电工电子技术基础

1. 电工电子技术基础 第6章 半导体二极管和三极管 武汉职业技术学院机械工程系

2. 目 录 第6章 半导体二极管和三极管 1.1 电路和电路模型 目 录 6.1 半导体基本知识 6.2 半导体二极管 6.3 稳压二极管 6.4 发光二极管 6.5 半导体三极管 1.2 电路基本物理量 1.3 电阻元件、电感元件和电容元件 1.4 电压源、电流源及其等效变换 1.5 基尔霍夫定律 1.6 复杂电路的分析和计算

3. 6.1 半导体基本知识 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

4. 6.1.1 本征半导体 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.

5. 6.1.1 本征半导体 1.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本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 ——晶体管名称的由来

6. 2.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。

7. 空穴 Si Si Si Si 自由电子 3.热激发与复合现象 由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象----- 热激发 自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象 温度一定时，本征半导体中的自由电子—空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子—空穴对数目越多。

8. 空穴 Si Si Si Si 价电子 4.半导体导电方式 当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动

9. 4.半导体导电方式 在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。 载流子 自由电子和空穴 因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。

10. 6.1.2 N型半导体和P型半导体 1.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）。 自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。 电子型半导体或N型半导体

11. 6.1.2 N型半导体和P型半导体 2.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。

12. 6.1.2 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。

13. 6.1.3 PN结 P N 空穴 自由电子 1. PN结的形成

14. 1. PN结的形成 空间电荷区 P N 内电场方向 空穴 自由电子 PN结是由扩散运动形成的

15. 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 漂移运动增强 PN结宽度基本稳定 两者平衡 扩散强 PN结导通 外加电压 平衡破坏 漂移强 PN结截止

16. 2. PN结的单向导电性 变窄 P N I 内电场 方向 R 外电场方向 – + (1) 外加正向电压使PN结导通 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

17. 2. PN结的单向导电性 变 宽 P N I=0 内电场 方向 R 外电场方向 - + (2) 外加反向电压使PN结截止 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

18. 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。 返回

19. 6.2 半导体二极管 外壳 触丝 N型锗片 引线 阳极引线 铝合金小球 PN结 点接触型 N型硅 金锑合金 面接触型 表示符号 底座 阴极引线 6..2.1 基本结构

20. I/μA 60 正向 40 死区电压 20 -50 -25 O 0.4 0.8 U/V 击穿电压 -20 -40 反向 6.2.2 二极管的伏安特性 半导体二极管的伏安特性是非线性的。

21. I/μA 60 正向 40 死区电压 20 -50 -25 O 0.4 0.8 U/V 击穿电压 -20 -40 反向 6.2.2 二极管的伏安特性 1 .正向特性 死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2~ 0.3伏。

22. I/μA 60 正向 40 死区电压 20 -50 -25 O 0.4 0.8 U/V 击穿电压 -20 -40 反向 6.2.2 二极管的伏安特性 2 .反向特性 反向电流：很小 反向饱和电流： 几乎不随电压而变 反向击穿电压UBR

23. 6.2.3 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.最大 反向工作电压URM: 保证二极管不被击穿所允许的最高反向电压。一般为反向击穿电压的1/2~1/3. 3 最大反向电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。

24. 例6.1 在图6.10所示电路中，二极管是导通还是截止？ 解 先将二极管D拿开，比较二极管阳极与阴极的电位高低，若阳极电位高，则二极管D导通；反之截止。 设两电源公共端G电位为0，则二极管阳极电位为－6V，阴极电位为－3V，阳极电位低于阴极电位，故二极管D截止。

25. 例6.2 如图6.11(a)所示电路中，已知E=5V，输入电压ui=10sinωt，试画出输出电压uo的波形图。 解 如图6.11(b)画出输入电压ui和E的波形。 0~1段，ui<E，二极管阳极电位低于阴极电位，D截止，uo=ui 1~2段，ui>E，二极管阳极电位高于阴极电位，D导通，uo=E 2~3段，ui<E，二极管阳极电位低于阴极电位，D截止，uo=ui 3~4段，ui>E，二极管阳极电位高于阴极电位，D导通，uo=E 4~5段，ui<E，二极管阳极电位低于阴极电位，D截止，uo=ui 由此画出输出电压uo的波形图如图6.11(c)所示

26. +3V DA A 0V DB B Y -12V 例6.3: 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。 DA优先导通， DA导通后， DB上加的是反向电压，因而截止。 解： VY=+2.3V(二极管导通电压0.7V) DA起钳位作用， DB起隔离作用。 返回

27. 6.3 稳压管 稳压管是一种特殊的二极管,其结构和普通二极管相同,实质上也是一个PN结,所不同的就是它工作在反向击穿状态.应用时与适当的电阻配合能起稳压作用. 稳压管表示符号：

28. I/mA - + 正向 UZ U/V 0 - + IZ IZM IZ 反向 UZ 6.3.1 稳压管的伏安特性： 稳压管的反向特性曲线比较陡。 稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。 反向击穿 是可逆的。

