第9章 半導(dǎo)體二極管、三極管

電工電子學(xué)下篇-電子技術(shù)第9章二極管和晶體管第10章基本放大電路第11章運(yùn)算放大器第12章直流穩(wěn)壓電源第13章門電路和組合邏輯電路第14章觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路第15章模擬量和數(shù)字量轉(zhuǎn)換第9章半導(dǎo)體二極管、三極管9.2二極管9.3穩(wěn)壓二極管9.4半導(dǎo)體三極管9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識導(dǎo)體：自然界中很容易導(dǎo)電的物質(zhì)稱為導(dǎo)體，金屬一般都是導(dǎo)體。絕緣體：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。半導(dǎo)體：導(dǎo)電特性處于導(dǎo)體和絕緣體之間。如鍺、硅等。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力受外界因素的影響很大：對溫度敏感摻雜半導(dǎo)體及其特點(diǎn)對光照敏感半導(dǎo)體的特點(diǎn)是由其原子結(jié)構(gòu)決定的硅和鍺原子結(jié)構(gòu)中最外層有四個(gè)價(jià)電子GeSi本征半導(dǎo)體：純凈的、結(jié)構(gòu)完整的半導(dǎo)體晶體。9.1.1本征半導(dǎo)體硅本征半導(dǎo)體中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)

Si

Si

Si

Si常溫下本征半導(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。

9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性共價(jià)健共用電子對共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子是被束縛電子共價(jià)鍵是較穩(wěn)定結(jié)構(gòu)+4+4+4+4自由電子束縛電子空穴束縛電子獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，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)理溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子、空穴便愈多。本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴數(shù)量相等外電場方向+4+4+4+4在外電場的作用下會吸引相鄰原子的價(jià)電子來填補(bǔ)空穴，同時(shí)相鄰原子的共價(jià)鍵中出現(xiàn)空穴。價(jià)電子移動的結(jié)果相當(dāng)于帶正電的空穴的反方向遷移自由電子和空穴是半導(dǎo)體中的載流子?？昭ㄊ禽d流子?本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加外電壓時(shí)，出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運(yùn)動電子電流

(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)溫度高，載流子數(shù)目多,半導(dǎo)體導(dǎo)電性能好。

所以，溫度對半導(dǎo)體器件性能影響很大。1.N型半導(dǎo)體9.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體摻入五價(jià)元素

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子常溫下少量的自由電子和空穴正離子在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子2.P型半導(dǎo)體摻入三價(jià)元素

Si

Si

Si

SiB–硼原子負(fù)離子空穴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。

P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電子是少數(shù)載流子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子1、

PN結(jié)的形成多子的擴(kuò)散運(yùn)動內(nèi)電場促進(jìn)少子的漂移運(yùn)動濃度差P型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體漂移使內(nèi)電場變薄擴(kuò)散使內(nèi)電場變寬空間電荷區(qū)也稱PN結(jié)擴(kuò)散和漂移運(yùn)動最終達(dá)到動態(tài)平衡內(nèi)電場穩(wěn)定－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)9.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詢?nèi)電場阻止多子的擴(kuò)散運(yùn)動2、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IFPN結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，多子的擴(kuò)散加強(qiáng),正向電流較大，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài)。內(nèi)電場－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–RPN3.PN結(jié)加反向電壓（反向偏置）外電場

P接負(fù)、N接正內(nèi)電場+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－–+PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－PN結(jié)變寬

PN結(jié)加反向電壓，PN結(jié)變寬，加強(qiáng)少子的漂移運(yùn)動由于少子數(shù)量很少，反向電流較小，可認(rèn)為PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài)。IF陰極引線陽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型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型圖1–12半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號9.2

半導(dǎo)體二極管9.2.1二極管的結(jié)構(gòu)示意圖陰極陽極(

d

)符號D9.2.2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)。9.2.3主要參數(shù)1.最大整流電流

IF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.最高反向工作電壓UR二極管工作是允許外加的最大反向電壓值。超過此值時(shí)，二極管有可能因反向擊穿而損壞。手冊上給出的最高反向工作電壓UR一般是擊穿電壓U（BR）的一半。PNI_U+3.微變電阻rDiDuDIDUDQiDuDrD是二極管特性曲線上工作點(diǎn)Q附近電壓的變化與電流的變化之比：工作點(diǎn)Q處的直流電阻：R=UD/ID

