半導體二極管和三極管

半導體二極管和三極管第1頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.1

半導體的導電特性(2).半導體的導電特性：摻雜性：光敏性：熱敏性：(1).半導體導電能力介乎于導體和絕緣體之間。溫度↑→導電能力↑光照↑→導電能力↑摻雜↑→導電能力1.概念⑶常用的半導體材料硅

Si原子結(jié)構(gòu):2-8-4鍺

Ge原子結(jié)構(gòu):

2-8-18-4第2頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.1.1

本征半導體

完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導體，稱為本征半導體。硅單晶中的共價健結(jié)構(gòu)共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子⑴本征半導體第3頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

Si

Si

Si

Si價電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，少量價電子即可掙脫原子核的束縛，而成為自由電子（帶負電），同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。(2)本征激發(fā)這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭ㄗ杂呻娮幼杂呻娮颖菊骷ぐl(fā)成對產(chǎn)生空穴第4頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三(3)本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

①自由電子作定向運動

電子電流②

仍被原子核束縛的價電子遞補空穴

空穴電流注意：

(1)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。所以，溫度對半導體器件性能影響很大。

(2)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產(chǎn)生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。第5頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.1.2N型半導體和P型半導體

Si

Si

Si

Sip+磷原子在本征半導體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導體。⑴N型半導體本征半導體中摻入微量的五價元素(如磷,原子結(jié)構(gòu):2-8-5)特點：多數(shù)載流子——自由電子少數(shù)載流子——空穴N型半導體++++++++示意圖第6頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

Si

Si

Si

SiB–⑵P型半導體特點：多數(shù)載流子——空穴少數(shù)載流子——自由電子多數(shù)載流子數(shù)目由摻雜濃度確定少數(shù)載流子數(shù)目與溫度有關(guān).溫度↑→少子↑結(jié)論：本征半導體中摻入微量的三價元素(如硼,原子結(jié)構(gòu):2-3)無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。P型半導體－－－－－－－－示意圖第7頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三

1.在雜質(zhì)半導體中多子的數(shù)量與

（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

2.在雜質(zhì)半導體中少子的數(shù)量與（a.摻雜濃度、b.溫度）有關(guān)。

3.當溫度升高時，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型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba思考題：第8頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦?/p>

1PN結(jié)的形成多子的擴散運動內(nèi)電場少子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體

內(nèi)電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。

擴散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬。擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(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)第9頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1).PN結(jié)加正向電壓（正向偏置）PN結(jié)變窄

P接正、N接負外電場IF內(nèi)電場被削弱，多子的擴散加強，形成較大的正向電流。

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)處于導通狀態(tài)。內(nèi)電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++動畫+–第10頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三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、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)處于截止狀態(tài)。內(nèi)電場PN+++－－－－－－+++++++++－－－－－－－－－++++++－－－第11頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.2半導體二極管9.2.1基本結(jié)構(gòu)(a)點接觸型(b)面接觸型點接觸型：結(jié)面小、結(jié)電容小，適用高頻小電流場合。如：檢波電路、數(shù)字開關(guān)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。金屬觸絲陽極引線N型鍺片陰極引線外殼(

a

)點接觸型鋁合金小球N型硅陽極引線PN結(jié)金銻合金底座陰極引線(

b

)面接觸型陰極陽極(

c

)符號D第12頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三半導體二極管圖片第13頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三半導體二極管圖片第14頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.2.2.伏安特性UBR——

反向擊穿電壓⑴正向特性死區(qū)電壓=0.1V（鍺管）0.5V（硅管）UD=0.2~0.3V

（鍺管）0.6~0.7V

（硅管）導通時的正向壓降：⑵反向特性UIo死區(qū)電壓+--+UBRUD第15頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三UIoUBRUDID⑶溫度對二極管的影響①溫度升高二極管正向壓降減小溫度↑→載流子↑→→導電能力↑→等效電阻↓→→正向壓降UD↓②溫度升高二極管反向電流增大溫度↑→少數(shù)載流子↑→反向電流↑溫度每升高10°C。反向電流增大一倍。第16頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三⑷理想二極管的開關(guān)特性正向?qū)ǚ聪蚪刂?-開關(guān)閉合+-開關(guān)斷開第17頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.2.3.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。（點接觸型<幾十mA，面接觸型較大）（2）反向工作峰值電壓URWM二極管不被反向擊穿時允許承受的最大反向電壓。一般URWM是UBR的一半（或三分之二）。（3）反向峰值電流IRM

二極管上加反向工作峰值電壓URWM

時的反向電流。IRM愈小愈好。第18頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三二極管的單向?qū)щ娦?.二極管加正向電壓（正向偏置，陽極接正、陰極接負）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、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(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，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?？偨Y(jié):第19頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三二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。若V陽

>V陰或UD為正(正向偏置)，二極管導通若V陽

<V陰或UD為負(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于斷開。第20頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三FAB-12V0V+3VDARDB例1電路中，輸入端VA=+3V，VB=0V，試求輸出端F的電位VF。解：∵

UDA>UDB

∴DA優(yōu)先導通，DB截止?！?/p>

VA陽

=3V，VB陽=0V，VA陰

=VB陰=－12VUDA=15V，UDB=12V若忽略管壓降，二極管可看作短路，VF=3V否則，VF低于3V一個管壓降，為2.7Ｖ或2.3V第21頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三電路如圖，求：UAB

