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1、第10章 二极管和晶体管,上一页,下一页,返 回,10.1 半导体的导电特性 10.2 PN结及其单向导电性 10.3 二极管 10.4 稳压二极管 10.5 晶体管 10.6 光电器件,10.1 半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变(如二极管、三极管等）。,光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (如光敏电阻、光电二极管、光电三极管等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,上一页,下一页,返 回,10.1.1 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。 例如：提纯后的硅和锗材料(四价元素
2、）,晶体中原子的排列方式,硅单晶体中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子。,上一页,下一页,返 回,价电子,本征半导体的导电机理,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,失去一个电子变为正离子,上一页,下一页,返 回,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,半导体的导电性能愈好。温度对半导体器件性能影响很大。,载流子:自由电子和空穴,成对出现 半导体本身并不带
3、电,上一页,下一页,返 回,10.1.2 N型半导体和 P 型半导体,1.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。,上一页,下一页,返 回,10.1.2 N型半导体和 P 型半导体,2.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。,上一页,下一页,返 回,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓
4、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,上一页,下一页,返 回,10.2 PN结及其单向导电性,10.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P 型区,N 型区,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。,扩散和漂移达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区，
5、即PN结 （耗尽层）,上一页,下一页,返 回,PN 结的形成,多数载流子的浓度差,PN 结的形成,上一页,下一页,返 回,10.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,I,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。,上一页,下一页,返 回,2.PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,上一页,下一页,返 回,PN 结变宽,2. PN 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。,I,P接负、N
6、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。,上一页,下一页,返 回,10.3 半导体二极管,（一）基本结构,半导体二极管符号,上一页,下一页,返 回,10.3 半导体二极管,(a) 点接触型,(b)面接触型,上一页,下一页,返 回,10.3.2 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,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一
7、定电压 范围内保持 常数。,上一页,下一页,返 回,10.3.3 主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，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,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。,3. 反向峰值电流IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大,上一页,下一页,返 回,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， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电
8、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.外加反向电压大于反向击穿电压时，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。,上一页,下一页,返 回,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，反向截止时二极管相当于断开。,
9、上一页,下一页,返 回,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，硅管为6.7或 锗管6.3V,例1：,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。,在这里，二极管起钳位作用。,上一页,下一页,返 回,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，V2阳=0 V，V1阴 = V2阴= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作
10、短路，UAB = 0 V,例2:,D1承受反向电压为6 V,流过 D2 的电流为,求：UAB,在这里， D2 起钳位作用， D1起隔离作用。,上一页,下一页,返 回,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例3：,二极管起限幅作用,参考点,二极管阴极电位为 8 V,上一页,下一页,返 回,例 当Us 分别为 2 V、4 V，而 ui 分别为直流 3 V 或交流 3 V 时，试画出 uo 的波形。,上一页,下一页,返 回,10.4 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ
11、, 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。,上一页,下一页,返 回,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 IZ 、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。,上一页,下一页,返 回,10.5 晶体管（半导体三极管）,10.5.1 基本结构,上一页,下一页,返
12、回,10.5 半导体三极管,晶体管的结构示意图和表示符号,(a)NPN型晶体管；,(b)PNP型晶体管,上一页,下一页,返 回,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,上一页,下一页,返 回,10. 5. 2 电流分配和放大原理,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,上一页,下一页,返 回,晶体管电流放大的实验电路 ,设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB, 则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发
13、射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：,2. 各电极电流关系及电流放大作用,上一页,下一页,返 回,晶体管电流测量数据,结论:,(1) IE = IB + IC 符合基尔霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大 变化的特性称为晶体管的电流放大作用。,实质: 用一个微小电流的变化去控制一个较大电流 的变化，是CCCS器件。,上一页,下一页,返 回,(a) NPN 型晶体管；,电流方向和发射结与集电结的极性,(4) 要使晶体管起放大作用，发射结必须正向 偏置，集电结必须反向偏置。,(b) PNP 型晶体管,上一页,下一页,返
14、 回,3.三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,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。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，在外电场作用下基区价电子受激发而不断补充复合的空穴，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,发射区的自由电子进入基区后大部分向集电结运动，在外电场的作用下被拉入集电区，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,上一页,下一页,返 回,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极静态电流放大系数,集射极穿透电流, 温
15、度ICEO,(常用公式),若IB =0, 则 IC ICEO,上一页,下一页,返 回,10.5.3 特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线： (1)直观地分析管子的工作状态 (2)合理地选择偏置电路的参数,设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,上一页,下一页,返 回,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,测量晶体管特性的实验线路,上一页,下一页,返 回,1. 输入特性,特点:非线性,正常工作时发射结电压： NPN型硅管 UBE 0.6
16、0.7V PNP型锗管 UBE 0.2 0.3V,3DG100晶体管的 输入特性曲线,死区电压：硅管0.5V，锗管0.1V。,上一页,下一页,返 回,2. 输出特性,共发射极电路,3DG100晶体管的输出特性曲线,在不同的 IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管 的输出特性曲线是一组曲线。,上一页,下一页,返 回,2. 输出特性,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲线分为三个工作区,3DG100晶体管的输出特性曲线,(1) 放大区,在放大区 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。,对 NPN 型管而言, 应使 UBE 0, UBC UBE。,上一页,下一页,返 回,IC/mA,UCE/V,100 A 80