RLuiuouiuott例1：二極管半波整流D3VRuiuouRuD

例2：下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，

ui=6sintV,E=3V,試畫出

uo波形。t

t

ui

/Vuo/V6330022–6t

6302例3：雙向限幅電路t03–3DE3VRDE3VuiuouRuD

ui

/Vuo/V例4：下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB為鍺管(導(dǎo)通壓降0.3V)，求輸出端Y的電位,并說明二極管的作用。解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=3–0.3=2.7VDA導(dǎo)通后,DB因反偏而截止,起隔離作用,DA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。DA

–12VYABDBR9.3

穩(wěn)壓二極管1.符號UZIZUZ2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓穩(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。_+UIO例：設(shè)DZ1的穩(wěn)定電壓為6V，DZ2的穩(wěn)定電壓為12V，設(shè)穩(wěn)壓管的正向?qū)▔航禐?.7V，則輸出電壓UO

等于（）。(a)18V(b)6.7V(c)30V(d)12.7V作業(yè)：P263-268頁B基本題：9.2.6

9.3.3、9.3.4、N型硅BECN+P型硅基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高9.4.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)9.4半導(dǎo)體三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)

CBEN集電極C發(fā)射極E基極BNPPN1.PNP型三極管

三極管的結(jié)構(gòu)分類和符號2.NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EPECB符號晶體管-半導(dǎo)體三極管頻率：高頻管、低頻管功率：材料：小、中、大功率管硅管、鍺管類型：NPN型、PNP型半導(dǎo)體三極管是具有電流放大功能的元件ICRBIBECEB9.4.2

三極管的電流分配和放大原理IECEB三極管電流放大的外部條件:（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對于NPN型三極管應(yīng):UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應(yīng):UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VECEBIBECRCICIEEBRB三極管的電流放大原理EBRBIBICECRCNPIEN發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成發(fā)射極電流IE電子在基區(qū)的擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子電子流向電源正極形成ICEB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IB動畫CEB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。BECNNPEBRBECIBIEIC9.4.3

特性曲線UCEICUBERBIBECEB輸出回路輸入回路ICmAAVVUCEUBERBIBECEB一、輸入特性：一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8工作壓降：硅管UBE0.6~0.7V,鍺管UBE0.2~0.3V。二、輸出特性:ICmAAVVUCEUBERBIBECEB二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912100AIC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A當(dāng)UCE大于一定值時(shí)IC=IB稱：放大區(qū)（線性區(qū)）:發(fā)射結(jié)正偏；集電結(jié)反偏.IC(mA)1234UCE(V)36912UCEUBEUCE0.3VIB>IC稱：飽和區(qū)集電結(jié)正偏;發(fā)射結(jié)正偏.IB=020A40A60A80A100AIC(mA)1234UCE(V)36912UBE<0IB=0,IC=ICEO稱：截止區(qū)發(fā)射結(jié)反偏；集電結(jié)反偏.IB=020A40A60A80A100AT工作在放大區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏；T工作在飽和區(qū)條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)正偏；T工作在截止區(qū)條件：發(fā)射結(jié)反偏，集電結(jié)反偏；輸入特性輸出特性IBUCCRCICIERBUI解：UI

：-1V工作在截止?fàn)顟B(tài)例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K歐，RB=10K歐，=25，輸入電壓UI分別為-1V，1V，3V時(shí)求晶體管處于何種工作狀態(tài)例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K歐，RB=10K歐，=25，輸入電壓UI分別為-1V，1V，3V時(shí)求晶體管處于何種工作狀態(tài)IBUCCRCICIERBUI解：UI

：1V工作在放大狀態(tài)IBUCCRCICIERBUI解：UI

：3V工作在飽和狀態(tài)例：UCC=6V，IB=40A,RC=3K歐，RB=10K歐，=25，輸入電壓UI分別為-1V，1V，3V時(shí)求晶體管處于何種工作狀態(tài)工作于動態(tài)的三極管，真正的信號是疊加在直流上的交流信號。交流電流放大倍數(shù)為：共射直流電流放大倍數(shù)：1.電流放大倍數(shù)和在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=9.4.4主要參數(shù)在以后的計(jì)算中，一般作近似處理：=。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)9120Q1Q2在Q1點(diǎn)，有由Q1和Q2點(diǎn)，得例：在UCE=6V時(shí)，在Q1點(diǎn)IB=40A,