29. 6.3.2 稳压管的主要参数 1.稳定电压UZ 稳压管在正常工作下管子两端的电压。 2.稳定电流IZ 指稳压管在稳定电压时的工作电流。 最小稳定电流IZmin是指稳压管进入反向击穿区时的转折点电流 3.稳定电流IZmax 指稳压管长期工作时允许通过的最大反向电流

30. 6.3.2 稳压管的主要参数 4.最大允许耗散功率 管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PM=UZIZmax 5.动态电阻 稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值

31. ★稳压管应用 R + U UZ U0 _ 例题 稳压管的稳压作用 当U<UZ时,电路不通；当U>UZ大于时,稳压管击穿 此时 选R，使IZ<IZmax 返回

32. 例6.3 有两个稳压管DZ1和DZ2，其稳定电压分别为5.5V和8.5V，正向压降均为0.5V，现分别要得到3V、6V、14V几种稳压值，试画出其电路图。 解 利用稳压管反向导通时两端电压等于它的稳定电压，正向导通时两端电压等于它的正向压降，按图6.13(a)、（b）、（c）连接，可分别得到3V、6V、14V几种稳定电压值。图中R是限流电阻，不能缺少。假设E大于14V。

33. 6.4 发光二极管 发光二极管（Light Emiting Diode），简称LED，是一种将直接把电能转换成光能的器件，没有热交换过程。它在正向导通时会发光，导通电流增大时，发光亮度增强。其外形和电路符号分别如图6.14(a)、（b）所示。

34. 6.5.1 基本结构 6.5 半导体三极管 三极管的结构，最常见的有平面型和合金型两类。图6.16(a)为平面型（主要为硅管），图6.16(b)为合金型（主要为锗管）。都是通过一定的工艺在一块半导体基片上制成两个PN结，再引出三个电极，然后用管壳封装而成。 (a) (b)

35. 6.5.1 基本结构(NPN型) E N P N C C N B P B B N E E 发射结 集电结 发射极 集电极 C 集电区 发射区 基区 基极

36. 6.5.1 基本结构(PNP型) 集电结 发射结 E C P N P C C 基区 集电区 P 发射区 B B N B P E E 发射极 集电极 基极

37. 6.5.2 电流分配和放大原理 mA C B µA 3DG6 IC EC IB E + RB _ mA IE EB _ + 共发射极接法

38. 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 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： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和IC比IB 大的多。 （3）当IB=0（将基极开路）时， IE=ICEO， ICEO<0.001mA

39. 6.5.2 电流分配和放大原理 C N P + B EC N RB _ E EB _ + 用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。 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

40. 6.5.2 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

41. 6.5.2 电流分配和放大原理 C 扩散IEC 复合IEB B EC + RB _ E EB _ + 2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流IB E区电子到基区B后，有两种运动 IEB=IB时达到动态平衡 同时基区中的电子被EB拉走形成 IB 形成稳定的基极电流IB IB是由复合运动形成的

42. 6.5.2 电流分配和放大原理 C B EC + RB _ E EB _ + 3 集电极收集电子，形成集电极电流IC 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 有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流ICBO 形成集电极电流IC

43. 6.5.2 电流分配和放大原理 IBE ICBO IC IB C IEC B EC + RB _ E IE EB _ +

44. 6.5.3 特性曲线 mA B µA 3DG6 + IC EC IB + + E C RB _ V V UBE UCE _ _ EB _ + 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。

45. IB/µA 80 60 UCE>1 40 20 0 0.4 0.8 UBE/V 1 输入特性曲线 死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。 正常工作时，发射结的压降： NPN型硅管UBE=0.6~0.7V; PNP型锗管UBE=-0.2~-0.3V。

46. IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 20µA 1 IB=0 UCE/V 3 6 9 12 0 2 输出特性曲线 晶体管的输出特性曲线是一组曲线。

47. IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 20µA 1 IB=0 UCE/V 3 6 9 12 0 输出特性曲线上的三个工作区 （1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区

48. IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 20µA 1 IB=0 UCE/V 3 6 9 12 0 输出特性曲线上的三个工作区 （1）放大区 ★输出特性曲线近似于水平。 放 大 区 ★发射结正向偏置，集电结反向偏置。

49. IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 20µA 1 IB=0 UCE/V 3 6 9 12 0 输出特性曲线上的三个工作区 （2）截止区 IB=0曲线以下的区域为截止区 IB=0 时， IC=ICEO〈0.001mA 对NPN型硅管而言，当UBE〈0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使UBE小于等于零。 截止区 ★发射结反向偏置，集电结反向偏置。

50. IC/mA 100 4 80 3 60 2 40 20µA 1 IB=0 UCE/V 3 6 9 12 0 输出特性曲线上的三个工作区 饱和区 （3）饱和区 在饱和区，IB的变化对IC的影响较小，两者不成比例 当UCE〈UBE时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态 ★发射结正向偏置，集电结也正向偏置。