第05章 二极管和三极管

0
U
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§5.3 半导体二极管 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。
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§5.3 半导体二极管 二极管的应用 二极管的应用主要利用它的单向导电性，包括 整流、限幅、保护等。 (1) 整流电路
t
t
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§5.4 半导体稳压管
稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。 稳压管的伏安特性曲线与普通二极管的类似。 稳压管工作于反向击穿区。 1 稳压管表示符号：
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§5.4 半导体稳压管 2 稳压管的伏安特性：
I/mA + 正向 UZ
稳压管的反向特性曲线比较陡。 3 稳压管稳压原理： 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。
电压 死区 电压
正向
0.8 U/V
反向
-40 I/µA
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§5.3 半导体二极管
在正常工作范围内，当 电源电压远大于二极管正向 导通压降时，实际工作中可 将二极管近似看成理想二极 管，二极管正向导通时，二 极管相当于短路；二极管反 向截止时，忽略反向饱和电 流，反向电阻无穷大，二极 管相当于开路
I
0.8 U/V
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§5.3 半导体二极管 2 反向特性 由于少子的漂移运动形 成很小的反向流,且U <U(BR)在内,其大小基恒 定,称反向饱和电流,其随 温度变化很大。 当外加反向电压过高 时，反向电流突然增 大，二极管失去单向导 电性，这种现象称为PN 结的反向击穿。
I/m 80 A 60 40 20 -50 -25 O 0.4 击穿 -20
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§5.3 半导体二极管 (3) 隔离作用 二极管的隔离作用是指利用二极管截止时通 过的电流近似为0，两极之间相当于断路的特点来 隔离电路或信号的联系 当A点电位VA=0时，二极管 +12V VD1导通，起钳位作用使 V0=0V，这时若VB=6V，则 R VD2截止，B点电位对输出 A V0没有影响，VD2起到了将 V0 VD2 输出与输入B点隔离的作用
ΔIZ
Δ Z U
反向
+
0 IZ IZM
U/V 反向击穿 是可逆 的。
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§5.4 半导体稳压管 4 主要参数 （1）稳定电压 U Z 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。如二极管 温度系数是0.095%˚C，就是说温度没增加1˚C， 它的稳压值将升高0.095%，假如20˚C时的稳压 值是11V，那么在50˚C时的稳压值将是
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§5.2 PN结及其单向导电性 主要内容：PN结的形成及导电机理 1、PN结的形成 在同一块半导体基片的两边分别形成N型和P型 半导体
－ － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － － P型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + N型半导体
§5.1 半导体的导电特性 2、半导体的特性： 1）热敏特性：金属的电阻率随温度变化很小，但有些 半导体对温度反映特别灵敏，环境温度增高时，它们的 导电能力要增强很多。利用这种特性可以制成各种半导 体热敏元件，用来检测温度的变换，如热敏电阻。 2）光敏特性：金属的电阻率不受光照的影响，但半导 体的导电能力对光照很敏感，光照可使半导体的电阻率 显著减小，利用这种特性可以制成各种光敏元件。 3）掺杂特性：金属中含有少量杂质时，电阻率没有显 著变化，但若在纯净的半导体中加入微量杂质，其电阻 率会发生很大的变化，导电能力可增加几十万乃至几百 万倍。利用这种特性可以制成各种不同用途的半导体器 件。如二极管、三极管、场效应晶体管及晶闸管等 3
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第5章 二极管和三极管
主讲教师：刘洪臣
§5.1 半导体的导电特性
主要内容：N型半导体，P型半导体及内部载流子 1、物质按照导电能力的强弱分为： • 导体：导电能力很强的物质，如金属一般 都是导 体。原因是其原子最外层的电子受原子核的束缚 作用很小，可以自由移动，形成自由电子，在外 电场的作用下，自由电子逆电场方向运动而形成 电流。 • 绝缘体：导电能力极弱的物质，这种物质的核外 电子被束缚得很紧，因而不能自由移动，如橡 胶、塑料、陶瓷等 • 半导体：导电能力介于导体和绝缘体之间的物 质，如硅、锗、硒等。 2
(a)点接触型
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§5.3 半导体二极管
符号 P 阳极
(b)面接触型
(c)平面型
N 阴极
