分析設(shè)計(jì)教材：電工學(xué)下冊(cè)電子技術(shù)（第七版）

14、14.3.6,14.3.8,14.5.9*16、16.2.10,16.2.11,16.2.13,16.3.418、18.3.6,18.3.8*20、20.5.9，20.5.12，20.6.9,20.6.20*21、21.1.13，21.1.14,21.1.16,21.3.9,

（21.5.3,21.5.4,21.5.5三選一）考試前由班級(jí)學(xué)委收齊后，送至工訓(xùn)中心303作業(yè)器件的基本分類(lèi)1、分立元件2、集成元件二極管、晶體管場(chǎng)效應(yīng)管、晶閘管運(yùn)算放大器計(jì)數(shù)器、譯碼器等模擬電路數(shù)字電路1、半導(dǎo)體的基礎(chǔ)知識(shí)，P/N型半導(dǎo)體2、PN結(jié)及半導(dǎo)體二極管3、穩(wěn)壓二極管工作原理及應(yīng)用4、晶體管的特性曲線和主要參數(shù)第14章二極管和晶體管14.1.1本征半導(dǎo)體典型的半導(dǎo)體是硅Si和鍺Ge，它們都是4價(jià)元素圖14.1.1鍺和硅的原子結(jié)構(gòu)硅原子鍺原子硅和鍺最外層軌道上的四個(gè)電子稱(chēng)為價(jià)電子。Silicon原子序數(shù):14核外電子排布:2-8-4Germanium原子序數(shù):32

核外電子排布:2-8-18-4本征半導(dǎo)體：完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體圖14.1.2晶體中原子的排列方式共價(jià)鍵SiSiSiSi硅原子價(jià)電子圖14.1.3硅單晶中的共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)共價(jià)鍵有很強(qiáng)的結(jié)合力，使原子規(guī)則排列，形成晶體共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子被緊緊束縛在共價(jià)鍵中，稱(chēng)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，所以本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力很弱形成共價(jià)鍵后，每個(gè)原子的最外層電子是八個(gè)，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)+4+4+4+4SiSiSiSi束縛電子自由電子空穴當(dāng)溫度升高或受到光的照射時(shí)，共價(jià)鍵中的電子可以掙脫原子核的束縛（激發(fā)），成為自由電子同時(shí)共價(jià)鍵上留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴在外電場(chǎng)的作用下，有空穴的原子吸引相鄰原子中的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，這樣的結(jié)果好像空穴在運(yùn)動(dòng)，而空穴的遷移相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)本征半導(dǎo)體中的自由電子和空穴（載流子）總是成對(duì)出現(xiàn)，同時(shí)又不斷復(fù)合，達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，載流子維持一定的數(shù)量。當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流：1.自由電子做定向運(yùn)動(dòng)形成的電子電流2.仍被原子核束縛的價(jià)電子遞補(bǔ)空穴形成的空穴電流溫度越高，載流子的濃度越高，因此本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力越強(qiáng)。溫度是影響半導(dǎo)體性能的一個(gè)重要的外部因素，這是半導(dǎo)體的一大特點(diǎn)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度14.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)（某種元素），就會(huì)使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加P

型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體N

型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體，也稱(chēng)為電子半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體SiPSiSi多余電子硅原子磷原子硅或鍺+少量磷N型半導(dǎo)體自由電子稱(chēng)為多數(shù)載流子（多子），空穴稱(chēng)為少數(shù)載流子（少子）+4+4+3+4空位硼原子P型半導(dǎo)體硅或鍺+少量硼P型半導(dǎo)體每一個(gè)硼原子都能提供一個(gè)空穴，于是在半導(dǎo)體中就形成了大量空穴。所以P

