二极管三极管

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第7章半导体器件 初步认识半导体基本知识与PN结7.1半导体二极管的结构与特性7.2半导体三极管的结构与特性7.3 7.1初步认识半导体基本知识与PN结7.1.1半导体及其特性7.1.2本征半导体与杂质半导体7.1.3PN结及其导电特性 7.1.1半导体及其特性根据材料的导电能力，可以将他们划分为导体、绝缘体和半导体。导体：容易传导电流的物质。如：铜、银、铝等。（电阻率<10-4·cm）绝缘体：几乎不传导电流的物质。如橡胶、陶瓷、塑料等。（电阻率>109·cm）半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间。常用硅（Si）、锗(Ge)。 半导体之所以能够得到广泛的应用，主要是由于半导体具有以下特性。1.热敏特性：半导体的电阻率随温度升高而显著降低.2.光敏特性：半导体的电阻率随着光照迅速下降.3.掺杂特性：在纯净半导体材料中掺入某微量杂质元素后，导电能力猛增. 7.1.2本征半导体与杂质半导体1.本征半导体的原子结构与本征激发锗原子的结构图典型的半导体是硅Si和锗Ge，它们都是4价元素。硅原子的结构图简化模型本征半导体：纯净的、不含其他杂质的有完整晶体结构的半导体。 共价键内的两个电子由相邻的原子各用一个价电子组成，称为束缚电子。自由电子+4+4+4+4+4+4+4+4+4空穴本征半导体的共价键结构本征半导体的导电能力很弱，接近绝缘体。导电性取决于外加能量：温度变化，导电性变化；光照变化，导电性变化。不能移动的正离子核束缚电子共价键T=0oK时,半导体=绝缘体 温度越高，半导体材料中产生的自由电子便越多。束缚电子脱离共价键成为自由电子后，在原来的位置留有一个空位，称此空位为空穴。此过程成为本征激发。本征半导体中，自由电子和空穴成对出现，数目相同。如下图所示为本征激发所产生的电子空穴对。本征激发 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由电子空穴自由电子和空穴使本征半导体具有导电能力，但很微弱。 2.杂质半导体形成：在本征半导体中掺入微量五价元素，如磷、锑、砷等，产生大量自由电子，我们就称它为电子型半导体，简称N型半导体。（1）N型半导体硅原子多余电子磷原子+4+4+4+4+4+4+4+4+5 多数载流子(简称多子)——电子++++++++++++N型半导体电子空穴对自由电子施主离子少数载流子(简称少子)——空穴5价杂质原子称为施主原子 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4多余电子，成为自由电子+5自由电子+5N型半导体中自由电子的浓度远大于本征半导体中的电子浓度，所以导电能力大大提高。 形成：在本征半导体中掺入微量三价元素，如硼、镓、铟等，即构成P型半导体。硅原子空穴硼原子+4+4+4+4+4+4+4+4+3（2）P型半导体 多数载流子(多子)——空穴少数载流子(少子)——电子－－－－－－－－－－－－P型半导体电子空穴对空穴受主离子3价杂质原子称为受主原子。 +4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+4+3+3空穴空穴 3.1.3PN结及其导电特性1.PN结的形成P型和N型半导体交界处载流子的扩散 空间电荷区多子扩散电流少子漂移电流耗尽层N型半导体P型半导体内电场 动态平衡形成空间电荷区PN结形成P型和N型半导体结合扩散运动内电场建立阻碍扩散运动促使漂移运动多子浓度差 2.PN结的单向导电性（1）PN结正向偏置正偏——P区接电源正极，N区接电源负极。PN结正偏时呈导通状态，正向电阻很小，正向电流很大。 PN结的单向导电特性空间电荷区变窄在外电场作用下，空穴向右运动，电子向左运动，它们会中和一部分空间电荷。结果：PN结宽度变窄，所呈现的电阻R很小，I很大，称PN结导通。内电场方向外电场方向 （2）PN结反向偏置反偏——N区接电源正极，P区接电源负极。PN结反偏时呈截止状态，反向电阻很大，反向电流很小。 PN结宽度变宽，所呈现的电阻R很大，I≈0，但少数载流子会形成很小的反向电流。结论：PN结具有单向导电性：正偏导通，反偏截止。