半导体二极管和三极管(6)

本征半导体中由于
多余价电子
载流子数量极少，导电
能力很低。如果在其中
Si
SPi
Si
参入微量的杂质(某种元
素)将使其导电能力大大
增强。
SiSi
Si
Si
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
(正向偏置)，集电结加反向电压(反向偏置)。
IC
设 EC = 6 V，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：
mA
IB
C
A
B 3DG100
RB
+ V UBE
E
+
V UCE
mA IE
EC
EB 基极电路
集电极电路
19
晶体管电流测量数据
[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？
[解]
IZ
20 12 1.6 103
A
5 103 A
5 mA
IZ < IZM ，电阻值合适。
14
1.什么是传统机械按键设计？
传统的机械按键设计是需要手动按压按键触动PCBA上的 开关按键来实现功能的一种设计方式。
传统机械按键结构层图：
O 12
IB
放
B +
C + 80µA UCE 60 µA
RB U大BE E 40 µA EC=UCC
区
20 µA
EB共发射极电路IB =0 UCE /V
Байду номын сангаас
3
6
9
23
(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UBE < 0.5 V 时， 即已开始截止，但为了使
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。
4
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。
式中， 称为动态电流(交流)放大系数
20
(3)当 IB = 0(将基极开路)时，IC = ICEO，表中 ICEO < 0.001 mA = 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 NPN 型和 PNP 型晶体管中电流实 际方向和发射结与集电结的实际极性。
集电极 C
C NP
T 基极 B
B
NN
E
P
符号
发射极 E
集电区 集电结 基区 发射结 发射区
18
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
按
PCBA
键
开关 键
传统机械按键设计要点：
1.合理的选择按键的类型， 尽量选择平头类的按键，以
防按键下陷。
2.开关按键和塑胶按键设计 间隙建议留0.05~0.1mm，以
防按键死键。
3.要考虑成型工艺，合理计 算累积公差，以防按键手感
不良。
9.4 半导体三极管
9.4.1 基本结构
BE
二氧化硅保护膜
E 铟球
负极引线
面接触型
正极
负极 表示符号
9
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
IC 1.50 37.5,
IB 0.04
IC 2.30 38.3
IB 0.06
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 。
IC 2.30 1.50 0.80 40
IB 0.06 0.04 0.02
IC
IB B C +
+
T UCE
UBE E
IE
IC
IB B +
C+ T UCE E
UBE
IE
NPN 型晶体管
PNP 型晶体管
21
对于 NPN 型三极管应满足: UBE > 0 UBC < 0
即 VC > VB > VE
9.4.3 特性曲线
1. 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 I B = f (UBE)。
–0.02
硅管的伏安特性
10
锗管的伏安特性
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)。
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。
晶体管的三种工作状态如下图所示
IC
[例 1] 在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻 R 接负 电源 –12 V。求输出端电位 VY。
[解] 因为 VA 高于VB ，所以
VA
DA 优先导通。如果二极管的正向 压降是 0.3 V，则 VY = + 2.7 V。当
VB
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 + 2.7 V。
晶体管可靠截止，常使
UBE 0，截止时集电结也 处于反向偏置(UBC < 0)， 此时, IC 0 ，UCE UCC 。
IC / mA
4
饱和区
3
放
2.3
2
大
1.5
区
1
O
3
6
100 µA 80 µA 60 µA 40 µA 20 µA IB = 0 UCE /V
9 12
(3) 饱和区
截止区
当 UCE < UBE 时， 集电结处于正向偏置(UBC > 0)，晶体管工
IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
IC/mA < 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95
IE/mA < 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05
结论：(1) IE IC IB 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
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1。1
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。
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
IC / mA
4
IC
100 µA
(1) 放大区
3
输出特性曲线的近于
水平部分是放大区。在放大
区，IC IB 。放大区也称
2.3
2 1.5
为线性区，因为 IC 和 IB 成 正比的关系。对 NPN 型管
1
而言，应使 UBE > 0，UBC< 0，此时，UCE > UBE。
P区
N区
IR 少数载流子越过 PN 结
形成很小的反向电流
内电场方向 外电场方向
E
R
返8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。
引线 外壳 触丝
N 型锗
点接触型
正极引线
铝合金小球
PN 结
N型锗
金锑合金 底座
UZ
O
+ IZ IZ 反向
IZM UZ
U/V
13
稳压管的主要参数有下面几个： 1. 稳定电压 UZ
IZ +20
2. 电压温度系数 U
3. 动态电阻 rZ
IZ R = 1.6 k
rZ
U Z IZ
4. 稳定电流 IZ
DZ UZ = 12V IZM = 18 mA
5. 最大允许耗散功率 PZM
例 1 的图
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 。
24
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。
空穴 价电空子位填补空位
Si
SBBi
Si
SSii
Si
Si
5
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
PN 结
N区
内N区电的场电方子向向P区扩散并与空穴复合 6
2. PN 结的单向导电性
(1) 外加正向电压
P区
外电场驱使P区空间的电空荷N穴区区进电变入窄子空进间入空间电荷区 电荷区抵消一部分负抵空消间一电部荷分正空间电荷
N区
I
内电场方向
扩散运动增强，形 成较大的正向电流
外电场方向
E
R
7
2. 外加反向电压
外电场驱使多空数间载电流荷子区的两扩侧散的运空动穴难和于自进由行电子移走 空间电荷区变宽
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。
I / mA
I / mA
60 40
15
正向特性
10
20
–50 –25
反 向 特
0 – 0.02
击穿电压
0.4 0.8 U / V
性 U(BR) – 0.04 死区电压
5
– 50 – 25
–0.01 0 0.2 0.4 U / V
都是四价元素。将硅或锗材料提纯并
Si
Si
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
Si
Si
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。
本征半导体中自由 电子和空穴的形成
2
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
DA Y
DB
R
–12V
返回12
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。
I/mA
+ 正向
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。
N 型硅 P 型硅 N 型硅
C
(a) 平面型
P
N 型锗 B
P
铟球
C
(b)合金型
返16回
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。
1. NPN 型三极管
集电极 C
C
N
B
T 基极 B
P
E
N
符号
集电区 集电结
基区 发射结
发射区
发射极 E
17
2. PNP 型三极管
电子移动方向
正电的空穴吸引相邻原子
中的价电子来填补，而在
Si
Si
Si
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
SSi i
Si
Si
成空穴顺着电场方向移动，
形成空穴电流。
空穴移动方向 外电场方向
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。
3
9.1.2 N 型半导体和 P 型半导体
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。
对于 PNP 型三极管应满足: UEB > 0 UCB < 0
即 VC < VB < VE
IB / A
80
60
UCE ≥ 1V
40
20
O 0.4 0.8 UBE / V
3DG100
22
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。
第 9 章 半导体二极管和三极管
9.1 半导体的导电特性 9.2 半导体二极管 9.3 稳压管 9.4 半导体三极管
退出1
第 9 章 半导体二极管和三极管
9.1 半导体的导电特性
9.1.1 本征半导体
本征半导体就是完全纯净的、具
有晶体结构的半导体。
自由电子 共价键 空穴
用得最多的半导体是硅或锗,它们