型半導(dǎo)體中空穴是多子，電子是少子。硅原子空穴雜質(zhì)半導(dǎo)體的示意圖++++++++++++N型半導(dǎo)體多子—電子少子—空穴－－－－－－－－－－－－P型半導(dǎo)體多子—空穴少子—電子少子濃度——與溫度有關(guān)多子濃度——與溫度無(wú)關(guān)，與慘雜多少有關(guān)應(yīng)注意，不論是N型還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個(gè)晶體仍然是不帶電的摻入雜質(zhì)對(duì)本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性有很大的影響，一些典型的數(shù)據(jù)如下:1、T=300K室溫下,本征硅的電子和空穴濃度:

n=p=1.4×1010/cm33、本征硅的原子濃度:4.96×1022/cm3

以上三個(gè)濃度基本上依次相差106/cm3

2、摻雜后N型半導(dǎo)體中的自由電子濃度:

n=5×1016/cm3雜質(zhì)對(duì)半導(dǎo)體導(dǎo)電性的影響雜質(zhì)型半導(dǎo)體多子和少子的移動(dòng)都能形成電流。但由于數(shù)量的關(guān)系，起導(dǎo)電作用的主要是多子。近似認(rèn)為多子與雜質(zhì)濃度相等本征半導(dǎo)體、雜質(zhì)半導(dǎo)體

本節(jié)中的有關(guān)概念自由電子、空穴

N型半導(dǎo)體、P型半導(dǎo)體多數(shù)載流子、少數(shù)載流子PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕?）加正向電壓（正偏）——電源正極接P區(qū)，負(fù)極接N區(qū)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體WERPN結(jié)I14.2PN結(jié)（理解）在同一塊N型（P型）半導(dǎo)體的局部再摻入濃度較大的三價(jià)（五價(jià)）雜質(zhì)，使其變?yōu)镻型（N型）半導(dǎo)體，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的交界面就形成一個(gè)特殊的薄層，稱(chēng)為PN結(jié)。此時(shí)PN結(jié)呈現(xiàn)低電阻，處于導(dǎo)通狀態(tài)（2）加反向電壓——電源正極接N區(qū)，負(fù)極接P區(qū)P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體WERPN結(jié)I由于少數(shù)載流子數(shù)量很少，因此反向電流極小，PN結(jié)呈現(xiàn)高阻性，處于截止?fàn)顟B(tài)。PN結(jié)加正向電壓時(shí)，具有較大的正向電流，呈現(xiàn)低電阻，PN結(jié)導(dǎo)通本節(jié)小結(jié)由此可以得出結(jié)論：PN結(jié)具有單向?qū)щ娦訮N結(jié)加反向電壓時(shí)，具有很小的反向電流，呈現(xiàn)高電阻，PN結(jié)截止14.3二極管（diode）1、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。PNPN符號(hào)陽(yáng)極，正極(+)陰極，負(fù)極(-)NegativePositive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半導(dǎo)體二極管圖片2、伏安特性UI導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V,鍺管0.2~0.3V。反向擊穿電壓U(BR)死區(qū)電壓硅管0.5V,鍺管0.1V。UIE+-正向反向UIE+-3、主要參數(shù)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。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。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。二極管電路分析1、當(dāng)E＝0V，I＝？2、當(dāng)E＝1V，I＝?3、當(dāng)E＝5V，I＝？UIE+-D設(shè)二極管導(dǎo)通壓降為0.7V500歐姆

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

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+

>V-或UD為正(正向偏置)，二極管導(dǎo)通若V+

<V-或UD為負(fù)(反向偏置)，二極管截止正向管壓降硅0.6~0.7V鍺0.2~0.3V電路如圖，求：UABV+

=-6VV-

=-12VV+>V-二極管導(dǎo)通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=-

6V若管壓降0.7V（硅管），則，UAB=-6.7V例1：

取B點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管+極和-極的電位。

在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–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：

忽略二極管的管壓降，試畫(huà)出uo

波形。8V例2：二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開(kāi)關(guān)、元件保護(hù)、溫度補(bǔ)償?shù)?。ui18V參考點(diǎn)二極管-極電位為8VD8VRuoui++––P1314.3.8VD1+VD1-VD2-VD2-+D1導(dǎo)通D2導(dǎo)通兩個(gè)二極管的陰極接在一起取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+

