半导体二极管三极管

第 9 章 半导体二极管和三极管 9.2 半导体二极管 9.3 稳压管 9.4 半导体三极管 9.1 半导体的导电特性 退出 第 9 章 半导体二极管和三极管 9.1 半导体的导电特性 本征半导体就是完全纯净的、具 有晶体结构的半导体。 9.1.1 本征半导体 自由电子 空穴 共价键 Si Si Si Si 本征半导体中自由 电子和空穴的形成 用得最多的半导体是硅或锗 ,它 们都是四价元素 。 将硅或锗材料提纯 并形成单晶体后 ， 便形成共价键结构 。 在获得一定能量 (热 、 光等 )后 ， 少量 价电子即可挣脱 共价键的束缚成为 自 由电子 ， 同时在共价键中就留下一个 空位 ， 称为 空穴 。 自由电子和空穴总 是成对出现 ， 同时又不断复合 。 在外电场的作用下 ， 自由电子逆着电场方向定 向运动形成 电子电流 。 带 正电的空穴吸引相邻原子 中的价电子来填补 ， 而在 该原子的共价键中产生另 一个空穴 。 空穴被填补和 相继产生的现象 ， 可以看 成空穴顺着电场方向移动 ， 形成 空穴电流 。 可见在半导体中有 自由 电子 和 空穴 两种载流子 ， 它 们都能参与导电 。 空穴移动方向 电子移动方向 外电场方向 Si Si Si Si Si Si Si 9.1.2 N 型半导体和 P 型半导体 1. N 型半导体 在硅或锗的晶体中掺入五价元素磷 ， 当某一个硅原 子被磷原子取代时 ， 磷原子的五个价电子中只有四个用 于组成共价键 ， 多余的一个很容易挣脱磷原子核的束缚 而成为自由电子 。 因而自由电子的数量大大增加 ， 是多 数载流子 ， 空穴是少数载流子 ， 将这种半导体称为 N 型 半导体 。 Si Si Si Si Si Si Si P 多余价电子 本征半导体中由于 载流子数量极少 ， 导电 能力很低 。 如果在其中 参入微量的杂质 (某种元 素 )将使其导电能力大大 增强 。 2. P 型半导体 在硅或锗的晶体中 掺入三价元素硼 ， 在组 成共价键时将因缺少一 个电子而产生一个空位 ， 相邻硅原子的价电子很 容易填补这个空位 ， 而 在该原子中便产生一个 空穴 ， 使空穴的数量大 大增加 ， 成为多数载流 子 ， 电子是少数载流子 ， 将这种半导体称为 P 型 半导体 。 Si Si Si Si Si Si B 空位 空穴 价电子填补空位 9.1.3 PN 结及其单向导电性 1. PN 结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上 ， 形成 P 型半 导体区域和 N 型半导体区域 ， 在这两个区域的交界处就形成 了一个特殊的薄层 ， 称为 PN 结 。 P 区 N 区 N区的电子向 P区扩散并与空穴复合 PN 结 内电场方向 2. PN 结的单向导电性 (1) 外加正向电压 内电场方向 E 外电场方向 R I P 区 N 区 外电场驱使 P区的空穴进入空间 电荷区抵消一部分负空间电荷 N区电子进入空间电荷区 抵消一部分正空间电荷 空间电荷区变窄 扩散运动增强，形 成较大的正向电流 P 区 N 区 内电场方向 E R 空间电荷区变宽 外电场方向 IR 2. 外加反向电压 外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走 少数载流子越过 PN 结 形成很小的反向电流 多数载流子的扩散运动难于进行 返回 9.2 半导体二极管 9.2.1 基本结构 将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极 管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。 点接触型 表示符号 正极 负极 金锑合金 面接触型 N型锗 正极引线 负极引线 PN 结 底座 铝合金小球 引线 触丝 N 型锗 外壳 9.2.2 伏安特性 二极管和 PN 结一样 ， 具有单向导电性 ， 由伏安特性曲线 可见 ， 当外加正向电压很低时 ， 电流很小 ， 几乎为零 。 正向电 压超过一定数值后 ， 电流很快增大 ， 将这一定数值的正向电压 称为死区电压 。 通常 ， 硅管的死区电压约为 0.5V， 锗管约为 0.1V。 导通时的正向压降 ， 硅管约为 0.6 0.7V， 锗管约为 0.2 0.3V。 60 40 20 0.02 0.04 0 0.4 0.8 25 50 I / mA U / V 正向特性 硅管的伏安特性 死区电压 击穿电压 U(BR) 反 向 特 性 I / mA U / V 0.2 0.4 25 50 5 10 15 0.01 0.02 锗管的伏安特性 0 在二极管上加反向电压时 ， 反向电流很小 。 但当反向电 压增大至某一数值时 ， 反向电流将突然增大 。 