电工学简明教程(秦曾煌)9

第9章二极管和晶体管第9章二极管和晶体管第9章二极管和晶体管第9章二极管和晶体管9.1半导体的导电特性9.2二极管9.3稳压二极管9.4晶体管9.5光电器件第9章二极管和晶体管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SiSiSiSi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。第9章二极管和晶体管在外电场的作用下，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SiSiSiSiSiSiSi第9章二极管和晶体管9.1.2N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。SiSiSiSiSiSiSiP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。如果在其中掺入微量的杂质(某种元素)将使其导电能力大大增强。第9章二极管和晶体管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。SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴价电子填补空位第9章二极管和晶体管9.1.3PN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结内电场方向第9章二极管和晶体管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RIP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第9章二极管和晶体管P区N区内电场方向ER外电场方向IR2．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空间电荷区变宽第9章二极管和晶体管9.2二极管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型锗外壳第9章二极管和晶体管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。导通时的正向压降，硅管约为0.6~0.7V。604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/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)。第9章二极管和晶体管I/mAU/V0.20.4–25–5051015–0.01–0.02锗管的伏安特性0锗管死区电压为0.1V，导通时的正向压降为0.2~0.3V。第9章二极管和晶体管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。第9章二极管和晶体管[例1]在图中，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源–12V。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0.3V，则VY=+2.7V。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+2.7V。二极管的应用范围很广,主要都是利用它的单向导电性。它可用作整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。DA–12VYVAVBDBR第9章二极管和晶体管稳压二极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。稳压二极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，稳压二极管反向击穿。此后，电流虽然在很大范围内变化，但稳压二极管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压二极管在电路中能起稳压作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向+反向UZIZ9.3稳压二极管第9章二极管和晶体管稳压二极管的主要参数有下面几个：1．稳定电压UZ4．稳定电流IZ3．动态电阻rZ2．电压温度系数U5．最大允许耗散功率PZMZZZIUr[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？IZDZ+20VR=1.6kUZ=12VIZM=18mAIZ例9.3.1的图IZIZM，电阻值合适。[解]mA5A105A106.1122033ZI第9章二极管和晶体管9.4.1基本结构N型硅二氧化硅保护膜BECN型硅P型硅(a)平面型N型锗ECB铟球铟球PP(b)合金型9.4晶体管第9章二极管和晶体管1．NPN型三极管集电区集电结基区发射结发射区NN集电极C基极B发射极EP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。ECB符号T第9章二极管和晶体管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BNPPN2．PNP型三极管CBET符号第9章二极管和晶体管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AVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100设EC=6V；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：基极电路集电极电路第9章二极管和晶体管mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100基极电路集电极电路IB/mA00.020.040.060.080.10IC/mA0.0010.701.502.303.103.95IE/mA0.0010.721.542.363.184.05晶体管电流测量数据第9章二极管和晶体管结论：(1)BCEIII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。4002.080.004.006.050.130.2BCII式中，称为动态电流(交流)放大系数。CB1.5037.50.04II，3.3806.030.2BCII第9章二极管和晶体管(3)当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO0.001mA=1A。(4)要使晶体管起放大作用，发射结必须正向偏置，发射区才可向基区发射电子；而集电结必须反向偏置,集电区才可收集从发射区发射过来的电子。下图给出了起放大作用时晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。NPN型晶体管+UBECTEBIEIBIC+UCE+UBEIBIEICCTEB+UCEPNP型晶体管第9章二极管和晶体管对于NPN型晶体管应满足：UBE0UBC0即VCVBVE对于PNP型晶体管应满足：UEB0UCB0即VCVBVE1.输入特性曲线输入特性曲线是指当集-射极电压UCE为常数时，输入电路(基极电路)中，基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线IB=f(UBE)。00.40.8IB/AUBE/VUCE≥1V604020803DG100晶体管的输入特性也有一段死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生IB。9.4.3特性曲线第9章二极管和晶体管2．输出特性曲线输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，输出电路(集电极电路)中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线IC=f(UCE)。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三个工作区ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共发射极电路IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003691243212.31.5放大区第9章二极管和晶体管2．输出特性曲线IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=003691243212.31.5放大区(1)放大区输出特性曲线的近于水平部分是放大区。在放大区，。放大区也称为线性区，因为IC和IB成正比的关系。对NPN型管而言，应使UBE0，UBC0，此时，UCEUBE。BCII第9章二极管和晶体管饱和区截止区(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UBE0.5V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(UBC0)，此时，IC0，UCEUCC。(3)饱和区当UCEUBE时，集电结处于正向偏置(UBC0)，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/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O3691243212.31.5放大区第9章二极管和晶体管当晶体管饱和时，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。+UBE0ICIB+UCE(a)放大UBC0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止UBC0++UBE≤0+UBE0IB+UCE0(c)饱和UBC0+CCCCRUI第9章二极管和晶体管管型工作状态饱和放大截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V开始截止可靠截止硅管(NPN)锗管(PNP)0.70.30.30.10.6~0.70.2~0.30.50.1≤00.1晶体管结电压的典型值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BCII9.4.4主要参数1.电流放大系数，第9章二极管和晶体管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BCII在输出特性曲线近于平行等距