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§5.3 半导体二极管 伏安特性 半导体二极管的伏安 特性是非线性的。 1 正向特性
I/mA
80 60 40 20
死区 电压
正向
死区电压： 硅管：0.5伏左右， -50 -25 O 0.4 锗管： 0.1伏左右。 击穿 -20 电压 正向压降： -40 硅管：0.7伏左右， I/µA 反向 锗管： 0.2~ 0.3伏。
I
R
IZ
IL
U ↑→ U L ↑→ U Z ↑→ I Z ↑
+ RL UL −
+ U −
DZ
+ UZ −
U L ↓← U R ↑← I ↑
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§5.4 半导体稳压管 •设负载变化(电源不变) 若RL减小，IL增大，I也增大，电阻R上电压UR随着 增大，UL和UZ则减小。UZ的减小会引起IZ的显著减 小，而使I减小，UR也减小，UL回升，从而使UL保持 基本不变。其过程为
扩散运动
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§5.2 PN结及其单向导电性 PN结形成过程中存在两种运动：一种是多数载流子 因浓度差而产生的扩散运动，另一种是少数载流子 在内电场作用下产生的漂流运动。这两种运动相互 制约，最终这两种运动达到动态平衡，使PN结处于 相对稳定状态。 扩散运动和漂移运动的动态平衡 扩散强 内电场增强 两者平衡 漂移运动增强
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§5.1 半导体的导电特性 N型半导体和P型半导体 N型半导体 在硅或锗晶体中掺入 少量的磷（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
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多余 电子
§5.1 半导体的导电特性 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。 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。
I
N
内电场方向 外电场方向
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§5.2 PN结及其单向导电性 外加反向电压使PN结截止 外加的反向电压，方向 与PN结内电场方向相 同，增强了内电场。内 电场对多子扩散运动的 阻碍增强，扩散电流大 大减小。漂移电流大于 扩散电流，可忽略扩散 电流，形成较小的漂移 电流，PN结呈现高阻 性。
加宽 －－ + + －－ + + P －－ + + －－ + + 内电场方向 外电场方向
0.095 [11 + (50 − 20) × 11]V ≈ 11.3V 100
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§5.4 半导体稳压管 （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
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§5.4 半导体稳压管 5 主要应用 (1)稳压管的稳压作用 在实际应用中，电源电压U经常会出现波动，负载 根据实际需要也经常变化。电源被动和负载变化都 会使负载的端电压UL不稳定。为使负载电压稳定， 可在电源和负载之间接上由稳压管DZ和限流电阻R 组成的稳压电路，如图所示。现分析以下两种情况 的稳压原理。 I R I
T R
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§5.3 半导体二极管 (2) 钳位作用 二极管的钳位作用是指利用二极管的正向 导通压降相对稳定，且数值较小的特点，来限 制电路中某点的电位
+12V
+6V
当S断开时，二极管正向偏置， 若忽略其正向导通压降，V0的电 位被钳位在6V；
V0 当S闭合时，二极管截止， V0的
S
电位被钳位在0V
PN结宽度基本稳定
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§5.2 PN结及其单向导电性 2、PN结的单向导电性 外加的正向电压，方 向与PN结内电场方 向相反，削弱了内电 场。于是,内电场对多 子扩散运动的阻碍减 弱，扩散电流加大。 扩散电流远大于漂移 电流，形成较大的扩 散电流，PN结呈现低 阻性。 外加正向电压使PN结导通
变窄 － + － + P － + － +
I
N
很小
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§5.2 PN结及其单向导电性
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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§5.3 半导体二极管 主要内容：二极管的伏安特性，主要参数及二极管的 应用 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，二极管有点接触型、面接 触型和平面行。
L
IZ
+ U −
DZ
+ UZ −
+ RL UL −
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§5.4 半导体稳压管
•设电源电压波动(负载不变) 若U增加，负载电压UL、稳压管电压UZ随着增加。从 特性曲线上可以看出，UZ的增加会引起IZ的显著增加， 而使电流I增大，电阻R上的电压UR随着增大，UL回落， 从而使UL保持基本不变。其过程可表示如下：