Transcript 第十五章：半导体二极管和三极管

第15章
半导体二极管和三极管
哈尔滨工业大学
电工学教研室
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目
15.1
15.2
15.3
15.4
15.5
录
半导体的导电特性
PN结
半导体二极管
稳压管
半导体三极管
15.1 半导体的导电特性
半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的
物质。
半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性
本征半导体就是完全纯净的半导体。
应用最多的本征半
导体为锗和硅，它们
各有四个价电子，都
是四价元素.
硅的原子结构
15.1.1 本征半导体
本征半导体晶体结构中的共价健结构
纯净的半导体其所有的原子基
价电子
本上整齐排列，形成晶体结构，
Si
Si
共价键
所以半导体也称为晶体
——晶体管名称的由来
Si
Si
15.1.1 本征半导体
自由电子与空穴
共价键中的电子
在获得一定能量
后，即可挣脱原
子核的束缚，成
为自由电子
同时在共价键中
留下一个空穴。
空穴
Si
Si
Si
Si
自由
电子
15.1.1
本征半导体
热激发与复合现象
由于受热或光照
自由电子
产生自由电子和
温度一定时，本
在运动中遇
征半导体中的自由
空穴的现象----到空穴后，
电子—空穴对的数
热激发
两者同时消
目基本不变。温度
愈高，自由电子—
失，称为复
空穴对数目越多。
合现象
空穴
Si
Si
Si
Si
自由
电子
15.1.1 本征半导体
半导体导电方式
空穴
载流子
在半导体中，
当半导体两端
因为，温度愈
同时存在着电子
加上外电压时，自
自由电子和空穴
高，载流子数目愈
导电和空穴导电，
由电子作定向运动
多，导电性能也就
这是半导体导电
形成电子电流；而
愈好，所以，温度
方式的最大特点，
空穴的运动相当于
对半导体器件性能
也是半导体和金
正电荷的运动
的影响很大。
属在导电原理上
的本质差别。
Si
Si
Si
Si
价电
子
15.1.2 N型半导体和P型半导
体
N型半导体
在硅或锗的晶体中
掺入微量的磷（或
其它五价元素）。
电子型半导体
自由电子是多数
或N型半导体
载流子，空穴是
少数载流子。
Si
Si
P+
Si
多余
电子
15.1.2 N型半导体和P型半导体
P型半导体
在硅或锗晶体中
掺入硼（或其它
三价元素）。
空穴是多数载流子，
自由电子是少数载
流子。
空穴型半导体
或P型半导体。
Si
Si
空穴
B-
Si
15.1.2 N型半导体和P型半导体
不论N型半导体还是P型半导体，
虽然它们都有一种载流子占多数，
但是整个晶体仍然是不带电的。
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15.2 PN结
15.2.1 PN结的形成
P
空穴
N
自由电子
15.2.1
PN结的形成
PN结是由扩散运动形成的
P
空穴
空间电荷区
内电场方向
N
自由电子
15.2.1 PN结的形成
扩散运动和漂移运动的动态平衡
内电场增强
扩散强
两者平衡
外加
电压
平衡
破坏
漂移运动增强
PN结宽度基本稳定
扩散强
漂移强
PN结导
通
PN结截止
15.2.2 PN结的单向导电性
1 外加正向电压使PN结导通
P
I
变窄
N
内电场 方向
外电场方向
+
–
PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流
基本是多子的扩散电流——正向电流
R
15.2.2 PN结的单向导电性
2 外加反向电压使PN结截止
P
I=0
变
宽
N
内电场 方向
R
外电场方向
-
+
PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流
----反向电流
特点: 受温度影响大
原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的
15.2.2 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。
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15.3 半导体二极管
15.3.1 基本结构
触丝
15.3.2外壳
伏安特性
阳极引线
N型锗片
引线
15.3.3 伏安特性的折线化
15.3.4 二极管的主要参数
铝合金小球
PN结
N型硅
金锑合金
底座
点接触型
阴极引线
面接触型
表示符号
I/mA
15.3.2 伏安特性
80
正向
60
40
半导体二极
管的伏安特性
是非线性的。 -50
20
死区
电压
-25
击穿
电压
反向
O
0.4
-20
-40
I/µA
0.8 U/V
15.3.2
伏安特性
I/mA
80
1 正向特性
正向
60
40
死区电压：
死区电压
20
硅管：0.5伏左右，锗管：
0.1伏左右。
-50
-25
O
击穿电压
正向压降：
硅管：0.7伏左右，锗管：
0.2~ 0.3伏。
0.4
-20
-40
反向
I/µA
0.8 U/V
15.3.2
伏安特性
I/mA
80
2 反向特性
正向
60
反向电流：
40
反向饱和电流：
反向击穿电压U（BR）
20
-50
死区电
压
-25
O
击穿电
压
0.4
-20