V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，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

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+–例2第22頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三ui>8V，二極管導通，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二極管的用途：

整流、檢波、限幅、鉗位、開關(guān)、元件保護、溫度補償?shù)?。ui18V參考點二極管陰極電位為8VD8VRuoui++––動畫例3第23頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三例4ui

RD（a）uoui

RD（b）uo圖示兩個電路。已知ui

=10sinωt（V），試畫出輸出電壓uo的波形。解：⑴圖(a)ui

＞0，D

導通，uo=0，

ui

＜0，D

截止，uo=ui

⑵圖(b)ui

＞0，D導通，uo=ui

，

ui

＜0，D截止，uo=010Voωtui-10Voωtui10Voωtui第24頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三兩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

=－6V，V2陽=0V，V1陰

=V2陰=－12VUD1=6V，UD2=12V

∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V求：UAB在這里，D2起鉗位作用，D1起隔離作用。BD16V12V3kAD2UAB+–例5第25頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.3穩(wěn)壓二極管1.結(jié)構(gòu)和符號UIUZIZIZMUZIZoab-+DZ符號面接觸型硅二極管2.伏安特性正向特性與普通硅二極管相同⑴未擊穿區(qū)（oa段）I≈0，反向截止⑵擊穿區(qū)（穩(wěn)壓區(qū)

ab段）特性陡直，電壓基本不變，具有穩(wěn)定電壓作用動態(tài)電阻：動態(tài)電阻愈小穩(wěn)壓效果愈好⑶熱擊穿區(qū)（b點以下線段）過熱燒壞PN結(jié)穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓第26頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三3.穩(wěn)壓二極管的參數(shù)（2）電壓溫度系數(shù)U（1）穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值（3）動態(tài)電阻

越小，穩(wěn)壓性越好溫度變化1°C，穩(wěn)壓值變化的百分數(shù)。（4）穩(wěn)定電流IZ、最大穩(wěn)定電流IZM使用時穩(wěn)壓管的電流要大于IZ，小于最大穩(wěn)定電流IZM（5）最大允許功耗PZM穩(wěn)壓管不發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗第27頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.4半導體三極管9.4.1基本結(jié)構(gòu)B基極E發(fā)射極C集電極NPN型PNP型NNP發(fā)射結(jié)集電結(jié)BECIBIEICTBECIBIEICTB基極E發(fā)射極C集電極PPN硅管主要是平面型,鍺管都是合金型。硅管多為NPN型,鍺管多為PNP型。第28頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三BECNNP基極發(fā)射極集電極基區(qū)：摻雜濃度最低并且很薄集電區(qū)：摻雜濃度較低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高9.4.2.電流分配和放大原理1.晶體管的電流放大的條件

(1)內(nèi)部條件

三個區(qū)摻雜濃度不同，厚薄不同。第29頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三(2)外部條件

發(fā)射結(jié)加上正向電壓，集電結(jié)加上反向電壓NNPBEC++－－BECT++－－UBE

UBCPPNBEC－－++BECT－－++UBE

UBC即：NPN型或VB>VE,VC>VB

PNP型為：或VB<VE,VC<VB第30頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2.晶體管的電流分配關(guān)系

mAAmAIETRBIBECEBICRC+－－+共發(fā)射極放大實驗電路第31頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三②IC、IE>>IBIC與IB之比稱為靜態(tài)電流（直流）放大系數(shù)①IE=IC+IB結(jié)論：IB(mA)

0

0.02

0.040.060.08

0.10IC(mA)<0.001

0.701.502.303.103.95IE(mA)<0.001

0.721.542.363.184.05晶體管電流測試數(shù)據(jù)

第32頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三結(jié)論：③ΔIC、ΔIE>>ΔIB

，ΔIC與ΔIB之比稱為動態(tài)電流（交流）放大倍數(shù)IB(mA)

0

0.02

0.040.060.08

0.10IC(mA)<0.001

0.701.502.303.103.95IE(mA)<0.001

0.721.542.363.184.05晶體管電流測試數(shù)據(jù)

第33頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三IC電子在基區(qū)與空穴復合，形成電流IB，復合機會小，IB小IBIE發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)向基區(qū)發(fā)射(擴散)電子，形成發(fā)射極電流IE3.放大原理BENNPEBRBEC+－+-+-+集電結(jié)反偏，擴散到基區(qū)的電子被收集(漂移)到集電區(qū)形成IC，收集能力強，IC大C第34頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三9.4.3特性曲線及主要參數(shù)ICmAAV1V2UCEUBERBIBECEB

實驗線路輸入回路→輸入特性IB=f（UBE）|UCE輸出回路→輸出特性IC=f（UCE）|IB第35頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三死區(qū)電壓，硅管0.5V，鍺管0.1V。令UCE=常數(shù)IB=f（UBE）1.輸入特性工作壓降：UBE0.6~0.7V,硅管UBE0.2~0.3V鍺管IB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE1V0IB=f（UBE

）|UCE3DG100晶體管的輸入特性曲線第36頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三2.輸出特性1234IC(mA)UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑴放大區(qū)IC=f（UCE）|IB第37頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三此區(qū)域中:IB=0,IC=ICEO,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A0⑵截止區(qū)ICEO第38頁，共44頁，2023年，2月20日，星期三IC(mA)1234U