空间电荷区变宽内电场方向外电场方向 7.2半导体二极管的结构与特性7.2.1二极管的基本结构7.2.2二极管的伏安特性7.2.3二极管的参数7.2.4二极管的应用7.2.5特殊二极管 7.2.1二极管的基本结构将PN结封装在塑料、玻璃或金属外壳里，再从P区和N区分别焊出两根引线作正、负极。按PN结内部结构分：有点接触型和面接触型二极管。如下图所示玻璃封装塑料封装 （a）点接触型（b）面接触型由一个PN结构成点触型：电流小，但高频特性好。适用于高频场合。面接触型：电流大，但高频特性差。适用于整流等大电流场合。 二极管的符号NP阳极a阴极k二极管的分类材料：硅二极管和锗二极管用途：整流、稳压、开关、发光、普通二极管、结构、工艺：点接触、面接触封装：玻璃、塑料、金属封装 7.2.2二极管的伏安特性硅：0.5V锗：0.1V导通压降反向饱和电流死区电压击穿电压UBR锗伏安特性曲线正向特性反向特性 1、正向特性死区电压：硅：0.5V锗：0.1V正常工作时的管压降硅：0.7V锗：0.3V当正向电压比较小时，正向电流很小，几乎为零。二极管导通所需要的最小电压称为导通电压，也称为死区电压。60402000.40.8I/mAU/V死区电压 2、反向特性二极管加反向电压，反向电流（由少子形成）很小；当电压超过零点几伏后，反向电流不随电压增加而增大，即饱和；如果反向电压继续升高到一定数值时，反向电流会突然增大；这种现象称击穿，对应电压叫反向击穿电压。–0.02–0.040–25–50I/mAU/V反向特性反向饱和电流击穿电压U(BR) 7.2.3二极管的参数1、最大整流电流IF————————二极管长期运行允许的最大正向平均电流2、最高反向工作电压UR——二极管正常工作允许外加的最大反向电压.通常UR=1/2UBR 3、反向电流IRM———在室温下，在规定的反向电压下的反向电流值。反向电流越小，管子单向导电性能越好。4、最高工作频率fM——主要取决于PN结结电容的大小 5、二极管的直流电阻指加在二极管两端的直流电压与流过二极管的直流电流的比值。二极管的正向电阻较小，约为几欧到几千欧；反向电阻很大，一般可达零点几兆欧以上。 7.2.4二极管的应用1.整流电路单相半波整流电路图单相半波整流电压波形图 2.限幅电路试分析图(1)所示的限幅电路,输入电压的波形为图(2),画出它的限幅电路的波形。 解：(1)E=0时限幅电平为0V。时二极管导通，，时，二极管截止，，它的波形图为：如（3）所示 (2)当时，二极管导通，，它的波形图为：如图(4)所示。当时，限幅电平为负数，它的波形如图（5）所示。 7.2.5特殊二极管1.稳压二极管（1）工作特性稳压二极管是应用在反向击穿区的特殊硅二极管。稳压二极管的伏安特性曲线与硅二极管的伏安特性曲线完全一样。 稳压二极管在工作时应反接，并串入一只电阻。电阻起限流作用，保护稳压管；其次是当输入电压或负载电流变化时，通过该电阻上电压降的变化，取出误差信号以调节稳压管的工作电流，从而起到稳压作用。 （2）主要参数1)稳定电压UZ在规定的稳压管反向工作电流IZ下，所对应的反向工作电压。 2)动态电阻rZrZ=VZ/IZ，rZ愈小，反映稳压管的击穿特性愈陡。3)最大耗散功率PZM最大功率损耗取决于PN结的面积和散热等条件。反向工作时PN结的功率损耗为PZ=VZIZ，由PZM和VZ可以决定IZmax。 4)最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin最大稳定工作电流取决于最大耗散功率，即PZmax=VZIZmax。而Izmin对应VZmin。若IZ＜IZmin则不能稳压。 2.发光二极管与光电二极管(1)发光二极管发光二极管是一种把电能变成光能的器件，由磷化镓、砷化镓等半导体材料制成，电路符号见下图,当有一定的电流流过时二极管就会发光，这是由于PN结的电子和空穴直接复合放出能量的结果。发光二极管的符号与外形 (2)光电二极管光电二极管又叫光敏二极管，外形如图。光电二极管也是由一个PN结构成，但是它的PN面积较大，通过管壳上的一个玻璃来接收入射光。它是利用PN在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小来工作的。