第第14章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管14.2 14.2 PN结结14.3 14.3 半导体二极管半导体二极管 14.4 14.4 稳压管稳压管14.5 14.5 半导体三极管半导体三极管14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性极管和三极管 最新14.1 14.1 半导体的导电特性半导体的导电特性 自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体导体，金，金属一般都是导体。属一般都是导体。 有的物质几乎不导电，称为有的物质几乎不导电，称为绝缘体绝缘体，如橡，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。皮、陶瓷、塑料和石英。 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为之间，称为半导体半导体，如锗、硅、砷化镓和一些，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。硫化物、氧化物等。极管和三极管 最新 半导体的导电机理不同于其它物质，所半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。比如：以它具有不同于其它物质的特点。比如：热敏性、光敏性、掺杂性。热敏性、光敏性、掺杂性。当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。电能力明显变化。往纯净的半导体中掺入某些杂质，往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变。会使它的导电能力明显改变。极管和三极管 最新14.1.1本征半导体本征半导体在硅和锗晶在硅和锗晶体中，原子按四体中，原子按四角形系统组成晶角形系统组成晶体点阵，每个原体点阵，每个原子与其相邻的原子与其相邻的原子之间形成子之间形成共价共价键键，共用一对价，共用一对价电子。电子。完全纯净的、结构完整的完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为半导体晶体，称为本征半导本征半导体体。极管和三极管 最新本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理本征半导体中存在数量相等的两种载流本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。本征半导体的导电能力取决于载流子的本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。浓度。温度越高，载流子的浓度越高。因此本征温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体半导体的导电能力越强，温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。一大特点。极管和三极管 最新本征半导体的共价键结构本征半导体的共价键结构硅原子硅原子价电子价电子+4+4+4+4空穴空穴自由电子自由电子价电子挣脱原子核的束缚形价电子挣脱原子核的束缚形成电子空穴对的过程叫激发。成电子空穴对的过程叫激发。极管和三极管 最新空穴的移动空穴的移动半导体中的电流半导体中的电流:自由电子电流和空穴电自由电子电流和空穴电流。流。极管和三极管 最新+4+4+414.1.2 14.1.2 P半导体和半导体和N型半导体型半导体1. N 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入掺入少量的五价元少量的五价元 素素,如磷。如磷。磷原子磷原子+4正离子正离子自由电子自由电子靠自由电子导电的半导体靠自由电子导电的半导体称称N型半导体。型半导体。自由电子的总数大于空穴，自由电子的总数大于空穴，自由电子为多数载流子，自由电子为多数载流子，简称多子，空穴为少数载流简称多子，空穴为少数载流子，称为少子。子，称为少子。+5极管和三极管 最新 N 型半导体结构示意图型半导体结构示意图少数载流子少数载流子多数载流子多数载流子正离子正离子在在N型半导中型半导中,电子是多数载流子电子是多数载流子, 空穴是少数载流子。空穴是少数载流子。极管和三极管 最新+4+4+42. P 型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中 掺入掺入少量的三价元少量的三价元 素素,如硼。如硼。硼硼原子原子+4负离子负离子空穴空穴靠空穴导电的半导体靠空穴导电的半导体称称P型半导体。型半导体。空穴的总数大于自由电子，空穴的总数大于自由电子，空穴为多数载流子，自由空穴为多数载流子，自由电子为少子。电子为少子。+3极管和三极管 最新 P 型半导体结构示意图型半导体结构示意图电子是少数载流子电子是少数载流子负离子负离子空穴是多数载流子空穴是多数载流子极管和三极管 最新杂质半导体的示意表示法杂质半导体的示意表示法P P型半导体型半导体+N N型半导体型半导体极管和三极管 最新P 型型N 型型14.2 14.2 PN 结结PN结结内电场方向内电场方向1. PN 结的形成结的形成多数载流子多数载流子少数载流子少数载流子内电场阻碍多数载流子的扩散运动，内电场阻碍多数载流子的扩散运动，加强少数载流子的漂移运动。加强少数载流子的漂移运动。