这种现象称为 击穿 ， 二极管失去单向导电性 。 产生击穿时的电压称为反向 击穿电压 U(BR)。 9.2.3 主要参数 1. 最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时 ， 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 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压 ， 一般是 反向击穿 电压的一半或三分之二。 3. 反向峰值电流 IRM 它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 例 1 在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负电源 12 V。求输出端电位 VY。 解 因为 VA 高于 VB ， 所以 DA 优先导通 。 如果二极管的正向 压降是 0.3 V， 则 VY = + 2.7 V。 当 DA 导通后 , DB 因反偏而截止 。 在这里 ， DA 起钳位作用 ， 将输出端电位钳制在 + 2.7 V。 二极管的应用范围很广 ， 主要都是利用它的单向导电性 。 它可用与整流 、 检波 、 限幅 、 元件保护以及在数字电路中作为 开关元件 。 DA 12V Y VA VB DB R 返回 9.3 稳压管 稳压管是一种特殊的面接 触型半导体硅二极管 。 其表示 符号如下图所示 。 稳压管 工作于反向击穿区 。 从反向特性曲线上可以看出 ， 反向电压在一定范围内变化时 ， 反向电流很小 。 当反向电压增 高到击穿电压时 ， 反向电流突 然剧增 ， 稳压管 反向击穿 。 此 后 ， 电流虽然在很大范围内变 化 ， 但 稳压管 两端的电压变化 很小 。 利用这一特性 ， 稳压管 在电路中能起作用 。 I/mA U/V O UZ IZ IZM + 正向 + 反向 UZ IZ 稳压管的主要参数有下面几个： 1. 稳定电压 UZ 4. 稳定电流 IZ 3. 动态电阻 rZ 2. 电压温度系数 U 5. 最大允许耗散功率 PZM Z Z Z I Ur 例 1 图中通过稳压管的电流 IZ 等于多少？ R 是限流电阻， 其值是否合适？ IZ DZ +20 R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mA IZ 例 1 的图 IZ IZM ，电阻值合适。 解 mA5A105A106.1 1220 33Z I 9.4 半导体三极管 9.4.1 基本结构 N 型硅 二氧化硅保护膜 B E C N 型硅 P 型硅 (a) 平面型 N 型锗 E C B 铟球 铟球 P P (b)合金型 返回 1. NPN 型三极管 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 N N 集电极 C 基极 B 发射极 E P 不论平面型或合金型，都分成 NPN 或 PNP 三层， 因此又把晶体管分为 NPN 型和 PNP 型两类。 E C B 符号 T 集电区 集电结 基区 发射结 发射区 N 集电极 C 发射极 E 基极 B N P P N 2. PNP 型三极管 C B E T 符号 9.4.2 电流分配和放大原理 我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分 配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电 极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具 有放大作用，电源 EB 和 EC 的极性必须使 发射结上加正向电 压 (正向偏置 )，集电结加反向电压 (反向偏置 )。 mA A V V mA IC EC IB IE RB + UBE + UCE EB C E B 3DG100 设 EC = 6 V， 改变可变电阻 R B， 则 基极电流 IB、 集电极 电流 IC 和发射极电 流 IE 都发生变化 ， 测 量结果如下表： 基极电路 集电极电路 IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 晶体管电流测量数据 结论： (1) BCE III 符合基尔霍夫定律 (2) IC 和 IE 比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得 ,5.3704.0 50.1 B C I I 3.38 06.0 30.2 B C I I 这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态 电流 (直流 )放大系数。