二极管、三极管

第3章二极管及其基本电路一、半导体的特性根据物体导电能力(电阻率)的不同，分为导体、绝缘体和半导体。典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等。3.1半导体的基本知识1.导电能力：介于导体、绝缘体之间。2.光敏性、热敏性：随着温度、光照增加，导电能力增强。3掺杂性：在纯净的半导体中掺入少量杂质，导电能力显著增强。二、本征半导体1.原子结构：以Si,Ge为例本征半导体——化学成分纯净、没掺入杂质的半导体。硅和锗是四价元素，在原子最外层轨道上的四个电子称为价电子SiGe2.共价键（晶体结构）共价键结构平面示意图共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，T=0K=-273ºC时束缚电子能量不足以脱离共价键成为自由电子，相当于绝缘体。3.本征激发（热激发）当温度升高（例如室温）或受到光的照射时，价电子能量增高，有的价电子可以挣脱共价键的束缚，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一个空位，称这个空位为空穴。自由电子和空穴是成对出现的，称为电子空穴对。束缚电子从123xxx视为空穴从321xxx半导体中出现两种载流子自由电子空穴电量相等，极性相反，数目相同同时参与导电空穴的出现是半导体区别于导体的重要标志！空穴导电：三、杂质半导体在本征半导体中掺入微量的杂质，可使半导体的导电性能显著增强。掺入杂质的半导体称为杂质半导体。N型(电子)半导体——掺入五价杂质元素(如磷P)P型(空穴)半导体——掺入三价杂质元素(如硼B)五价杂质原子中只有四个价电子能与周围四个半导体原子中的价电子形成共价键，而多余的一个价电子因无共价键束缚而容易形成自由电子。在N型半导体中自由电子是多数载流子（多子)，它主要由杂质原子提供；空穴是少数载流子（少子）,由本征激发形成。提供自由电子的五价杂质原子因带正电荷而成为正离子，故称为施主杂质。1.N型半导体主要依靠自由电子导电!!!因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。在P型半导体中空穴是多数载流子，它主要由掺杂形成；自由电子是少数载流子，由热激发形成。空穴很容易俘获电子，使杂质原子成为负离子。因而三价杂质也称为受主杂质。2.P型半导体空穴主要依靠空穴导电!!!①掺杂对半导体的导电性能有很大的影响。T=300K室温下,本征Si的电子和空穴浓度:n=p=1.4×1010/cm31②多子浓度»少子浓度2掺杂后N型半导体中的自由电子浓度:n=5×1016/cm33.掺杂对半导体导电性影响的数据又∵在杂质半导体中，多子的浓度取决于杂质浓度；而少子的浓度取决于温度。说明：∴杂质半导体导电能力主要由掺杂决定3.2.1载流子的漂移与扩散漂移：由电场作用引起的载流子的运动称为漂移运动。扩散：由载流子浓度差引起的载流子的运动称为扩散运动。3.2PN结的形成及特性3.2.2PN结的形成在本征半导体两侧通过扩散不同的杂质,分别形成N型半导体和P型半导体。因浓度差促使少子漂移阻止多子扩散∵正负离子不移动∴形成无载流子的空间电荷区，所以PN结也称耗尽层、势垒层。（很薄，几微米~几十微米）多子的扩散=少子的漂移即达到动态平衡稳定的空间电荷区称为PN结由杂质正负离子形成空间电荷区空间电荷区形成内电场0ε方向多子的扩散运动3.2.3PN结的单向导电性(1)PN结加正向电压(正偏)当外加电压使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；反之称为加反向电压，简称反偏。势垒区变窄有利于多子扩散不利于少子漂移最后形成较大的正向电流(2)PN结加反向电压(反偏)势垒区变宽阻碍多子扩散有利于少子漂移最后形成很小的反向漂移电流（µA级）在一定的温度条件下，由本征激发决定的少子浓度是一定的，故少子形成的漂移电流是恒定的，基本上与所加反向电压的大小无关，这个电流称为反向饱和电流IS。