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1、9.2 半导体二极管,9.3 稳压管,9.4 半导体三极管,9.1 半导体的导电特性,第 九 章 半导体二极管和三极管,第9章 半导体二极管和三极管,本章要求： 一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流放大作 用； 二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 三、会分析含有二极管的电路。,9.1 半导体的导电特性,9.1.1 本征半导体,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自
2、由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴 。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，自由电子做定向运动；空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,带正电,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流 (1)自由电子作定向运动 电子电流 (2)价电子递补空穴 空穴电流,注意： (1) 本征半导体中载流子数目极少, 其导电性能很差； (2) 温度愈高， 载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导
3、体器件性能影响很大。,自由电子和空穴都称为载流子。 自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在N 型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,9.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导
4、体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ，N 型半导体中的电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,9.1.3 PN结及其单向导电性
5、,1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型半导体,N 型半导体,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,空间电荷区也称 PN 结,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,形成空间电荷区,2 PN结的单向导电性,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,1). PN 结加正向电压（正向偏置）,2). PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,PN 结变宽,2). P
6、N 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流（反向饱和电流）。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,9.2.1 基本结构,将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分有点接触型和面接触型两类。,9.2 半导体二极管,9.2.2 伏安特性,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性
7、,反向特性,特点：非线性,死区电压,反向电流在一定 电压范围内 保持常数。,1. 最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管 的最大正向平均电流。,2. 反向工作峰值电压 URWM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是 反向击穿电压的一半或三分之二。,3. 反向峰值电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,9.2.3 主要参数,二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管
8、处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时
9、二极管相当于断开。,例 1 在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。,解 因为 VA 高于VB ，所以DA 优先导通。如果二极管的正向压降是 0.3 V，则 VY = + 2.7 V。当 DA 导通后, DB 因反偏而截止。,在这里，DA 起钳位作用，将输出端电位钳制在 + 2.7 V。,两个二极管的阴极接在一起 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 = 6 V， V1阴 = 12 V； V2阳=0 V，V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V,例2:,D1承受反向电压为6 V
10、,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。, UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,9.3 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 I
11、Z 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,9.4 半导体三极管,9.4.1 基本结构,1. NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,集电极 C,基极 B,发射极 E,不论平面型或合金型，都分成 NPN 或PNP 三层，因此又把晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两类。,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,集电极 C,发射极 E,基极 B,N,P,P,N,2. PNP 型三极管,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,结构特点：,集电区： 面积最大,9.4.2 电流分配和放
12、大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,2.三极管内部载流子的运动规律,基区的多子空穴向发射区的扩散可忽略。,1、发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,2、进入基区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,3、集电结反偏电压存在，吸收从基区扩散来的电子形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,2. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO
13、IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),若IB =0, 则 IC ICEO,以下是说明晶体管的放大原理和其中的电流分配的实验电路.,9.4.2 电流分配和放大原理,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,晶体管电流测量数据,(2) IC 和 IE 比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得,这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化 IC 。,式中， 称为动态电流(交流)放大系数,(3)当 IB =
14、0(将基极开路)时，IC = ICEO，表中 ICEO 0.001 mA = 1 A。,(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置，集电区才可收集从发射区发射过来的电子。,下图给出了起放大作用时 NPN 型和 PNP 型晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。,对于 NPN 型应满足: UBE 0 UBC VB VE,对于 PNP 型应满足: UEB 0 UCB 0 即 VC VB VE,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.60.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0
15、.3V,9.4.3 特性曲线,1. 输入特性曲线,IB=0,20A,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1) 放大区,在放大区有 IC= IB ，也称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,2. 输出特性曲线,（2）截止区,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当UCE UBE时，晶体管工作于饱和状态, IB IC， 在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。,深度饱和时， 硅管UCES 0.3V， 锗管UCES 0.1V。,由以上可知当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。,晶体管的三种工作状态如下图所示,晶体管结电压的典型值,当晶体管工作在动态(有输入信号)时，基极电流的变化量为 IB ，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与 IB的比值称为动态电流(交流)放大系数,在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下,可近