=-6V，V2+=0V，V1-

=V2-=-12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

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

=0V例3:D1承受反向電壓為－6V流過(guò)D2

的電流為求：UAB

在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–**例4：二極管的應(yīng)用(設(shè)RC時(shí)間常數(shù)很?。㏑RLuiuRuotttuiuRuoC§14.4穩(wěn)壓二極管IZmax穩(wěn)壓二極管符號(hào)UIUZIZ穩(wěn)壓二極管特性曲線IZmin當(dāng)穩(wěn)壓二極管工作在反向擊穿狀態(tài)下,當(dāng)工作電流IZ在Izmax和

Izmin之間時(shí),其兩端電壓近似為常數(shù)正向同二極管穩(wěn)定電流穩(wěn)定電壓3、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。例：穩(wěn)壓二極管的應(yīng)用RLuiuORDZiiziLUZ穩(wěn)壓二極管技術(shù)數(shù)據(jù)為：穩(wěn)壓值UZW=10V，Izmax=12mA，Izmin=2mA，負(fù)載電阻RL=2k，輸入電壓ui=12V，限流電阻R=200。若負(fù)載電阻變化范圍為1.5k~4k，是否還能穩(wěn)壓？使用時(shí)要加限流電阻RLuiuORDZiiziLUZUZW=10Vui=12VR=200Izmax=12mAIzmin=2mARL=2k(1.5k~4k)iL=uo/RL=UZ/RL=10/2=5（mA）i=（ui-UZ）/R=（12-10）/0.2=10（mA）

iZ=i-iL=10-5=5（mA）RL=1.5k,iL=10/1.5=6.7（mA）,iZ=10-6.7=3.3（mA）RL=4k,iL=10/4=2.5（mA）,iZ=10-2.5=7.5（mA）負(fù)載變化,但iZ仍在12mA和2mA之間,所以穩(wěn)壓管仍能起穩(wěn)壓作用P1614.4.3DZ1反向擊穿DZ2正向?qū)―Z2反向擊穿DZ1正向?qū)?發(fā)射區(qū)的摻雜濃度最高?集電區(qū)摻雜濃度低于發(fā)射區(qū)，且面積大?基區(qū)很薄，一般在幾個(gè)微米至幾十個(gè)微米，且摻雜濃度最低管芯結(jié)構(gòu)剖面圖14.5.1基本結(jié)構(gòu)14.5晶體管（掌握）摻入發(fā)射區(qū)的雜質(zhì)比集電區(qū)要多，但集電區(qū)的尺寸比發(fā)射區(qū)要大，所以?xún)烧卟荒芑QNPN型三極管PNP型三極管三個(gè)區(qū)：基區(qū)、發(fā)射區(qū)、集電區(qū)三個(gè)極：基極B、發(fā)射極Ｅ、集電極Ｃ兩個(gè)結(jié)：發(fā)射結(jié)，即基區(qū)和發(fā)射區(qū)之間的PN結(jié)；集電結(jié)，即基區(qū)和集電區(qū)之間的PN結(jié)三極管內(nèi)有兩種載流子(自由電子和空穴)參與導(dǎo)電，故稱(chēng)為雙極型三極管?；駼JT

(BipolarJunctionTransistor)

