第9章-半导体二极管和三极管分解

,电气与自动化工程学院,*,1,第,9,章,半导体二极管和三极管,2,9.1,半导体的导电特性,半导体,：导电能力介于导体和绝缘体之间的材料。,常见的半导体材料有,硅,、锗、硒及许多金属的氧化物和硫化物等。,半导体材料的特性：,纯净半导体的导电能力很差；,温度升高,导电能力增强；,光照增强,导电能力增强；,掺入少量杂质,导电能力增强。,3,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,Ge,Si,一、 本征半导体,4,硅和锗的共价键结构,共价键共,用电子对,+4,表示除去价电子后的原子,+4,+4,+4,+4,+4,+4,5,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,+4,+4,+4,+4,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为,本征半导体,。,6,硅和锗的晶体结构,在绝对温度,0,度（,T=0K,）和没有外界激发时,价电子完全被共价键束缚着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即,载流子,），它的导电能力为,0,，相当于绝缘体。,7,当温度升高或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱原子核的束缚，而参与导电，成为,自由电子,。,自由电子产生的同时，在其原来的共价键中就出现了一个空位，原子的电中性被破坏，呈现出正电性，其正电量与电子的负电量相等，人们常称呈现正电性的这个空位为,空穴,。,这一现象称为,本征激发，,也称,热激发,。,本征半导体的导电机理,8,+4,+4,+4,+4,本征半导体的导电机理,自由电子,空穴,束缚电子,9,10,11,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子，即,自由电子,和,空穴,。,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，,温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素,，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,12,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,N,型半导体,在硅或锗晶体中掺入少量的,五价,元素,磷（或锑）,二、 杂质半导体,Negative,13,+4,+4,+5,+4,N,型半导体,多余电子,磷原子,14,N,型半导体,N,型半导体中的载流子是什么？,1,、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同,。,2,、本征半导体中成对产生的电子和空穴。,3,、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为,多数载流子,（,多子,），空穴称为,少数载流子,（,少子,）。,？,15,+4,+4,+3,+4,空穴,P,型半导体,硼原子,在硅或锗晶体中掺入少量的,三价,元素，如,硼（或铟）,Positive,16,杂质半导体的示意表示法,P,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,N,型半导体,空穴,正离子,负离子,电子,17,9.1.1 PN,结及其单向导电性,半导体器件的核心是,PN,结，是采取一定的工艺措施在一块半导体晶片的两侧分别制成,P,型半导体和,N,型半导体，在两种半导体的交界面上形成,PN,结。,各种各样的半导体器件都是,以,PN,结为核心,而制成的，正确认识,PN,结是了解和运用各种半导体器件的关键所在。,扩散运动,:,物质从浓度高的地方向浓度低的地方运动,即由于浓度差产生的运动,.,漂移运动,:,在电场力作用下,载流子的运动,.,18,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,空间电荷区,一、,PN,结形成,19,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,漂移运动,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,20,最后,多,数载流子,的,扩散,和,少,数载流子,的,漂移,达到,动态平衡,。对于,P,型半导体和,N,型半导体结合面，离子薄层形成的,空间电荷区,称为,PN,结,。在空间电荷区，由于缺少,多,数载流子,，所以也称,耗尽层,。又称,阻挡层。,21,1.,空间电荷区中没有载流子。,2.,空间电荷区中内电场阻碍,P,中的空穴、,N,区,中的电子（,多数载流子,）向对方运动（,扩散运动,）。,3.,P,区中的电子和,N,区中的空穴（,少,数载流子,），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意,:,22,二、,PN,结的单向导电性,如果外加电压使,PN,结中：,P,区的电位高于,N,区的电位，称为加,正向电压,，简称,正偏,；,P,区的电位低于,N,区的电位，称为加,反向电压,，,简称,反偏,。,PN,结具有单向导电性,:,若外加电压使电流从,P,区流到,N,区，,PN,结呈低阻性，所以电流大；反之是高阻性，电流小。,23,+,+,+,+,内电场,外电场,变薄,P,N,+,_,内电场被削弱，,在外电场作用下多数载流子的扩散加强，空间电荷区变薄，,形成较大的扩散电流。,(1),PN,结加正向电压,空穴,自由电子,24,图,PN,结加正向电压时的导电情况,25,+,+,+,+,内电场,外电场,变厚,N,P,+,_,内电场被加强， 多数载流子的扩散受抑 制。少,数载流,子漂移加 强，空间电荷区变宽。,但少,数载流,子数量 有限，只能形成 较小的反向电流,。,(2),PN,结加反向电压,26,图,PN,结加反向电压时的导电情况,27,9.2,半导体二极管,在,PN,结上加上引线和管壳，就成为一个二极管。