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1、第十四章半导体二极管和三极管 14 1半导体的导电特性 14 3半导体二极管 14 5半导体三极管 14 4稳压管 14 2PN结 14 1半导体的导电特性 在物理学中 根据材料的导电能力 可以将他们划分导体 绝缘体和半导体 Semiconductor 典型的半导体是硅Si和锗Ge 它们都是4价元素 硅原子 锗原子 硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子 本征半导体的共价键结构 束缚电子 在绝对温度T 0K时 所有的价电子都被共价键紧紧束缚在共价键中 不会成为自由电子 因此本征半导体的导电能力很弱 接近绝缘体 一 本征半导体 本征半导体 化学成分纯净的半导体晶体 制造半导体器件的半导体材料的纯
2、度要达到99 9999999 常称为 九个9 这一现象称为本征激发 也称热激发 当温度升高或受到光的照射时 束缚电子能量增高 有的电子可以挣脱原子核的束缚 而参与导电 成为自由电子 自由电子 空穴 自由电子产生的同时 在其原来的共价键中就出现了一个空位 称为空穴 可见本征激发同时产生电子空穴对 外加能量越高 温度越高 产生的电子空穴对越多 与本征激发相反的现象 复合 在一定温度下 本征激发和复合同时进行 达到动态平衡 电子空穴对的浓度一定 常温300K时 电子空穴对 自由电子带负电荷电子流 总电流 空穴带正电荷空穴流 本征半导体的导电性取决于外加能量 温度变化 导电性变化 光照变化 导电性变化
3、 导电机制 二 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量杂质元素后的半导体称为杂质半导体 1 N型半导体 在本征半导体中掺入五价杂质元素 例如磷 砷等 称为N型半导体 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 多数载流子 自由电子 少数载流子 空穴 施主离子 自由电子 电子空穴对 在本征半导体中掺入三价杂质元素 如硼 镓等 空穴 硼原子 硅原子 多数载流子 空穴 少数载流子 自由电子 受主离子 空穴 电子空穴对 2 P型半导体 杂质半导体的示意图 多子 电子 少子 空穴 多子 空穴 少子 电子 少子浓度 与温度有关 多子浓度 与温度无关 因多子浓度差 形成内电场 多子的扩散 空间电荷区 阻止多子扩散
4、 促使少子漂移 PN结合 空间电荷区 多子扩散电流 少子漂移电流 耗尽层 14 2PN结 1 PN结的形成 动画演示 动态平衡 扩散电流 漂移电流 总电流 0 2 PN结的单向导电性 1 加正向电压 正偏 电源正极接P区 负极接N区 外电场的方向与内电场方向相反 外电场削弱内电场 耗尽层变窄 扩散运动 漂移运动 多子扩散形成正向电流IF 2 加反向电压 电源正极接N区 负极接P区 外电场的方向与内电场方向相同 外电场加强内电场 耗尽层变宽 漂移运动 扩散运动 少子漂移形成反向电流IR 在一定的温度下 由本征激发产生的少子浓度是一定的 故IR基本上与外加反压的大小无关 所以称为反向饱和电流 但I
5、R与温度有关 PN结加正向电压时 具有较大的正向扩散电流 呈现低电阻 PN结导通 PN结加反向电压时 具有很小的反向漂移电流 呈现高电阻 PN结截止 结论 PN结具有单向导电性 3 PN结的伏安特性曲线及表达式 根据理论推导 PN结的伏安特性曲线如图 正偏 IF 多子扩散 IR 少子漂移 反偏 反向饱和电流 反向击穿电压 反向击穿 热击穿 烧坏PN结 电击穿 可逆 14 3半导体二极管 二极管 PN结 管壳 引线 结构 符号 二极管按结构分三大类 1 点接触型二极管 PN结面积小 结电容小 用于检波和变频等高频电路 3 平面型二极管 用于集成电路制造工艺中 PN结面积可大可小 用于高频整流和开