-40
反向
I/µA
0.8 U/V
15.3.4 伏安特性的折线化
US
U
U
0
0
15.3.4 主要参数
1 最大整流电流IOM：
二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。
2 反向工作峰值电压URWM:
保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。
3 反向峰值电流IRM:
二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。
15.3.5 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VA=+3V，B的电位
VB=0V，求输出端Y的电位VY。电阻R接负电源-12V。
+3V
DA
0V
DB
A
B
解：DA优先导通， DA导通后，
DB上加的是反向电压，
因而截止。
Y
-12V
VY=+2.7V
DA起钳位作用，
DB起隔离作用。
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15.4 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：
2 稳压管的伏安特性：
I/mA
稳压管的反向特性曲线比较陡。
+
正向
3 稳压管稳压原理：
稳压管工作于反向
UZ
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 Δ IZ
电压变化很小。利用这
反向
一特性，稳压管在电路
ΔUZ
中能起稳压作用。
-
0
IZ
IZM
U/V
反向击穿
是可逆的。
15.4 稳压管
4 主要参数
（1）稳定电压 UZ
稳压管在正常工作下管子两端的电压。
（2）电压温度系数
αU
说明稳压管受温度变化影响的系数
15.4 稳压管
（3）动态电阻 rZ
稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值
（4）稳定电流 IZ
（5）最大允许耗散功率 PZM
管子不致发生热击穿的最大功率损耗。
PZM=UZIZM
15.4 稳压管
例题
稳压管的稳压作用
R
+
当U<UZ时,电路不通；当
U>UZ大于时,稳压管击穿
U
UZ
_
U0
此时
U  UZ
IZ 
R
选R，使IZ<IZM
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15.5 半导体三极管
15.5.1 基本结构
15.5.1 基本结构
平面型
NPN
15.5.2 电流分配和放大原理
结构
15.5.3 特性曲线
合金型
15.5.4 主要参数
PNP
15.5.1 基本结构
集电结
发射结
E
N
P
C
N
C
C
N
B
发射区
P
B
基区 集电区
B
N
E
E
15.5.1 基本结构
集电结
发射结
E
P
N
C
P
C
C
P
B
发射区
N
B
基区 集电区
B
P
E
E
15.5.2 电流分配和放大原理
共发射极接法
mA
µA
IB
B
C
3DG6 IC
E
RB
+
_
mA IE
EB
+ _
EC
15.5.2 电流分配和放大原理
晶体管电流测量数据
由此实验及测量结果可得出如下结论：
IB/mA 0
0.02
0.04 0.06
0.08
0.10
（1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。
（2）
IC/mA
IE和I<0.001
C比IB 大的多。
0.70 1.50
2.30
3.10 3.95
（3）当IB=0（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO<0.001mA
IE/mA <0.001 0.72
1.54
2.36
3.18
4.05
15.5.2 电流分配和放大原理
用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。
C
N
P
B
N
RB
+
EC
_
E
EB _
+
外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电
压。 UBE>0,UBC<0,UBC=UBE-UCE,UBE<UCE
15.5.2 电流分配和放大原理
1 发射区向基区扩散电子，形成发射极电流IE。
E区多子（自由电子）到B区
发射结正偏
扩散强
B区多子（空穴）到E区
穿过发射结的电
流主要是电子流
形成发射
极电流IE
IE是由扩散运
动形成的
15.5.2 电流分配和放大原理
2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流I
B
C
扩散IEC
E区电子到基区B后，有两种运动
B
RB
同时基区中的电子被E
B拉走形成
复合IEB
IEB=IB时
达到动
E
C
+
态平衡
IB _
E
EB
形成稳定的基极电流I
B
+ _
IB是由复合运动形成的
15.5.2 电流分配和放大原理
3 集电极收集电子，形成集电极电流I
C
C
阻碍C区中的多子（自由电子）扩
散，同时收集E区扩散过来的电子
集电结反偏
RB
B
有助于少子的漂移运动，+ EC
有反向饱和电流ICBO
_
EB
+ _
E
形成集电极电流IC
15.5.2 电流分配和放大原理
IC
C
IB
B
ICBO