二极管按结构分有,点接触型、面接触型和平面型,三大类。,(a),点接触型,PN,结面积小，结电容小，,用于检波和变频等高频电路,。,工作电流较小。,28,(b),面接触型,(c),平面型,符号：,D,阳极,阴极,P,N,PN,结面积大，用,于工频大电流整流电路,。,PN,结面积可大可小，用,于高频整流和开关电路中。,29,U,I,死区电压 硅管,0.5V,锗管,0,.1V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U(BR),死区,电压,正向,反向,外电场不足以克服,内电场,电流很小,外电场不足以克服,内电场,电流很小,一、伏安特性,当外加电压大于死区电压内电场被大大减削弱,电流增加很快,。,30,U,I,死区电压 硅管,0.5V,锗管,0,.1V,。,导通压降,:,硅管,0.60.7V,锗管,0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U(BR),死区,电压,反向,由于少子的漂移运动形成很小的反向电流,在且,U,U(BR),时,其反向电流突然增大,反向击穿。,一、伏安特性,击穿是不可逆转的！,32,二、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,）反向击穿电压,VBR,（不可逆转）,二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压,VDRM,一般是,VBR,的一半。,33,3,）反向电流,IR,指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，一般在几,uA,以下；,锗管的反向电流要大几十到几百倍。,三、二极管的模型,1,、理想模型,2,、恒压降模型,等效电路,等效电路,硅管,:0.7V,锗管,:0.3V,34,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。,35,应用举例,主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例,:,图中电路，输入端,A,的电位,V,A,=+3V,，,B,的电位,V,B,=0V,，求输出端,Y,的电位,V,Y,。电阻,R,接负电源,-12V,。,V,Y,=+2.7V,解：,D,A,优先导通，,D,A,导通后，,D,B,上加的是反向电压，因而截止。,D,A,起钳位作用，,D,B,起隔离作用。,-12V,A,B,+3V,0V,D,B,D,A,Y,36,检波作用,整流作用,二极管的应用是主要利用它的,单向导电性,包括,整流、限幅、保护、检波、开关,等。,例,t,ui,t,uo,R,ui,uo,D,单向脉动电压,+,-,37,例 已知,E=5V,，,ui=10sintV,试画出输出电压波形。,限幅作用,E,38,限幅作用,E,39,9.3,稳压管,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配合后能起稳定电压的作用。,1,稳压管表示符号,：,+,-,U,40,正向,+,-,反向,+,-,I,Z,U,Z,2,稳压管的伏安特性,：,3,稳压管稳压原理：,稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，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稳压作用。,稳压管的反向特性曲线比较陡。,反向击穿 是可逆的。,U/,V,I/mA,0,I,Z,I,ZM,U,Z,41,4,主要参数,（,2,）电压温度系数,（,1,）稳定电压,U,Z,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,说明稳压管受温度变化影响的系数,.,一般高于,6V,的管子系数为正，而低于,6V,的管子系数为负，故,6V,的管子温度稳定性最好！,42,（,3,）动态电阻,（,4,）稳定电流,（,5,）最大允许耗散功率,rZ,稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值。,I,Z,P,ZM,管子不致发生热击穿的最大功率损耗。,P,ZM,=U,Z,I,ZM,rZ,越小，其反向伏安特性曲线越陡，稳压性能越好。,43,例题,+,_,U,U,0,U,Z,R,稳压管的稳压作用,当,U,U,Z,大于时,稳压管击穿,此时,选,R,，使,I,Z,I,ZM,44,9.4,半导体三极管,9.4.1,基本结构,9.4.2,电流分配和放大原理,9.4.3,特性曲线,9.4.4,主要参数,结构,平面型,合金型,NPN,PNP,45,9.4,三极管及其放大电路,三极管,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,NPN,型,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,PNP,型,一、三极管结构和符号,46,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,基区：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺,杂浓度较高,内部条件：,47,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,发射结,集电结,48,B,E,C,IB,IE,IC,NPN,型三极管,B,E,C,IB,IE,IC,PNP,型三极管,三极管的符号,49,IC,mA,A,V,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,1,、,实验线路,二、 电流分配和放大作用,50,0,0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.001,0.7,1.5,2.3,3.10,3.95,0.001,0.72,1.54,2.36,3.18,4.05,IC,IB,IE,2.,实验数据,(1),IE,=,IB+IC,(2),IC (,或,IE )IB,这就是晶体管的,电流放大作用,51,(4),要使晶体管起放大作用,外部条件,:,(3),当,IB=0,时, IC =ICEOV,B,V,E,V,E,V,B,V,C,53,三极管电流放大原理（以,NPN,型为例）,1,、发射区的电子扩散到基区，少部分被复合掉，大部分由于浓度差继续向集电区扩散，同时基区的空穴也扩散到发射区；,2,、由于集电结反偏，电子被拉入集电区形成,集电极电流,；,3,、在基区继续扩散到集电区的电子数量是复合的电子数量的若干倍；,4,、发射区从电源负极补充电子（,发射极电流,），电源的正极将基区的价电子直接拉出（,基极电流,），补充基区的空穴；,54,IC,mA,A,V,V,UCE,UBE,RB,IB,EC,EB,测量电路,三、 特性曲线,三极管各极电流与电压的关系,55,（,1,）输入特性：,I,B,=,f,（,U,BE,）,U,CE,=C,UCE,1V,IB,(,A),UBE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,工作压降： 硅管,UBE,0.60.7V,锗管,UBE,0.20.3V,。,UCE,=0V,UCE,=0.5V,死区电压，硅管,0.5V,，锗管,0.1V,。,56,IC(,m,A ),1,2,3,4,UCE(V),3,6,9,12,IB=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域满足,IC=,IB,称为线性区（放大区）。,（,2,）输出特性：,I,C,=f(U,CE,) I,B,=C,集电结正偏，,IBIC,，,UCE0.3V,称为饱和区。,此区域中,: IB=0,IC=ICEO,UBE,IC,，,UCE,0.3V,(3),截止区：,UBE,死区电压，,IB,=0,，,IC,=,ICEO,0,58,（,a,）放大,C,E,B,T,I,B,I,C,+,-,U,BC,0,+,-,U,CE,C,E,B,T,（,b,）截止,I,B,=0,I,C,0,+,-,U,BC,0,+,-,U,BE,0,+,-,U,CE,0,晶体管的三种工作状态,59,晶体管的输出特性曲线分为三个工作区,：,（,1,）放大区,（,2,）截止区,（,3,）饱和区,（,1,）放大区（线性区）,1,3,2,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,放大区,U,CE,/,V,输出特性曲线的近似水平部分。,发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置,60,（,2,）截止区,I,B,=0,曲线以下的区域为截止区,I,B,=0,时，,I,C,=I,CEO,0.001mA,对,NPN,型硅管而言，当,U,BE,0.5V,时，即已开始截止，为了截止可靠，常使,U,BE,小于等于零。,1,3,2,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,截止区,U,CE,/,V,61,（,3,）饱和区,当,U,CE,U,BE,时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态,在饱和区，,I,B,的变化对,I,C,的影响较小，两者不成比例,1,3,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,2,饱和区,U,CE,/,V,62,9.4.4,主要参数,1,电流放大系数,：静态电流（直流）放大系数,：动态电流（交流）放大系数,注意：,两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且,I,CEO,较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用,近似关系,（,1,）,（,2,）,对于同一型号的晶体 管，,值有差别，常用晶体管的,值在,20-100,之间。,63,例：,UCE=6V,时,：,IB=40,A, IC=1.5mA,；,IB=60 A, IC=2.3mA,。,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,64,2,集,基极反向截止电流,I,CBO,I,CBO,=I,C,|I,E,=0,I,CBO,受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的,I,CBO,约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。,I,CBO,越小越好。,E,C, A,+,_,T,+,_,I,CB0,由集电区少数载流子（空穴）飘移形成,65,3,集,射极反向截止电流,I,CEO,（又称为穿透电流）,I,CEO,=I,C,|I,B,=0,穿透电流,I,CEO,与,I,CBO,的关系：,I,CBO,愈大，,愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子,时，要求,I,CBO,尽可能小些，而,以不超过,100,为宜。,66,4,集电极最大允许电流,I,CM,集电极电流,I,C,超过一定值时，晶体管的,值要下降。当,值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。,在使用晶体管时，,I,C,超过,I,CM,并不一定会使晶体管损坏，但以降低 为代价。,5,集,射极反向击穿电压,U,（,BR,）,CEO,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。,67,6,集电极最大允许耗散功,P,CM,由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。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。,P,CM,=I,C,U,CE,68,6.,集电极最大允许功耗,PCM,集电极电流,IC,流过三极管，,所发出的焦耳,热为：,PC,=,ICUCE,必定导致结温,上升，所以,PC,有限制。,PC,PCM,IC,UCE,ICUCE=PCM,ICM,U(BR)CEO,安全工作区,