6、关电路中 2 面接触型二极管 PN结面积大 用于工频大电流整流电路 半导体二极管的型号 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 2AP9 一 半导体二极管的V A特性曲线 硅 0 5V锗 0 1V 1 正向特性 导通压降 2 反向特性 死区电压 实验曲线 硅 0 7V锗 0 3V 例 二 二极管基本电路及其分析方法 图解法 UD VE IR 二极管的模型 串联电压源模型 UD二极管的导通压降 硅管0 7V 锗管0 3V 理想二极管模型 正偏 反偏 二极管的近似分析计算 例 串联电压源模型 测量值9 32mA 相对误差 理想二极管模型 相对误差 0 7V 利用二极管的单向导电性 可实现整流 限幅
7、 钳位 检波 保护 开关等 1 整流电路整流电路是利用二极管的单向导电作用 将交流电变成直流电的电路 三 二极管的应用 限幅电路是限制输出信号幅度的电路 2 限幅电路 钳位电路是使输出电位钳制在某一数值上保持不变的电路 设二极管为理想元件 当输入UA UB 3V时 二极管V1 V2正偏导通 输出被钳制在UA和UB上 即UF 3V 当UA 0V UB 3V 则V1导通 输出被钳制在UF UA 0V V2反偏截止 3 钳位电路 举例 二极管构成的限幅电路如图所示 R 1k UREF 2V 输入信号为ui 1 若ui为4V的直流信号 分别采用理想二极管模型 理想二极管串联电压源模型计算电流I和输出电
8、压uo 解 1 采用理想模型分析 采用理想二极管串联电压源模型分析 2 如果ui为幅度 4V的交流三角波 波形如图 b 所示 分别采用理想二极管模型和理想二极管串联电压源模型分析电路并画出相应的输出电压波形 解 采用理想二极管模型分析 波形如图所示 采用理想二极管串联电压源模型分析 波形如图所示 例 试判断图中二极管是导通还是截止 并求出AO两端电压 A0 设二极管为理想的 方法 1 将D1 D2从电路中断开 分别出D1 D2两端的电压 2 根据二极管的单向导电性 二极管承受正向电压则导通 反之则截止 若两管都承受正向电压 则正向电压大的管子优先导通 然后再按以上方法分析其它管子的工作情况 题
9、中 12 12V D2 12 4 16V 则D2优先导通 此时 D1 4V 则D1截止 A0 4V 四 二极管的主要参数 1 最大整流电流IF 二极管长期连续工作时 允许通过二极管的最大整流电流的平均值 2 反向击穿电压UBR 二极管反向电流急剧增加时对应的反向电压值称为反向击穿电压UBR 3 反向电流IR 在室温下 在规定的反向电压下的反向电流值 硅二极管的反向电流一般在纳安 nA 级 锗二极管在微安 A 级 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 工作电流IZ在Izmax和Izmin之间变化时 其两端电压近似为常数 稳定电压 14 4稳压二极管 稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊二极管 正向同二
10、极管 反偏电压 UZ反向击穿 UZ 稳压二极管的主要参数 1 稳定电压UZ 2 动态电阻rZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 rZ U IrZ愈小 反映稳压管的击穿特性愈陡 3 最小稳定工作电流IZmin 保证稳压管击穿所对应的电流 若IZ IZmin则不能稳压 4 最大稳定工作电流IZmax 超过Izmax稳压管会因功耗过大而烧坏 稳压极管的近似分析计算 例 7V 例 ui为幅度 14V的交流三角波 波形如图所示 串联稳压管 稳压电压7V 导通电压0 7V 分析电路并画出相应的输出电压波形 14V ui t 7V U I u REF R i u O 0 7V 例 两个
11、稳压管的稳压值 Z1 5V Z2 7V 它们的正向导通压降均为0 6V 电路在以下二种接法时 输出电压 o为多少 若电路输入为正弦信号 I 20sin t V 画出输出电压的波形 解 图 a 中D1 D2都承受反向偏压 所以输出电压 o Z1 Z2 5V 7V 12V若输入正弦信号 I 20sin t V 在输入信号正半周 若 I 1 2V稳压管处于截止状态 o I 若 I 1 2V稳压管处于正向导通状态 o 1 2V 图 b 中D1承受正向电压 D2承受反向偏压 所以输出电压 o 0 6V 7V 7 6V 14 5半导体三极管 半导体三极管 也叫晶体三极管 由于工作时 多数载流子和少数载流子