圖15.5.3晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路14.5.2電流分配和放大原理ICmAARBIBECEBmAIE6V基極電路和集電極電路，發(fā)射極是公共端－－共發(fā)射極接法三極管在工作時(shí)要加上適當(dāng)?shù)闹绷髌秒妷喝粼诜糯蠊ぷ鳡顟B(tài)：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏I(xiàn)B/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05（1）IE=IC+IB（2）IC和IE比IB大得多（3）當(dāng)IB＝0（將基極開(kāi)路）時(shí)，IC＝ICEO（4）要晶體管起放大作用：發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏這就是晶體管的電流放大作用BECNNPEBRBEC基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略IE發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)的自由電子（多子）不斷向基區(qū)擴(kuò)散，并不斷從電源補(bǔ)充電子，形成發(fā)射極電流IE1、發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子BECNNPEBRBECIEIBE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基區(qū)中受激發(fā)的價(jià)電子不斷被電源拉走，相當(dāng)于不斷補(bǔ)充被復(fù)合掉的空穴，2、電子在基區(qū)擴(kuò)散和復(fù)合進(jìn)入P區(qū)的電子大部分?jǐn)U散到集電結(jié)IBBECNNPEBRBECIE集電結(jié)反偏，阻擋集電區(qū)的自由電子向基區(qū)擴(kuò)散ICBOIC=ICE+ICBOICEIBEICE將從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)并到達(dá)集電區(qū)邊緣的自由電子拉入集電區(qū)，形成ICE集電結(jié)反向偏置，集電區(qū)少子（空穴）和基區(qū)少子（電子）將向?qū)Ψ竭\(yùn)動(dòng)，形成電流ICBOIB=IBE－ICBOIBE3、集電區(qū)收集從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散過(guò)來(lái)的電子IBICICE與IBE之比稱(chēng)為電流放大系數(shù)從發(fā)射區(qū)擴(kuò)散到基區(qū)的電子中只有很小一部分在基區(qū)復(fù)合，絕大部分到達(dá)集電區(qū)即構(gòu)成發(fā)射極電流IE的兩部分中，IBE很小，ICE很大要使三極管能放大電流，必須使發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏NPN型三極管BECIBIEIC++--PNP型三極管BECIBIEIC-++-14.5.3特性曲線

圖15.5.6測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路表示晶體管各極電壓和電流間相互關(guān)系ICmAAVVUCEUBERBIBECEBRC1.輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降硅管UBE0.6～0.7V鍺管UBE0.2～0.3VUCE=0VUCE=0.5V死區(qū)電壓硅管0.5V鍺管0.1V

IB=f(UBE)

UCE=const2.輸出特性IC=f(UCE)

IB=constIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿(mǎn)足

稱(chēng)為線性區(qū)（放大區(qū)）當(dāng)UCE超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，IC具有恒流特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AIB=0IC=ICEOIB=0的曲線以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū)對(duì)NPN晶體管，UBE≤死區(qū)電壓時(shí)，已開(kāi)始截止，但為了截止可靠，常使UBE≤

0，集電結(jié)處于反向偏置

，

UCE約等于

EC,IC約等于0。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100AUCEUBE集電結(jié)正偏，稱(chēng)為飽和區(qū)在飽和區(qū)，IB的變化對(duì)IC的影響較小，兩者不成正比，放大區(qū)的不能適用于飽和區(qū)。此時(shí)發(fā)射結(jié)也正偏，UCE約等于0V，輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時(shí)，IC只與IB有關(guān)，IC=IB,且

IC=

IB

。此區(qū)域稱(chēng)為線性放大區(qū)。此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，UCE0.3V稱(chēng)為飽和區(qū)。此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓,稱(chēng)為截止區(qū)。輸出特性三個(gè)區(qū)域的特點(diǎn):(1)放大區(qū)

IC=IB,且

IC=

IB

，BE結(jié)正偏，BC結(jié)反偏(2)飽和區(qū)

IC達(dá)飽和，IC與IB不是倍的關(guān)系，IB>IC

。BE結(jié)正偏，BC結(jié)正偏，即UCEUBE

（UCE0.3V

，UBE0.7V）

(3)截止區(qū)

UBE<死區(qū)電壓，IB=0，IC=ICEO0（ICEO穿透電流，很小，A

級(jí)）

例：

=50，UCC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)Us=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？Us=-2V，IB=0，IC=0，Q位于截止區(qū)

Us=2V，IB=(Us-UBE)/RB=(2-0.7)/70=0.019mAIC=IB=500.019=0.95mA<

ICS=2mA

，Q位于放大區(qū)

IC最大飽和電流ICS=(UCC-UCE)/RC=(12-0)/6=2mA

ICUCEIBUCCRBUsCBERCUBEICUCEIBUCCRBUsCBERC

=50，USC=12V，

RB=70k，RC=6k

當(dāng)Us=-2V，2V，5V時(shí)，晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn)Q位于哪個(gè)區(qū)？Us=5V，IB=(Us-UBE)/RB=(5-0.7)/70=0.061mAIC=IB