在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和型半导体和N型半导体，型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN结。结。极管和三极管 最新多子扩散多子扩散少子漂移少子漂移内电场方向内电场方向空间电荷区空间电荷区P 区区N 区区在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡， 空间电荷区的宽度基本上稳定下来。空间电荷区的宽度基本上稳定下来。 极管和三极管 最新PN结的形成结的形成极管和三极管 最新内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向RI14.2.2 PN 结的单向导电性结的单向导电性1. 外加正向电压外加正向电压P 型型N 型型PN结结PN结变薄，结变薄，扩散运动增强，形成较大的正向电流扩散运动增强，形成较大的正向电流 I。PN结所处的状态称为结所处的状态称为正向导通，其特点：正向导通，其特点：PN结正向电流大，结正向电流大，PN结电阻小。结电阻小。E极管和三极管 最新极管和三极管 最新内电场方向内电场方向外电场方向外电场方向RI 02. 2. 外加反向电压外加反向电压P 型型N 型型PN结结PN结变厚，结变厚，漂移运动增强，扩散运动难以进行，反漂移运动增强，扩散运动难以进行，反 向电流很小向电流很小 I。PN结所处的状态称为结所处的状态称为反向截止，其特点：反向截止，其特点：PN结反向电流小，结反向电流小，PN结电阻大。结电阻大。E极管和三极管 最新极管和三极管 最新14.2.3 PN结电容结电容PN结电容结电容势垒电容势垒电容 扩散电容扩散电容 1. 势垒电容势垒电容 PN结中空间电荷的数量随外加电压变化所形结中空间电荷的数量随外加电压变化所形成的电容称为势垒电容，用成的电容称为势垒电容，用 Cb 来表示。势垒电来表示。势垒电容不是常数，与容不是常数，与PN结的面积、空间电荷区的宽度结的面积、空间电荷区的宽度和外加电压的大小有关。和外加电压的大小有关。 载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压载流子在扩散过程中积累的电荷量随外加电压变化所形成的电容称为扩散电容，用变化所形成的电容称为扩散电容，用 Cd 与来示。与来示。 PN正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可正偏时，扩散电容较大，反偏时，扩散电容可以忽略不计。以忽略不计。2. 扩散电容扩散电容 极管和三极管 最新1.点接触型二极管点接触型二极管14.3.1 基本结构基本结构基本结构基本结构PN结面积、结电容小，可通过结面积、结电容小，可通过小电流。用于高频电路及小电小电流。用于高频电路及小电流整流电路。流整流电路。14.3 14.3 半导体二极管半导体二极管半导体二极管是在一个半导体二极管是在一个PN结两侧加上电极引线而做成的结两侧加上电极引线而做成的+ PN阳极阳极 阴极阴极二极管的符号二极管的符号2.面接触型二极管面接触型二极管PN结面积、结电容大，结面积、结电容大，可通过大电流。用于可通过大电流。用于低频电路及大电流整低频电路及大电流整流电路。流电路。极管和三极管 最新 正极引线正极引线触丝触丝N型锗型锗支架支架外壳外壳负极引线负极引线点接触型二极管点接触型二极管二极管的符号二极管的符号正极正极负极负极 正极引线正极引线二氧化硅保护层二氧化硅保护层P型区型区负极引线负极引线 面接触型二极管面接触型二极管N型硅型硅PN结结PN结结极管和三极管 最新半导体二极管图片极管和三极管 最新600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I / mAU / V正向特性正向特性反向击反向击穿特性穿特性硅管的伏安特性硅管的伏安特性14.3.2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性I / mAU / V0.40.8-40-802460.10.2锗管的伏安特性锗管的伏安特性正向特性正向特性反向特性反向特性反向特性反向特性死区电压死区电压死区电压死区电压 硅管硅管锗管锗管0.50.1正向电压正向电压 0.6-0.70.2-0.3反向电流反向电流 小小 几微安几微安大大 几百微安几百微安受温度影响受温度影响 小小大大极管和三极管 最新600400200-0.1-0.200.40.8-50-100I / mAU / V反向击反向击穿特性穿特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性二极管的伏安特性正向电压正向电压二极管的近似和理想伏安特性二极管的近似和理想伏安特性I / mAU / V014.3.3 二极管的主要参数二极管的主要参数1. 最大整流电流最大整流电流IOM2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URM3. 反向峰值电流反向峰值电流IRMURM长时间使用时允许通过的最大正向电流长时间使用时允许通过的最大正向电流平均值平均值UF极管和三极管 最新 例例1：下图中，已知：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，为锗管，求输出端求输出端Y的电位并说明的电位并说明二极管的二极管的作用。作用。 解：解： DA优先导通，则优先导通，则VY=30.3=2.7VDA导通后导通后, DB因反偏而截止因反偏而截止,起隔离作用起隔离作用, DA起钳位作用起钳位作用,将将Y端的电位钳制在端的电位钳制在+2.7V。 