12、都参与运行 因此 还被称为双极型晶体管 BipolarJunctionTransistor 简称BJT BJT是由两个PN结组成的 一 BJT的结构 NPN型 PNP型 符号 三极管的结构特点 1 发射区的掺杂浓度 集电区掺杂浓度 2 基区要制造得很薄且浓度很低 二 BJT的内部工作原理 NPN管 三极管在工作时要加上适当的直流偏置电压 若在放大工作状态 发射结正偏 UCE UBE UCB 集电结反偏 由VBB保证 由VCC VBB保证 UCB UCE UBE 0 1 因为发射结正偏 所以发射区向基区注入电子 形成了扩散电流IEN 同时从基区向发射区也有空穴的扩散运动 形成的电流为IEP 但其
13、数量小 可忽略 所以发射极电流IE IEN 2 发射区的电子注入基区后 变成了少数载流子 少部分遇到的空穴复合掉 形成IBN 所以基极电流IB IBN 大部分到达了集电区的边缘 1 BJT内部的载流子传输过程 3 因为集电结反偏 收集扩散到集电区边缘的电子 形成ICN 另外 集电结区的少子形成漂移电流ICBO 2 电流分配关系 三个电极上的电流关系 三 BJT的特性曲线 共发射极接法 1 输入特性曲线iB f uBE uCE const 1 uCE 0V时 相当于两个PN结并联 3 uCE 1V再增加时 曲线右移很不明显 2 当uCE 1V时 集电结已进入反偏状态 开始收集电子 所以基区复合减
14、少 在同一uBE电压下 iB减小 特性曲线将向右稍微移动一些 2 输出特性曲线iC f uCE iB const 现以iB 60uA一条加以说明 1 当uCE 0V时 因集电极无收集作用 iC 0 2 uCE Ic 3 当uCE 1V后 收集电子的能力足够强 这时 发射到基区的电子都被集电极收集 形成iC 所以uCE再增加 iC基本保持不变 同理 可作出iB 其他值的曲线 输出特性曲线可以分为三个区域 饱和区 iC受uCE显著控制的区域 该区域内uCE 0 7V 此时发射结正偏 集电结也正偏 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 放大区 曲线基本平行
15、等距此时 发射结正偏 集电结反偏 该区中有 饱和区 放大区 截止区 例 测量三极管三个电极对地电位如图1所示 试判断三极管的工作状态 图1三极管工作状态判断 3 BJT极限参数 Ic增加时 要下降 当 值下降到线性放大区 值的70 时 所对应的集电极电流称为集电极最大允许电流ICM 1 集电极最大允许电流ICM 2 集电极最大允许功率损耗PCM集电极电流通过集电结时所产生的功耗 PC ICUCE PCM PCM 3 反向击穿电压 BJT有两个PN结 其反向击穿电压有以下几种 U BR EBO 集电极开路时 发射极与基极之间允许的最大反向电压 其值一般几伏 十几伏 U BR CBO 发射极开路时
16、 集电极与基极之间允许的最大反向电压 其值一般为几十伏 几百伏 U BR CEO 基极开路时 集电极与发射极之间允许的最大反向电压 半导体三极管的型号 第二位 A锗PNP管 B锗NPN管 C硅PNP管 D硅NPN管 第三位 X低频小功率管 D低频大功率管 G高频小功率管 A高频大功率管 K开关管 国家标准对半导体器件型号的命名举例如下 3DG110B 本章小结 1 半导体材料中有两种载流子 电子和空穴 电子带负电 空穴带正电 在纯净半导体中掺入不同的杂质 可以得到N型半导体和P型半导体 2 采用一定的工艺措施 使P型和N型半导体结合在一起 就形成了PN结 PN结的基本特点是单向导电性 3 二极管是由一个PN结构成的 其特性可以用伏安特性和一系列参数来描述 在研究二极管电路时 可根据不同情况 使用不同的二极管模型 4 BJT是由两个PN结构成的 工作时 有两种载流子参与导电 称为双极性晶体管 BJT是一种电流控制电流型的器件 改变基极电流就可以控制集电极电流 BJT的特性可用输入特性曲线和输出特性曲线来描述 其性能可以用一系列参数来表征 BJT有三个工作区 饱和区 放大器和截止区