光电二极管应用电路图光电二极管外形图 7.3半导体三极管的结构与特性7.3.1三极管的基本结构7.3.2三极管的电流分配与放大作用7.3.3三极管极性的伏安特性7.3.4三极管的参数 7.3.1三极管的基本结构双极型三极管又称半导体三极管、晶体管，或简称为三极管。(BipolarJunctionTransistor)三极管的外形如下图所示。 发射结(Je)集电结(Jc)基极，用B或b表示（Base）发射区集电区基区三极管符号半导体三极管的结构示意图如图所示。它有两种类型:NPN型和PNP型。发射极，用E或e表示（Emitter）；集电极，用C或c表示（Collector）。 晶体管的种类很多，按结构不同可分为NPN型和PNP型；按材料不同可分为硅管和锗管；按照工作频率分可分为高频管、低频管等；按照功率分，可分为大、中、小功率管等。 7.3.2三极管的电流分配与放大作用电流放大的原因三极管的放大作用在一定的外部条件控制下，通过载流子传输体现出来。内部条件：内部结构上的特点。外部条件：发射结正向偏置，集电结反向偏置。 内部载流子的传输过程发射区：发射载流子。发射区的电子越过发射结扩散到基区，基区的空穴扩散到发射区—形成发射极电流IE。载流子为自由电子集电区：收集载流子。集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Ic基区：传送和控制载流子。电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ib 电流分配关系＝＋电流放大关系=△IC/△IB电流放大作用——基极电流较小的变化引起集电极电流较大的变化，即小量控制大量的作用。 7.3.3三极管极性的伏安特性1.输入特性曲线 （1）uCE=0V时，相当于两个PN结并联。当UCE=0时，基极和发射极之间相当于两个PN结并联。所以，当b、e之间加正向电压时，应为两个二极管并联后的正向伏安特性。VBBIB+UBE_bceOIB/A （3）uCE≥1V再增加时，曲线右移很不明显。（2）当uCE=1V时，集电结已进入反偏状态，开始收集电子，所以基区复合减少，在同一uBE电压下，iB减小。特性曲线将向右稍微移动一些。OIB/A IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321截止区饱和区放大区（1）截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置IB≤0的区域2.输出特性曲线 （2）放大区条件：发射极正向偏置，集电结反向偏置放大区NPN管UBE>0，UBC<0特点：各条输出特性曲线比较平坦，近似为水平线，且等间隔。IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321 （3）饱和区IC/mAUCE/V100µA80µA60µA40µA20µAIB=0O510154321饱和区条件：发射结正向偏置，集电结正向偏置特点：IC基本上不随IB而变化，在饱和区三极管失去放大作用。ICIB。(4)击穿区 7.3.4三极管的参数1、电流放大系数β：iC=βiB2、极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+β）iCBO3、极限参数（1）集电极最大允许电流ICM：指三极管的参数变化不超过允许值时集电极允许的最大电流。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。 （3）集电极最大允许功耗PCM。表示集电结上允许损耗功率的最大值。将IC与UCE乘积等于规定的PCM值各点连接起来，可得一条双曲线。过损耗区安全工作区PCM=ICUCE安全工作区安全工作区过损耗区过损耗区ICUCEO温度越高，则PCM越小ICUCEPCM为过损耗区 例题：三极管工作状态的判断1）VC＝6VVB＝0.7VVE＝0V2）VC＝6VVB＝4VVE＝3.6V3）VC＝3.6VVB＝4VVE＝3.4V解：对NPN管而言，放大时VC＞VB＞VE截止区：UB≤UE;饱和区：VC≤VB（1）放大区（2）截止区（3）饱和区UCE＜UBE正偏反偏反偏集电结正偏正偏反偏发射结饱和放大截止测量某硅材料NPN型BJT各电极对地的电压值如下，试判别管子工作在什么区域？