半導(dǎo)體二極管以及三極管

目錄1.1電路和電路模型1.2電路基本物理量1.3電阻元件、電感元件和電容元件1.4電壓源、電流源及其等效變換1.5基爾霍夫定律1.6復(fù)雜電路的分析和計(jì)算

目錄6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)6.2半導(dǎo)體二極管6.3穩(wěn)壓二極管6.4發(fā)光二極管6.5半導(dǎo)體三極管第6章半導(dǎo)體二極管和三極管6.1半導(dǎo)體基本知識(shí)半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之間的物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素.

純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體

——晶體管名稱的由來

1.本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中的共價(jià)健結(jié)構(gòu)本征半導(dǎo)體

2.自由電子與空穴共價(jià)鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子,同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。3.熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象

由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象-----

熱激發(fā)

自由電子在運(yùn)動(dòng)中遇到空穴后，兩者同時(shí)消失，稱為復(fù)合現(xiàn)象

溫度一定時(shí)，本征半導(dǎo)體中的自由電子—空穴對(duì)的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子—空穴對(duì)數(shù)目越多。SiSiSiSi自由電子空穴4.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式SiSiSiSi價(jià)電子空穴

當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流；而空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)

在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子自由電子和空穴

因?yàn)?，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響很大。4.半導(dǎo)體導(dǎo)電方式型半導(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微量的磷（或其它五價(jià)元素）。

自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體2.P型半導(dǎo)體

在硅或鍺晶體中摻入硼（或其它三價(jià)元素）。

空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體

不論N型半導(dǎo)體還是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。

結(jié)1.PN結(jié)的形成自由電子PN空穴PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1.PN結(jié)的形成自由電子PN

空間電荷區(qū)內(nèi)電場方向空穴1.PN結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場增強(qiáng)兩者平衡PN結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加電壓平衡破壞擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)截止2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流——正向電流–+變窄PN內(nèi)電場方向外電場方向RI2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?2)外加反向電壓使PN結(jié)截止

PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流

----反向電流特點(diǎn):受溫度影響大原因:反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+-

變寬PN內(nèi)電場方向外電場方向RI=02.PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)論

PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?/p>

（1）PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。

（2）PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。返回6.2半導(dǎo)體二極管6..2.1基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型表示符號(hào)正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓二極管的伏安特性

半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管：0.1伏左右。正向壓降：硅管：0.7伏左右，鍺管：0.2~0.3伏。1.正向特性正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓二極管的伏安特性反向電流：很小反向飽和電流：幾乎不隨電壓而變反向擊穿電壓UBR2.反向特性二極管的伏安特性正向O0.40.8U/VI/μA604020-50-25-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓主要參數(shù)1.最大整流電流IOM：二極管長時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。2.最大反向工作電壓URM:

保證二極管不被擊穿所允許的最高反向電壓。一般為反向擊穿電壓的1/2~1/3.3最大反向電流IRM:

二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。例6.1在圖6.10所示電路中，二極管是導(dǎo)通還是截止？

解先將二極管D拿開，比較二極管陽極與陰極的電位高低，若陽極電位高，則二極管D導(dǎo)通；反之截止。設(shè)兩電源公共端G電位為0，則二極管陽極電位為－6V，陰極電位為－3V，陽極電位低于陰極電位，故二極管D截止。例6.2如圖6.11(a)所示電路中，已知E=5V，輸入電壓ui=10sinωt，試畫出輸出電壓uo的波形圖。

解如圖6.11(b)畫出輸入電壓ui和E的波形。0~1段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui1~2段，ui>E，二極管陽極電位高于陰極電位，D導(dǎo)通，uo=E2~3段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui3~4段，ui>E，二極管陽極電位高于陰極電位，D導(dǎo)通，uo=E4~5段，ui<E，二極管陽極電位低于陰極電位，D截止，uo=ui由此畫出輸出電壓uo的波形圖如圖6.11(c)所示

例6.3:圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.3V(二極管導(dǎo)通電壓0.7V)解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，DA導(dǎo)通后，DB上加的是反向電壓，因而截止。DA起鉗位作用，

DB起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY返回6.3穩(wěn)壓管

穩(wěn)壓管是一種特殊的二極管,其結(jié)構(gòu)和普通二極管相同,實(shí)質(zhì)上也是一個(gè)PN結(jié),所不同的就是它工作在反向擊穿狀態(tài).應(yīng)用時(shí)與適當(dāng)?shù)碾娮枧浜夏芷鸱€(wěn)壓作用.穩(wěn)壓管表示符號(hào)：

正向+-反向+-IZUZ穩(wěn)壓管的伏安特性：

穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，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)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿是可逆的。U/VI/mA0IZIZMUZ