电流放大作用还体现在 基极电流的 少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化 IC 。 4002.0 80.004.006.0 50.130.2 B C I I 式中， 称为 动态电流 (交流 )放大系数 (3)当 IB = 0(将基极开路 )时， IC = ICEO，表中 ICEO 0 UBC VB VE 对于 PNP 型三极管应满足 : UEB 0 UCB 0 即 VC VB 0， UBC UBE。 BC II IC EC=UCC IB RB + UBE + UCE EB C E B 共发射极电路 IC / mA UCE /V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A IB =0 O 3 6 9 12 4 3 2 1 2.3 1.5 放 大 区 饱和区 截止区 (2) 截止区 IB = 0 的曲线以下的 区域称为截止区 。 IB = 0 时 , IC = ICEO(很小 )。 对 NPN 型硅管 ， 当 UBE 0.5 V 时 ， 即已开始截止 ， 但 为了使晶体管可靠截止 ， 常使 UBE 0， 截止时集 电结也处于反向偏置 (UBC 0)， 此时 , IC 0 ， UCE UCC 。 (3) 饱和区 当 UCE 0)， 晶体 管工作于饱和状态 。 在饱和区 ， IC 和 IB 不成正比 。 此时 ， 发 射结也处于正向偏置 ， UCE 0 ， IC UCC/RC 。 IC / mA UCE /V 100 A 80 A 60 A 40 A 20 A IB = 0 O 3 6 9 12 4 3 2 1 2.3 1.5 放 大 区 当晶体管饱和时 ， UCE 0， 发射极与集电极之间如同一 个开关的接通 ， 其间电阻很小；当晶体管截止时 ， IC 0 ， 发 射极与集电极之间如同一个开关的断开 ， 其间电阻很大 ， 可 见 ， 晶体管除了有放大作用外 ， 还有开关作用 。 晶体管的三种工作状态如下图所示 + UBE 0 IC IB + UCE (a)放大 UBC 0 + IC 0 IB = 0 + UCE UCC (b)截止 UBC 0 IB + UCE 0 (c)饱和 UBC 0 + C CCC R UI 管 型 工 作 状 态 饱和 放大 截 止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止 可靠截止 硅管 (NPN) 锗管 (PNP) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1 晶体管结电压的典型值 9.4.4 主要参数 1. 电流放大系数 ， 当晶体管接成共发射极电路时，在静态 (无输入信号 )时集 电极电流与基极电流的比值称为 静态电流 (直流 )放大 系数 B C I I 当晶体管工作在动态 (有输入信号 )时，基极电流的变化 量为 IB ，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与 IB 的比值称为 动态电流 (交流 )放大系数 B C I I 在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下 , 可近似认为 ，但二者含义不同。 2. 集 基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流 ， 其值很小 。 3. 集 射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路 (IB = 0)时的集电极电流，也称为穿透 电流，其值越小越好。 4. 集电极最大允许电流 ICM 当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为 集电极最大允许电流 ICM 。 5. 集 射反相击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率 PCM 基极开路时 ， 加在集电极和发射极之间的最大允许电压 ， 称为集 射反相击穿电压 U(BR)CEO 。 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时 ， 集电 极所消耗的最大功率 ， 称为集电极最大允许耗散功率 PCM。 IC ICM U(BR)CEO UCE PCM O ICEO 安 全 工 作 区 由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确定晶体管 的安全工作区 。 返回