PN结加正向电压时，具有较大的正向扩散电流。PN结呈现低电阻，导通。PN结加反向电压时，具有很小的反向漂移电流。PN结呈现高电阻，截止。由此可以得出结论：PN结具有单向导电性。(3)PN结V-I特性表达式其中)1e(/SDDTVIivIS——反向饱和电流VT——温度的电压当量且在常温下（T=300K）qkTVTmV26)1e(26/SDmVIv在PN结上加上引线和封装，就成为一个二极管。(1)点接触型二极管(a)点接触型3.3半导体二极管3.3.1二极管的结构二极管按结构分有：点接触型、面接触型和平面型PNAKPN结面积小，不适用于整流；结电容小，用于检波和变频等高频电路。rC图2.3.5(3)平面型二极管往往用于集成电路中。(2)面接触型二极管PN结面积大，宜用于整流；结电容也大，不宜用于高频电路。(b)面接触型(c)平面型阴极引线阳极引线PNP型支持衬底(4)二极管的代表符号(d)代表符号k阴极阳极aD光刻窗口扩散而成Si二极管的死区电压Vth=0.5V左右，Ge二极管的死区电压Vth=0.1V左右。i)当0＜VD＜Vth时，外电场不足以克服PN结的内电场，正向电流为零。ii)当VD＞Vth时，内电场大为削弱，开始出现正向电流，并按指数规律增长。3.3.2二极管的V-I特性(1)正向特性与PN结伏安特性基本相同Vth称为死区或开启电压Si二极管的饱和电流Is1μΑ，Ge二极管的饱和电流Is为几个μΑ~十几个μΑIS越小单向导电性越好当VBR＜VD＜0时，反向电流很小，趋于饱和IS当VD≤VBR时，反向电流急剧增加，VBR称为反向击穿电压。(2)反向特性热击穿——不可逆雪崩击穿齐纳击穿电击穿——可逆反向击穿原因两种：稳压管锗二极管2AP15的V-I特性硅二极管2CP10的V-I特性二极管的简化模型D正偏即导通，导通后箝位理想模型：即D导通相当于短路VIVth恒压降模型VI理想模型恒压降模型：D反偏即截止，相当于开路VDVth二极管导通，导通后箝位VDVth二极管截止。VD=VthVD=0如何判断D导通或截止对于恒压降模型，测量V阳—V阴Vth?是:D导通否:D截止对于理想D，只要V阳V阴导通后即箝位将D断开是:D导通否:D截止导通后即箝位关于优先导通(V阳—V阴)大的二极管优先导通且箝位D2:V阳2—V阴2=6v-(-3v)=9vD1:V阳1—V阴1=0v-(-3v)=3vD2优先导通且箝位(短路)VAO=6v，D1受反压截止例:先假设D1、D2都截止练习1VA=1VVB=3.5V10K140K18K2K25K5KAB15V10V+-DD承受反偏而截止先假设D断开练习2写出下列各图所示电路的输出电压值，设二极管导通电压VD＝0.7V。解：VO1≈1.3V，VO2＝0V，VO3≈－1.3V，VO4≈2V，VO5≈1.3V，VO6≈－2V。(1)整流(半波、全波)→利用D的单向导电性半波导通tv(2)限幅(削波)单向削波tV二极管应用举例vi＝5sinωt(V)，二极管导通电压vD＝0.7V。试画出vi与vO的波形，并标出幅值。(3)低压稳压(4)开关作用（二极管可在数字电路中做数字开关）D导通:开关闭和D截止:开关断开没有稳压值≺3V的稳压管，同时稳压管输出稳压值过低，效果不理想要得到≺3V的稳压值，通常利用把几个二极管串联的方法。反向击穿特性非常陡峭。工作在反向击穿状态，其反向击穿是可逆的3.5特殊二极管R:限流电阻①限制流经稳压管的反向电流防止稳压管进入热击穿。②配合稳压管稳压1、稳压二极管（齐纳二极管）2.变容二极管：3.光电二极管4.发光二极管5.激光二极管光信号→电信号，反向电流∝光照度光电耦合电路接收端电信号→光信号，发光亮度∝正向导通电流，用于显示、光电耦合电路发送端6.肖特基二极管结电容随U反↗而显著↘用于选频电路中，改变谐振频率。光电传输系统光信号传输损耗小，抗干扰能力强。