极管和晶体管new

第 5章 二极管和晶体管 5.3 半导体二极管 5.4 稳压二极管 5.5 半导体三极管 5.2 PN结 5.1 半导体的导电特性 5.6 光电器件 本章要求： 1. 理解 PN结的单向导电性，三极管的电流分配和 电流放大作用； 2. 了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工 作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 会分析含有二极管的电路。 第 5章 二极管和晶体管 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况， 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近 似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结 果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标， 就不要过分追究精确的数值。 器件是非线性的、特性有分散性、 RC 的值有误差、 工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。 对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和 正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器 件的目的在于应用。 5.1 半导体的导电特性 半导体的导电特性： (可做成温度敏感元件，如热敏电阻 )。 掺杂性 ： 往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电 能力明显改变 (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 )。 热敏性： 当环境温度升高时，导电能力显著增强 5.1.1 本征半导体 完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征 半导体。 晶体中原子的排列方式 硅单晶中的共价健结构 共价健 共价键中的两个电子，称为 价电子 。 Si Si Si Si 价电子 Si Si Si Si 价电子 价电子在获得一定能量 （温度升高或受光照）后， 即可挣脱原子核的束缚， 成为 自由电子 （带负电）， 同时共价键中留下一个空 位，称为 空穴 （带正电） 。 本征半导体的导电机理 这一现象称为本征激发。 空穴 温度愈高，晶体中产 生的自由电子便愈多。 自由电子 在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子 来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当 于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。 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。 5.1.2 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 Si Si Si Si p+ 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。 5.1.2 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 Si Si Si Si 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。 B 硼原子 接受一个 电子变为负离子 空穴 无论 N型或 P型半导体都是中性的，对外不显电性。 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 5.2 PN结 5.2.1 PN结的形成 多子的扩散运动 内电场 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 5.2.2 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 外电场 I F 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。 内电场 P N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 2. PN 结加反向电压 （反向偏置） 外电场 P接负、 N接正 内电场 P N + + + + + + + + + + + + + + + + + + + PN 结变宽 2. PN 结加反向电压 （反向偏置） 外电场 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 温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。 + PN 结加反向电压时， PN结变宽，反向电流较小， 反向电阻较大， PN结处于截止状态。 内电场 P N + + + + + + + + + + + + + + + + + + 5.3 半导体二极管 5.3.1 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。 阴极引线 阳极引线 二氧化硅保护层 P 型硅 N 型硅 ( c ) 平面型 金属触丝 阳极引线 N 型锗片 阴极引线 外壳 ( a ) 点接触型 铝合金小球 N 型硅 阳极引线 PN 结 金锑合金 底座 阴极引线 ( b ) 面接触型 图 1 12 半导体二极管的结构和符号 5.3 半导体二极管 二极管的结构示意图 阴极 阳极 ( d ) 符号 D 5.3.2 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 U I 死区电压 P N + P N + 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 5.3.3 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。硅管的反向电流较小 ， 锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。 二极管 的单向导电性 1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极 接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向 电阻较小，正向电流较大。 2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极 接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向 电阻较大，反向电流很小。 3.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。 4.二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反 向电流愈大。 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 否则，正向管压降 硅 0.60.7V锗 0.20.3V 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 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。 在这里，二极管起钳位作用。 D 6V 12V 3k B A UAB + 两个二极管的阴极接在一起 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。 V1阳 = 6 V， V2阳 =0 V， V1阴 = V2阴 = 12 V UD1 = 6V， UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路， UAB = 0 V 例 2: D1承受反向电压为 6 V 流过 D2 的电流为 mA43122D I 求： UAB 在这里， D2 起 钳位作用， D1起 隔离作用。 B D1 6V 12V 3k A D2 UAB + 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。 