IBE
IEC
+ EC
_
RB
E
EB
+ _
IE
15.5.3 特性曲线
用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映
晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。
以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。
mA
µA
IB
RB
B
+
V
EB _
+
3DG6
E
_
UBE
+
C
V
_
IC
UCE
+
_
EC
15.5.3 特性曲线
1输入特性曲线：
IB  f (UBE ) |UCE C
死区电压：
IB/µA
80
60
硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏
左右。
40
正常工作时，发射结的压降：
20
UCE>1
NPN型硅管UBE=0.6~0.7V;
PNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V。
0
0.4
0.8 UBE/V
15.5.3 特性曲线
2 输出特性曲线
IC  f (UCE ) |IB C
4
IC/mA
100
80
3
60
晶体管的输
出特性曲线是
一组曲线。
2
40
1
0
20µA
IB=0
3
6
9
UCE/V
12
15.5.3 特性曲线
晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：
（1）放大区（线性区）
（1）放大区
IC/mA
4
（2）截止区
输出特性曲线的近似水平部分。
（3）饱和区 3
100
80
放大区
_
IC  β IB
60
2
40
发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置
1
20µA
IB=0
0
3
6
9
UCE/V
12
15.5.3 特性曲线
（2）截止区
IC/mA
100
4
IB=0曲线以下的区域为截止区
80
IB=0 时，IC=ICEO3〈0.001mA
60
2
对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开
40
始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。
截止区
1
20µA
IB=0
0
3
6
9
UCE/V
12
15.5.3 特性曲线
（3）饱和区 IC/mA
4
100
饱和区
在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例
80
3
60
当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱
2
和状态
40
1
0
20µA
IB=0
3
6
9
UCE/V
12
15.5.4 主要参数
_
1 电流放大系数 β,β
_
IC
IB
I
β ：动态电流（交流）放大系数 β  C
I B
注意：
_
β ：静态电流（直流）放大系数 β 
（1）β,β 两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行
等距并且ICEO较小的情况下，两者数值较为接近。
_
在估算时，常用
β  β 近似关系
（2） 对于同一型号的晶体管，β值有差别，常用晶体管的β
值在20-100之间。
_
15.5.4 主要参数
2 集—基极反向截止电流ICBO
ICBO=IC|I =0
E
ICB0
_
+
µA
ICBO受温度的影响大。
在室温下，小功率锗管的
ICBO约为几微安到几十微安，
小功率硅管在一微安以下。
ICBO越小越好。
T
+
EC
_
15.5.4 主要参数
3 集—射极反向截止电流ICEO
I EC I C  I CBO
I CEO  I CBO
β

|I B  0 
I EB I B  I CBO
I CBO
穿透电流ICEO与ICBO的关系：
ICEO=IC|I =0
_
B
_
_
 I CEO β I CBO  I CBO  (1 β)ICBO
_
_
I C  β(IB  I CBO )  I CBO  β I B  I CEO
_
ICBO愈大，β 愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子
_
时，要求ICBO尽可能小些，而 β 以不超过100为宜。
15.5.4 主要参数
4 集电极最大允许电流ICM
_
集电极电流IC超过一定值时，晶体管的 β 值要下降。当
_
β 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ICM并不一定会使晶体管损坏，
_
但以降低 β 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。
15.5.4 主要参数
6 集电极最大允许耗散功PCM
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。
PCM=ICUCE
15.5.4 主要参数
IC/mA
ICM
PCM
安全工作区
ICEO
UCE/V
0
U(BR)CE0
第 15 章
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