第14章 二极管和晶体管 (2)知识讲解.ppt

电 子 技 术,哈尔滨工业大学(威海) 信息与电气工程学院,,第14章 二极管和晶体管,返回,晶体管的诞生,1947年12月16日 威廉邵克雷（WilliamShockley） 约翰巴顿（JohnBardeen） 沃特布拉顿（WalterBrattain） 成功地在贝尔实验室制造出第一个晶体管，开辟了电子技术的新纪元;1950年，威廉邵克雷开发出双极晶体管（BipolarJunctionTransistor），就是现在通用的标准的晶体管14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件,,,目 录,一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和 电流放大作用； 二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 三、掌握含有二极管电路的分析方法本章要求,14.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质半导体的导电特性：热敏特性 光敏特性 掺杂特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。

掺杂特性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力显著增强(可做成各种不同用途的半导 体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）光敏特性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做 成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管等)热敏特性：当环境温度升高时，导电能力增强,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,,完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体14.1.1 本征半导体,晶体中原子的排列方式,14.1.1 本征半导体,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,14.1.1 本征半导体,自由电子与空穴,14.1.1 本征半导体,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中 留下一个空穴热激发与复合达到动态平衡,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象----- 热激发,14.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,,半导体导电方式,载流子,自由电子和空穴,温度对半导体器件性能的影响很大。

14.1.1 本征半导体,,,,,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,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14.1.2 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14.1.2 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,14.1.2 N型半导体和P型半导体,注意：不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的返回,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,14.2 PN结及其单向导电性,14.2.1 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,14.2.2 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,,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IR,P接负、N接正,,,PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流 ----反向电流 特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的,14.2.1 PN结的形成,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,,,,,,,,外加电压,平衡破坏,,扩散强,漂移强,,PN结导通,PN结截止,14.2.2 PN结的单向导电性,结 论,PN结具有单向导电性,（1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大2）PN结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小返回,半导体二极管的结构和符号,14.3 二极管,二极管的结构示意图,14.3 二极管,14.3.1 基本结构,(a) 点接触型,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小用于检波和变频等高频电路结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。

c) 平面型 用于集成电路制作工艺中PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中14.3.2 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 在一定电压 范围内保持 常数14.3.3 伏安特性的折线化,,,14.3.4 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的一半或三分之二二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏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，IRM受温度的影响，温度越高反向电流越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

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，为6.3或6.7V,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二极管起钳位作用14.3.5 应用举例,14.3.5 应用举例,例2: 图中电路，输入端A的电位VA=+3V，B的电位VB=0V，求输出端Y的电位VY电阻R接负电源-12VVY=+2.7V,解：,DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止DA起钳位作用， DB起隔离作用返回,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：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等参考点,二极管阴极电位为 8 V,14.4 稳压二极管,1. 符号, UZ,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。

一种特殊的面接触型半导体硅二极管它在电路中与适当数值的电阻相配合能起稳定电压的作用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 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，稳压性能愈好例题：,U0,稳压管的稳压作用,当UUZ时,稳压管击穿,此时,选R，使IZ

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1） IE = IC+IB 符合基尔霍夫电流定律 （2） IE和IC比IB 大的多 （3）当IB = 0（将基极开路）时， IE = ICEO， ICEO<0.001mA,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，形成电流IBE ，多数扩散到集电结从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO3. 三极管内部载流子的运动规律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大系数,集射极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),若IB =0, 则 IC ICE0,14.5.3 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,发射极是输入回路与输出回路的公共端,测量晶体管特性的实验线路,IC,1. 输入特性,,特点:非线性,死区电。