V s i n18i tu 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。 ui t 18V 参考点 二极管阴极电位为 8 V D 8V R uo ui + + 5.4 稳压二极管 1. 符号 UZ IZ IZM UZ IZ 2. 伏安特性 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。 _ + U I O 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 Z Z Z I Ur (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。 5.5 半导体三极管 5.5.1 基本结构 晶体管的结构 (a)平面型； (b)合金型 B E P型硅 N型硅 二氧化碳保护膜 铟球 N型锗 N型硅 C B E C P P 铟球 (a) (b) 5.5 半导体三极管 晶体管的结构示意图和表示符号 (a)NPN型晶体管； (a) N N C E B P C E T B IB IE IC (b) B E C P P N E T C B IB IE IC (b)PNP型晶体管 C E 发射区 集电区 基区 集电结 发射结 N N P 基极 发射极 集电极 B C E 发射区 集电区 基区 P 发射结 P 集电结 N 集电极 发射极 基极 B 基区：最薄， 掺杂浓度最低 发射区：掺 杂浓度最高 发射结 集电结 B E C N N P 基极 发射极 集电极 结构特点： 集电区： 面积最大 5. 5. 2 电流分配和放大原理 1. 三极管放大的外部条件 B E C N N P 发射结正偏、集电结反偏 PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVE 集电结反偏 VCVB EB RB E C RC 晶体管电流放大的实验电路 设 EC = 6 V， 改变可变电阻 RB, 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： 2. 各电极电流关系及电流放大作用 mA A V V mA IC EC IB IE RB + UBE + UCE EB C E B 3DG100 晶体管电流测量数据 IB(mA) IC(mA) IE(mA) 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 0, UBC UBE。 Q2 Q1 大 放 区 IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 (2) 截止区 对 NPN型硅管 ， 当 UBE0.5V时 , 即已 开始截止 , 为使晶体 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 。 IB = 0 的曲线以下的区域称为截止区。 IB = 0 时 , IC = ICEO(很小 )。 (ICEO0.001mA) 截止区 IC/mA UCE/V 100 A 80A 60 A 40 A 20 A O 3 6 9 12 4 2.3 1.5 3 2 1 IB =0 (3) 饱和区 在饱和区， IB IC， 发射结处于正向偏置， 集电结也处于正 偏。 深度饱和时， 硅管 UCES 0.3V， 锗管 UCES 0.1V。 IC UCC/RC 。 当 UCE 0)， 晶体管工作于饱和状态。 饱 和 区 晶体管三种工作状态的电压和电流 (a)放大 + UBE 0 IC IB + UCE UBC 0 + (b)截止 IC 0 IB = 0 + UCE UCC UBC 0 IB + UCE 0 UBC 0 + C CCC R UI 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 。 0 0.1 0.5 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.3 0.1 0.7 0.3 硅管 (NPN) 锗管 (PNP) 可靠截止 开始截止 UBE/V UBE/V UCE/V UBE/V 截 止 放大 饱和 工 作 状 态 管 型 晶体管结电压的典型值 5.5.4 主要参数 表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶 体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。 5.5.4 主要参数 1. 电流放大系数 直流电流放大系数 B C I I_ B CII 交流电流放大系数 当晶体管接成发射极电路时， 注意： 和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等 距并且 ICE0 较小的情况下，两者数值接近。 常用晶体管的 值在 20 200之间。 由于晶体管的输出特性曲线是非线性的，只有 在特性曲线的近于水平部分， IC随 IB成正比变化， 值才可认为是基本恒定的。 例：在 UCE= 6 V时， 在 Q1 点 IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 点 IB=60 A, IC=2.3mA。 537040 51 B C .II 40040060 5132 B C . . I I 在以后的计算中，一般作近似处理： = 。 IB=0 20A 40A 60A 80A 100A 3 6 IC / mA 1 2 3 4 UCE /V 9 12 0 Q1 Q2 在 Q1 点，有 由 Q1 和 Q2点，得 2.集 -基极反向截止电流 ICBO ICBO是由少数载流子的 漂移运动所形成的电流， 受温度的影响大。 温度 ICBO ICBO A + E C 3.集 -射极反向截止电流 (穿透电流 )ICEO A ICEO IB=0 + I CEO受温度的影响大。 温度 ICEO， 所以 IC也 相应增加。 三极管的温 度特性较差。 4.集电极最大允许电流 ICM 5.集 -射极反向击穿电压 U(BR)CEO 集电极电流 IC上升会导致三极管的 值的下降， 当 值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即 为 ICM。 当集 射极之间的电压 UCE 超过一定的数值时， 三极管就会被击穿。手册上给出的数值是 25C、 基极开路时的击穿电压 U(BR) CEO。 6.集电极最大允许耗散功耗 PCM PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大， 温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE 硅 管允许结温约为 150C， 锗 管约为 7090C。 ICM U(BR)CEO 由三个极限参数可画出三极管的安全工作区 IC UCE O ICUCE = PCM 安全工作区 晶体管参数与温度的关系 1. 温度每增加 10C， ICBO增大一倍。硅管优于 锗管。 2.温度每升高 1C， UBE将减小 (22.5)mV， 即晶体管具有负温度系数。 3. 温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。 5. 6 光电器件 符号 5.6.1 发光二极管 (LED) 当发光二极管加上正向电压并有足够大的正向电 流时，就能发出一定波长范围的光。 目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光， 它的电特性与一般二极管类似。 常用的有 2EF等系列。 发光二极管的 工作电压为 1.5 3V，工作电流为几 十几 mA。 5.6.2 光电二极管 光电二极管在反向电压作用下工作。 当 无光照 时 , 和普通二极管一样 , 其 反向电流很小 , 称为暗电流。 当 有光照 时 , 产生的反向电流称为光电流。照度 E越 强，光电流也越大。 常用的光电二极管有 2AU, 2CU等系列。 光电流很小 , 一般只有几十微安 , 应用时必须放大。 I/A U/ V E=0 E1 E2 (a) 伏安特性 (b) 符号 E 2 E1 5.6.2 光电晶体管 光电晶体管用入射光照度 E的强弱来控制集电极 电流。 当无光照时 , 集电极电流 ICEO很小 , 称为暗 电流。当有光照时 , 集电极电流称为光电流。一般 约为零点几毫安到几毫安。 常用的光电晶体管有 3AU, 3DU等系列。 (b) 输出特性曲线 (a) 符号 E=0 E1 E3 E4 iC uCE O E2 ICEO PCM C E