二极管三极管解析

ICBO是集电结反偏由少 子的漂移形成的反向电
流，受温度的变化影响。
3. 集-射极反向截止电流ICEO
当集电结反偏时， 集电区的空穴漂移 到基区而 形成的 ICBO
B
ICEO= IBE+ICBO C
ICBO
IBE
N
P
IBE
NFra Baidu bibliotek
E ICBO进入N区，形成 IBE。
ICEO受温度影响很大，当温度上 升时，ICEO增加很快，所以IC也 相应增加。三极管的温度特性 较差。
进入P区的电子少部分与基区的空 穴复合，形成电流IBN ，多数扩散 到集电结边缘。
C
IB=IBN+ IEP B
基区空穴向
IB
发射区的扩 散形成 IEP 。
RB
EB
N
IBN
P
EC
IEP
N
IEN
发射结正偏，发
射区电子不断向
E
IE IE N IE PIEN基发区射扩极散电流，形IEN成。
进入P区的电子少部分与基区的空
3.P 区中的电子和N 区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。（漂移 运动）
2. PN结的单向导电性 只允许一个方向的电流通过。
一、PN 结正向偏置
PN 结处于 导通状态
+ P
空间电荷区变薄
－
+
－
+
－
+
PN 结正向偏置的意思是： P 区加正、 N 区加负电压。
内电场被削弱，扩散飘移，多子的 扩散加强能够形成较大的扩散电流 (正向电流）。
2.1 PN 结的形成
在同一片半导体基片上，分别制造P型半导体和N型半导体，经过载流子的扩散，在它们 的交界面处就形成了PN结。
内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移 使空间电荷区变薄。
漂移运动
在半导体中由于浓度差别，多数载流子 （多子）从浓度高向浓度低的区域移动，
称扩散运动；形成扩散电流。
P型半导体
(二极管、三极管)解析
§1 半导体的基本知识 1.1 本征半导体
现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。
Si 硅原子
Ge 锗原子
化学元素周期表
通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。 完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。 在硅和锗晶体中，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。
1.2杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。
其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。载流子：电子，空穴
N型半导体（主要载流子为电子，电子半导体） P型半导体（主要载流子为空穴，空穴半导体）
N型半导体 硅或锗 +少量磷 N型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷 原子的最外层有五个价电子，其中四个与相临的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子 几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。每个磷原 子给出一个电子，称为施主原子。
硅和锗的共价键结构
+4表示除去价电子 后的原子
+4
+4
+4
+4
共价键共 用电子对
形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，构成稳定结构。
+4
+4
+4
+4
共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。
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，常温下束缚电子很难脱离共价键 成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。
IC=ICE+ICBO ICE C
IB=IBE-ICBOIBE
ICBO
ICE
N
B
P
EC
IB
IBE
N
RB
E
IE EB
• ICE与IBE之比称为电流放大倍数：
ICEICICBO IC
IBE IBICBOIB
I C I B ( 1 ) I C B I B O I CEO
ICEO (1)ICBO IC IB (ICE 0 O )
ui
t
ui
RL
uO
uo
t 二极管半波整流
例2：二极管的应用 ui
t uR
ui
uR
R
RL
uo
t
uo
t
3.其它类型二极管
• 光电二极管 – 光照影响反向电流，光强度高、反向电流大；
• 发光二极管（LED） – 单管LED – 七段式数码管 – 矩阵式LED显示屏
• 稳压二极管
稳压二极管
稳压二极管符号
-
+ 当稳压二极管工作在反向击穿状态下,当工 作电流IZ在Izmax和 Izmin之间时,其两端电压 近似为常数
稳压二极管特性曲线 I
稳定电压
正向同二极管
UZ
U IZmin
IZ
稳定电流
IZmax
§4 半导体三极管(双极型晶体管）
4.1 基本结构、类型与符号 结构特点：
• 发射极掺杂浓度最大； • 基区掺杂浓度最小，宽度最窄； • 集电极面积最大。
硅原子 空穴
P型半导体
Si
Si
硼原子
B
Si
空穴被认为带一个单位的正电荷，并且可以移动
P型硅表示
杂质半导体的示意表示法
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － －－－ － － －
P型半导体
+ +++ + + + +++ + + + +++ + + + +++ + +
N型半导体
§2 PN结及半导体二极管
以使晶体管具 有放大作用。
三极管符号 C
N
B
P
N
C
C
P
B
B
N
T
P
E
B
N
P N
C C
B T
E
E
NPN型三极管
E E
PNP型三极管
基本结构
NPN型
PNP型
集电区：面积 较大
C 集电极
集电结
B 基极
N
+_ _+ +_ +_ _+ _+ +_ +_ +_ +_ _ _ _ _ _ _ _P_ _ _ ++++++++++
IE(1)IB
IE IC ( 1 )
• 三极管的电流方向和发射结与集电结所处的极性：
要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。
C
IC ＋
B ＋
IB
T IE
E NPN型三极管
C
IC
B＋ T
IB
＋
IE
E
PNP型三极管
4.3 特性曲线
IB A
RB
V
UBE
IC mA
EC
V
UCE
EB 实验电路
N
+
反向电流
内电场
外电场
R
E
2.3 半导体二极管 (1)基本结构 PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。
P N
符号
阳极 P
阴极 N
(2)伏安特性 I
反向击穿电压 U(BR)
反向漏电流 （很小，A级）
I
U
+
-
E
导通压降: 硅管 0.6~0.7V,锗管 0.2~0.3V。
U