3.3.3二极管的主要参数(1)最大整流电流IF(2)反向击穿电压VBR(3)反向电流IR(4)极间电容Cd（CB、CD）(5)反向恢复时间TRR作业3.4.5、3.4.6(b)、(c)3.4.2第4章双极结型三极管及放大电路基础4.1.1BJT的结构简介(a)小功率管(b)小功率管(c)大功率管(d)中功率管4.1半导体三极管(BJT、晶体管)1.结构发射极用e表示(Emitter)集电极用c表示(Collector)基极用b表示(Base)发射区集电区基区半导体三极管为三层半导体形成两个PN结组成。它有两种类型:NPN型和PNP型。结构如图所示，有三层半导体、两个结、三个电极。集电结(Jc)发射结(Je)三极管符号(箭头为发射结正偏时，射极电流流向）2.分类(3)按功率：小、大、中功率管(1)按材料Si管Ge管(2)按结构NPN管PNP管型号命名方法(模拟四版P44)如3DG6(4)按工作频率：低频管、高频管3.结构特点•发射区掺杂浓度最高；•集电区掺杂浓度低于发射区，且面积大；•基区很薄，一般在几个微米至几十个微米，且掺杂浓度最低。这些特点使BJT不只等同于两个单独的PN结，而呈现出其特有的极间电流关系。4.1.2放大状态下BJT的工作原理外部条件：NPN管:PNP管:EBCVVVCBEVVV放大状态下BJT中载流子的传输过程e结正偏，c结反偏1.内部载流子的传输过程(以NPN为例)(1)e区向b区注入电子流(2)电子在b区扩散与复合放大状态下BJT中载流子的传输过程ENEIICNBNENIII(3)c区收集扩散过来的电子CNBNEIIICNCBOBEIIII)(CBOCNCIIIBJT内两种载流子都参与导电，∴称为双极型晶体管。CBOBBNIII另有②代入③)(CNCBOBIIICBII放大状态下BJT中载流子的传输过程①②③2.极间电流分配CBOCNCIIIENCNII共基极电流放大倍数EICBOEIIECIIEBII)1(ECII放大状态下BJT中载流子的传输过程班级时间地点自控1001星期三第8,9节实验楼101教室自控1002星期三第8,9节实验楼102教室自控1003星期一第8,9节实验楼101教室自实1001星期一第10,11节实验楼101教室模拟电子技术实验从第七周开始具体内容安排见实验楼一层橱窗CBOEIICBOBCIII1111令则CBOBCIII)1(CBOCNCIII放大状态下BJT中载流子的传输过程CBOBCIII)1(CBOICIIB)1(0CEOBCIII则共射极电流放大倍数一般几十~几百b极开路时ce间的反向饱和电流(穿透电流)(ICEO→0)BCIICEOI放大状态下BJT中载流子的传输过程∴总结(BJT放大状态下的极间电流关系）很小CBEIIIEECIIIEBII)1(BCII4.1.3BJT的特性曲线(以共射极放大电路为例)iB=f(vBE)vCE=常数1.输入特性曲线死区或门坎电压Si:0.6~0.7vGe:0.2~0.3v在vCE=0时，相当于两个PN结并联的V-I特性曲线。Vth=0.5V左右vCE↑→输入曲线稍右移vCE1V以后曲线基本重合共射极连接2.输出特性曲线iC=f(vCE)iB=常数先分析iB=40A时的输出特性曲线共射极连接(1)截止区iB=0，iC=ICEO→0C、E两点相当于开关断开。(2)放大区iC不再随vCE↑而↑→恒流特性电流控制作用e结正偏、c结反偏输出特性曲线分三个区域发射结反偏或＜Vth线性放大作用共射极连接(3)饱和区在放大区，iB↑→iC↑→vCE↘当vCE↘至vCEvBE时，e结、c结均正偏，iC不再随iB↑而↑，趋于饱和值ICSiC对iB的变化饱和了，体现对不同iB，iC曲线基本重合。此时vCE=VCES→饱和管压降→C、E间相当于开关闭合此时不存在iC=βiB共射极连接但iC明显受vCE的影响，随vCE↑而↑在模拟电路中，BJT工作在放大区；（线性放大小信号）在数字电路中