第-9-章--半导体二极管和三极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,Si,B,空位,B,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,I,R,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,I,OM,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,U,RWM,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,I,RM,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,V,A,=+3 V，,V,B,=0 V，电阻,R,接负电源,12 V。求输出端电位,V,Y。,解,因为,V,A,高于,V,B,，所以D,A,优先导通。如果二极管的正向压降是,0.3 V，则,V,Y,=+2.7 V。当 D,A,导通后,D,B,因反偏而截止。,在这里，D,A,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。,D,A,12V,Y,V,A,V,B,D,B,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,U,Z,I,Z,I,ZM,+,正向,+,反向,U,Z,I,Z,稳压管的主要参数有下面几个：,1.稳定电压,U,Z,4.稳定电流,I,Z,3.动态电阻,r,Z,2.电压温度系数,U,5.最大允许耗散功率,P,ZM,例,1,图中通过稳压管的电流,I,Z,等于多少？,R,是限流电阻，其值是否合适？,I,Z,D,Z,+20,R,=1.6 k,U,Z,=12V,I,ZM,=18 mA,I,Z,例,1,的图,I,Z,I,ZM,，电阻值合适。,解,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,E,B,和,E,C,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,I,C,E,C,I,B,I,E,R,B,+,U,BE,+,U,CE,E,B,C,E,B,3DG100,设,E,C,=6 V，改变可变电阻,R,B,，则基极电流,I,B,、集电极电流,I,C,和发射极电流,I,E,都发生变化，测量结果如下表：,基极电路,集电极电路,I,B,/mA,0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10,I,C,/mA,0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95,I,E,/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,),符合基尔霍夫定律,(,2,),I,C,和,I,E,比,I,B,大得多。从第三列和第四列的数据可得,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,I,B,可以引起集电极电流较大的变化,I,C,。,式中，,称为,动态电流,(交流),放大系数,(,3,),当,I,B,=0,(将基极开路),时，,I,C,=,I,CEO,，表中,I,CEO,0,U,BC,V,B,V,E,对于,PNP 型三极管应满足:,U,EB,0,U,CB,0,即,V,C,V,B,0，,U,BC,U,BE,。,I,C,E,C,=,U,CC,I,B,R,B,+,U,BE,+,U,CE,E,B,C,E,B,共发射极电路,I,C,/,mA,U,CE,/V,100 A,80A,60 A,40 A,20 A,I,B,=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,I,B,=0 的曲线以下的区域称为截止区。,I,B,=0 时,I,C,=,I,CEO,(很小),。对,NPN 型硅管，当,U,BE,0.5 V 时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使,U,BE,0，截止时集电结也处于反向偏置,(,U,BC,0,)，,此时,I,C,0，,U,CE,U,CC,。,(,3,),饱和区,当,U,CE,0,)，,晶体管工作于饱和状态。在饱和区，,I,C,和,I,B,不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，,U,CE,0,，,I,C,U,CC,/,R,C,。,I,C,/,mA,U,CE,/V,100 A,80 A,60 A,40 A,20 A,I,B,=0,O,3 6 9 12,4,3,2,1,2.3,1.5,放,大,区,当晶体管饱和时，,U,CE,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，,I,C,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,+,U,BE,0,I,C,I,B,+,U,CE,(,a,),放大,U,BC,0,+,I,C,0,I,B,=0,+,U,CE,U,CC,(,b,),截止,U,BC,0,I,B,+,U,CE,0,(,c,),饱和,U,BC,0,+,管 型,工 作 状 态,饱和,放大,截 止,U,BE,/V,U,CE,/V,U,BE,/V,U,BE,/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,当晶体管工作在动态,(有输入信号),时，基极电流的变化量为,I,B,，它引起集电极电流的变化量为,I,C,。,I,C,与,I,B,的比值称为,动态电流,(交流),放大系数,在输出特性曲线近于平行等距并且,I,CEO,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,I,CBO,I,CBO,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,I,CEO,I,CEO,是当基极开路,(,I,B,=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,I,CM,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,I,CM,。,