死区电压 硅管0.5V, 锗管0.2V。
反向电流极小，称反向截止。
_
P B极
R
PN 结反向偏置的意思是： P 区加负、 N 区加正电压。
空间电荷区 变厚
－
+
－
+
－
+
内电场被加强，多子的扩散受抑制。少 子漂移加强，但少子数量有限，只能形 成较小的反向电流。
ICBO
反向电流
+
－
+
ICN N
内电场
外电场 E
C极 集电结反偏，使内电场增强， 从发射区扩散到基区并到达 集电结边缘，数量极大的电 子，在内电场的作用下，漂 移进集电区，形成 极大ICN 。
UBE(V)
二、输出特性曲线 输出特性曲线是指IB 为常数时， IC与UCE之间的关系曲线。即：
IC(mA )
4
此区域满足IC=IB
称为线性区（放大
3
区）。
2
ICf(UCE)
100A
80A 60A 40A
1
当UCE大于一定的数值时， IC只与IB有关，IC=IB。
20A IB=0
3
6
9
12
UCE(V)
IC(mA ) 4 3 2 1
3
此区域中UCEUBE,集电结正偏，IB>IC， UCE0.3V称为饱和区。
100A
6
9
80A
60A 40A
20A IB=0
12
UCE(V)
IC(mA ) 4 3
2
1
此区域中 :
IB=0,IC=ICEO,UBE< 死区电压，称为截
止区。
3
100A
6
9
80A
60A 40A
少数载流子
（少子）在内 电场作用下，
－－－ － － －
有规则的运动
称为漂移运动； 形成漂移电流。
－
－
－
－
－
－
－－－ － － －
－－－ － － －
内电场E
N型半导体
+ +++ + + + +++ + + + +++ + + + +++ + +
空间电荷区， 也称耗尽层。
扩散运动
扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽， 空间电荷区越宽。
N
P
N IEN
IE I EN I EP I EN
集电结反偏，使内电 场增强，从发射区扩 散到基区并到达集电 结边缘的电子，在内 电场的作用下，漂移 进集电区，形成 ICN 。
EC
发射结正偏，发 射区电子不断向 基区扩散，形成 发射极电流IEN。
IE IBIC
PN 结反向偏置 PN 结处于 截止状态
IC IB
例： UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。
___ IIC B 01..05437.5
IIC B0.20.36 1 0..5 0440
在以后的计算中，一般作近似处理： =
2.集-基极反向截止电流ICBO ICBO A
4.4 主要参数
1. 电流放大倍数 和
前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接 法。
共射直流电流放大倍数：
___
IC
IB
工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的 集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：
_ N
正向电流－
外电场 R
+ 内电场
形成正向电流，称正向导通。
E
二、PN 结反向偏置
PN 结处于 截止状态
空间电荷区 变厚
_ P
反向电流极小，称反向截止。
－
+
－
+
－
+
－
+
PN 结反向偏置的意思是： P 区加负、 N 区加正电压。
内电场被加强，多子的扩散受抑制。少 子漂移加强，但少子数量有限，只能形 成较小的反向电流。
二极管主要参数
• 最大整流电流：最大正向平均电流IOm； • 最大反向电压：最高反向工作电压URm； • 最大反向电流：IRm反映二极管的单向导通特性
• 整流 • 防反接 • 限幅 • 门电路 • ……
二极管的应用
例1：二极管：死区电压=0 .5V， 正向压降=0.7V(硅二极管)
理想二极管：死区电压=0 ，正向压降=0
电位V
V0
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － －－－ － － －
+ +++ + + + +++ + + + +++ + + + +++ + +
注意:
P型区
1.空间电荷区中没有载流子。
空间电荷区
N型区
2.空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴，N 区中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运 动）。
20A IB=0
12
UCE(V)
输出特性三个区域的特点:
(1) 放大区：发射结正偏，集电结反偏。
(2)
即： IC=IB , 且 IC = IB
(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCEUBE ， IB>IC，UCE0.3V
(3) 截止区： UBE< 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0
一、输入特性曲线 输入特性曲线是指UCE为常数时， IB与UBE之间的关系曲线。即：
UCE =0.5V
IB(A) 80
IBf(UBE )
UCE 1V
60 UCE=0V
40
20
死区电压： 硅管 0.5V， 锗管0.2V。
工作压降：
硅管
UBE0.6~0.7V,锗管 UBE0.2~0.3V。
0.4
0.8
P型半导体
漂移运动 内电场E
N型半导体
－－－ － － － －－－ － － － －－－ － － － －－－ － － －
+ +++ + + + +++ + + + +++ + + + +++ + +
扩散运动
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度 固定不变。
穴复合，形成电流IBN ，大部分扩 散到集电结边缘。
集电结反偏，有少子发生漂移运动， 形成极小的 反向电流ICBO。
直流电流放
I 大倍数
CN
I BN
IB=IBN+ IEP
–ICBO IBN
基区空穴向发
射区的扩散形
RB
成 IEP 。
C
ICBO
B
ICBO
IBN
IB IEP
EB
E
IC = ICN+ICBO ICN ICN
基区： 较
薄，掺杂 浓度低
N
发射区：掺杂浓 度较高
E 发射极
发射结
集电区：面积 较大
C 集电极
集电结
B 基极
P __ ____ __ __
++++++++++ _+_+ +_ _+ _+_+ _+N_+ +_ +_
基区： 较
薄，掺杂 浓度低
P
发射结
发射区：掺杂浓 度较高
发射极 E
4.2 电流分配和放大原理
硅原子 磷原子
N型半导体
Si
Si
P
Si
多余电子
N型硅表示 +
P型半导体 硅或锗 +少量硼 P型半导体
在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代， 硼原子的最外层有三个价电子，与相临的半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束 缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。由于硼原子接受电子，所以称为受主原子。