穩(wěn)壓管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。2.穩(wěn)定電流IZ

指穩(wěn)壓管在穩(wěn)定電壓時(shí)的工作電流。最小穩(wěn)定電流IZmin是指穩(wěn)壓管進(jìn)入反向擊穿區(qū)時(shí)的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流3.穩(wěn)定電流IZmax指穩(wěn)壓管長期工作時(shí)允許通過的最大反向電流穩(wěn)壓管的主要參數(shù)5.動(dòng)態(tài)電阻4.最大允許耗散功率

穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。

PM=UZIZmax★穩(wěn)壓管應(yīng)用例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)U<UZ時(shí),電路不通；當(dāng)U>UZ大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿此時(shí)選R，使IZ<IZmax返回例6.3有兩個(gè)穩(wěn)壓管DZ1和DZ2，其穩(wěn)定電壓分別為5.5V和8.5V，正向壓降均為0.5V，現(xiàn)分別要得到3V、6V、14V幾種穩(wěn)壓值，試畫出其電路圖。解利用穩(wěn)壓管反向?qū)〞r(shí)兩端電壓等于它的穩(wěn)定電壓，正向?qū)〞r(shí)兩端電壓等于它的正向壓降，按圖6.13(a)、（b）、（c）連接，可分別得到3V、6V、14V幾種穩(wěn)定電壓值。圖中R是限流電阻，不能缺少。假設(shè)E大于14V。6.4發(fā)光二極管

發(fā)光二極管（LightEmitingDiode），簡稱LED，是一種將直接把電能轉(zhuǎn)換成光能的器件，沒有熱交換過程。它在正向?qū)〞r(shí)會(huì)發(fā)光，導(dǎo)通電流增大時(shí)，發(fā)光亮度增強(qiáng)。其外形和電路符號(hào)分別如圖6.14(a)、（b）所示。

基本結(jié)構(gòu)

三極管的結(jié)構(gòu)，最常見的有平面型和合金型兩類。圖6.16(a)為平面型（主要為硅管），圖6.16(b)為合金型（主要為鍺管）。都是通過一定的工藝在一塊半導(dǎo)體基片上制成兩個(gè)PN結(jié)，再引出三個(gè)電極，然后用管殼封裝而成。(a)(b)6.5半導(dǎo)體三極管基本結(jié)構(gòu)(NPN型)發(fā)射結(jié)集電結(jié)發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)CNNPBECCEB基極集電極發(fā)射極BNNPE發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū)集電區(qū)ECPPNBECCEB基本結(jié)構(gòu)(PNP型)集電極發(fā)射極基極電流分配和放大原理μAmAmAIBICIERBEC++__EBBCE3DG6共發(fā)射極接法晶體管電流測量數(shù)據(jù)IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05由此實(shí)驗(yàn)及測量結(jié)果可得出如下結(jié)論：（1）IE=IC+IB符合基爾霍夫電流定律。（2）IE和IC比IB大的多。（3）當(dāng)IB=0（將基極開路）時(shí)，IE=ICEO，ICEO<0.001mA用載流子在晶體管內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)規(guī)律來解釋上述結(jié)論。電流分配和放大原理

外部條件：發(fā)射結(jié)加正向電壓；集電結(jié)加反向電壓。UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCERBEC++__EBEBCNNP電流分配和放大原理發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結(jié)的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，形成發(fā)射極電流IE。電流分配和放大原理2電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散IEC復(fù)合IEB同時(shí)基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時(shí)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復(fù)合運(yùn)動(dòng)形成的RBEC++__EBEBC電流分配和放大原理3集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結(jié)反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴(kuò)散，同時(shí)收集E區(qū)擴(kuò)散過來的電子有助于少子的漂移運(yùn)動(dòng)，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流ICRBEC++__EBEBCRBEC++__EBEBCICIBIEICBOIBEIEC電流分配和放大原理特性曲線

用來表示該晶體管各極電壓和電流之間相互關(guān)系、反映晶體管的性能，是分析放大電路的重要依據(jù)。

以共發(fā)射極接法時(shí)的輸入特性和輸出特性曲線為例。μAmAVIBICRBEC++__EBBCE3DG6V+_+_UBEUCE1輸入特性曲線

死區(qū)電壓：硅管：0.5伏左右，鍺管0.1伏左右。正常工作時(shí)，發(fā)射結(jié)的壓降：

NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;PNP型鍺管UBE=-0.2~-0.3V。

00.40.8UBE/VIB/μA80604020UCE>1

晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。2輸出特性曲線3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V（1）放大區(qū)（2）截止區(qū)（3）飽和區(qū)輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3691201324IC/mA10080604020μAIB=0UCE/V（1）放大區(qū)★輸出特性曲線近似于水平?！锇l(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置。放大區(qū)輸出特性曲線上的三個(gè)工作區(qū)3