chapter14半导体二极管和三极管

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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14.2 PN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

2、导体材料的纯度要达到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+4+4+4+4+4+4+4+4+4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：电子空穴对的浓度硅：锗：自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空

3、穴电子空穴对自由电子 带负电荷 电子流+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子E 总电流载流子空穴 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。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+N型半导体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P型半导体受主离子空穴电子空穴对2.

4、P型半导体杂质半导体的示意图+N型半导体多子电子少子空穴P型半导体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内电场E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，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14.2 PN结1 . PN结的形成 动画演示少子飘移补充耗尽层失去的多子，耗尽层窄，E多子扩散又失去多子，耗尽层宽，E内电场E多子扩散电流 少子漂移电流耗尽层动态平衡： 扩散电流 漂移电流总电流0势垒 UO硅 0.5V 锗 0.1V2. 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

5、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I F正向电流(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I RPN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IR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。由此可以得出结论：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

6、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NP结构符号 阳极+阴极-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用数字代表同类器件的不同规格。代表器件的类型，P为普通管，Z为整流管，K为开关管。代表器

7、件的材料，A为N型Ge，B为P型Ge， C为N 型Si， D为P型Si。2代表二极管，3代表三极管。一 、半导体二极管的VA特性曲线硅：0.5 V锗： 0.1 V(1) 正向特性导通压降反向饱和电流 (2) 反向特性死区 电压击穿电压UBR实验曲线uEiVmAuEiVuA锗硅：0.7 V 锗：0.3V例：IR10VE1kD非线性器件iuRLC线性器件二. 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DU串联电压源模型U D 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导通压降二极管的VA特性二极管的近似分析计算IR10VE1kIR10VE1k例：串

8、联电压源模型测量值 9.32mA相对误差理想二极管模型 RI 10VE1k相对误差0.7V利用二极管的单向导电性，可实现整流、限幅、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UAUB3V时，二极管V1，V2正偏导通，输出被 钳制在UA和UB上，即UF3V；当UA0V，UB3V，则V1导通，输出被钳制在UFUA 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，R1k，U

9、REF=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。0-4V4Vuit2V2Vuot02.7Vuot0-4V4Vuit2.7V采用理想二极管串联 电压源模型分析，波形 如图所示。写出图所示各电路的输出电压值，设二极 管导通电压UD0.7V例试判断图中二极管是导通还是截止

10、？并求出 AO两端电压A0。设二极管为理想的。 解： 分析方法 ：（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。本题中：12=12V，34=12+4=16V，所以D2优先导通， 此时，12=-4V，所以D1管子截止。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

11、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 二极管反偏电压UZ反向击穿UZ限流电阻+-DZ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 /I rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。(3) 最小稳定工作 电流IZ

12、min保证稳压管击穿所对应的电流，若IZIZmin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IR10VE1k例：7VIR10VE1k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。-0.7V-14V 14Vuit7V7Vuot+-+UIuREFRiuO-0.7V例两个稳压管的稳压值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。 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都参

13、与运行，因此，还被称为双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor,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。-NNP 发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极-PPN 发射区集电区基区发射结 集电结ecb发射极集电极基极二 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：+UCEUBEUCB集电结反偏：由VBB保证由VCC、 VBB保证UCB=UCE - UBE 0 共发射

14、极接法c区b区e区（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。但其数量小， 可忽略。 所以发射极电流I E I EN 。（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I B I BN 。大部分到达了集电区 的边缘。1BJT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

15、 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 合减少， 在同一uBE 电压下，iB 减小。特性曲线将向右稍微移动一些。死区电压硅 0.5V锗 0.1V导通压降硅 0.7V锗 0.3V(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=0 V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uCE0.7 V。 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所示， 试判