DA 12VYABDBR 二极管的二极管的应用范围很广应用范围很广,它可用在整流、检波、限幅、它可用在整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 极管和三极管 最新二极管钳位电路二极管钳位电路DE3VRuiuouRuD例例2：下图中下图中D为理想二极管为理想二极管, ui = 6 Sin tV, E= 3V,画出画出 uo波形。波形。 t t ui / V Vuo /V63300 2 2 解：解：uiuD=3ui3uo=3V时时D导通导通ui 0UBC VB VE对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: UEB 0UCB 0即即 VC VB IB同样有同样有: IC IB所以说三极管具有电流控制作用所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。也称之为电流放大作用。RBEBECRCIC UCECEBIBUBE电流关系：电流关系：IE=IB+ICIE电流放大作用体现了电流放大作用体现了基极电流基极电流IB对集电极对集电极电流电流IC的控制作用。的控制作用。极管和三极管 最新共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结反向偏置。）集电结反向偏置。对于对于NPN型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0、 UBC VB VE且且IC= IB对于对于PNP型三极管应满足型三极管应满足: UBE 0即 VC VB VE且且IC= IBRBEBECRCIC UCECEBIBUBE输出输出回路回路输入输入回路回路公公共共端端1. 放大状态放大状态条条件件特特征征14.5.3 三极管的特性曲线三极管的特性曲线IE（一）三极管的工作状态（一）三极管的工作状态（一）三极管的工作状态（一）三极管的工作状态极管和三极管 最新2. 饱和状态饱和状态 集电结、发射结均反向偏置，即集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0 （1） IB增加时，增加时，IC基本不变，基本不变， 且且IC UC / RC （2） UCE 0 晶体管晶体管C、E之间相当于短路之间相当于短路3. 截止状态截止状态即即UCE UBE （1） IB=0、 IC 0（2） UCE EC（3） 晶体管晶体管C、E之间相当于开路之间相当于开路共发射极接法放大电路共发射极接法放大电路条条件件特特征征（1）发射结正向偏置；）发射结正向偏置；（2）集电结正向偏置。）集电结正向偏置。条件条件特特征征RBEBECRCIC UCECEBIBUBEIE极管和三极管 最新1. 三极管的输入特性三极管的输入特性IBUBEOUCE 1VIB = f ( UBE )UC E = 常数常数（二）三极管的特性曲线（二）三极管的特性曲线（二）三极管的特性曲线（二）三极管的特性曲线死区电压死区电压温度增加时，由于热激发形成的温度增加时，由于热激发形成的载流子增多，在同样的载流子增多，在同样的UBE下，下，基极电流增加。输入特性曲线左移。基极电流增加。输入特性曲线左移。25 C75 CRBEBECRCIC UCECEBIBUBEIE极管和三极管 最新2. 三极管的输出特性三极管的输出特性 RBEBECRCIC UCECEBIBUBE极管和三极管 最新UCE /VIB =40AIB =60AoICIB增加增加IB减小减小IB = 20AIB = 常数常数IC = f ( UCE )极管和三极管 最新IC / mAUCE /V0放放大大区区三极管输出特性上的三个工作区三极管输出特性上的三个工作区 IB = 0 A20A40 A截止区截止区饱饱和和区区60 A80 A极管和三极管 最新（三）（三）（三）（三） 三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的主要参数三极管的主要参数 1.电流放大系数电流放大系数 直流电流放大系数直流电流放大系数 IB = IC 交流电流放大系数交流电流放大系数 = IC IB2.穿透电流穿透电流 ICEO 3.集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM4.集集-射反向击穿电压射反向击穿电压 U (BR)CEO5.集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 极极限限参参数数使用时使用时不不允许允许超过超过ECRCCEBICE0由少数载流子形成，其值受温度影响由少数载流子形成，其值受温度影响很大，因此越小越好。很大，因此越小越好。 值下降到正常值的值下降到正常值的2/3所对应的集电极电流所对应的集电极电流基极开路，集、基极开路，集、射极之间最大允许电压。射极之间最大允许电压。温度增加时其值减小。温度增加时其值减小。= UCE IC极管和三极管 最新UCE /VIB =40A60AoIC 20A61.52.3mA在输出特性上求在输出特性上求 , =ICIB=1.5mA40A= 37.5 =ICIB=2.3-1.5(mA)60-40(A)= 40设设UCE =6V极管和三极管 最新IC / mAUCE /V0IB = 0 A20A40 A60 A80 A由由三极管的极限参数确定安全工作区三极管的极限参数确定安全工作区三极管的极限参数确定安全工作区三极管的极限参数确定安全工作区U (BR) CEOICM安安全全工工作作区区过过损损耗耗区区PCM曲线曲线ICEO极管和三极管 最新