第14章二极管和晶体管
晶体管基础知识
第1章 半导体器件
I / mA
UZ UZ A O IZmin U/V ＋ Ui B IZmax － R
(b)
＋ Uz －
(a)
(c)
图10 稳压管的伏安特性曲线、 （a）伏安特性曲线；（b）图形符号；（c）稳压管电路
稳压管工作在击穿区时的稳定电压
5、汽车用整流二极管：P82—图5-21
汽车交流发电机用硅整流二极管，具有 一个引出极，另一个是外壳，参见教材P82 图5-21
汽车用二极管分为正向二极管和反向二 极管两种。正向二极管的引出端为正极，外 壳为负极，通常在正向二极管上涂有红点； 反向二极管的引出端为负极，外壳为正极， 通常在反向二极管上涂有黑点。
路里的开关元件，以及作为小电流的整流管。
N型锗片 阳极 引线 阴极 引线
铝合金小球
阳极引线 PN结
N型硅
金锑合金 底座
金属触丝 (a)
外壳 (b) 阴极引线
a）点接触二极管PN结接触面积小，不能通过很大的正向电
流和承受较高的反向工作电压，工作效率高， 常用来作为检波器件。
图7 半导体二极管的结构及符号 （a）点接触型结构;（b）面接触型结构;
流很小，PN结截止，这就是PN结的单向导电性。
第1章 半导体器件
2. 半导体二极管
把PN结用管壳封装，然后在P区和N区分别向外引出一 个电极，即可构成一个二极管。二极管是电子技术中最基 本的半导体器件之一。根据其用途分有检波管、开关管、 稳压管和整流管等。
硅高频检波管
开关管
稳压管
整流管
发光二极管
电子工程实际中，二极管应用得非常广泛，上图所示即 为各类二极管的部分产品实物图。
图8 二极管的伏安
14电路
开关电路
D + ui =0V － RL + uoo u －
ui =5V 时的等效电路
ui =0V 时的等效电路
第14章 逻辑门电路
**************************************************************
二、三极管的开关特性
Rc Rb
+VCC iC
2、或逻辑（或运算） 意义：当决定事件（Y）发生的各种条件（A，B)中，只要有 一个或多个条件具备，事件（Y）就发生。 表达式为：
Ｙ＝Ａ+Ｂ
A
真值表
例：开关A，B并联控制灯泡Y
B E 电路图
Y
A 0 0 1 1
B 0 1 0 1
Y 0 1 1 1
两个开关只要有一个接通，灯就会亮。
L=AB
第14章 逻辑门电路
第14章 逻辑门电路
**************************************************************
2、二极管或门
5V A D1 0V B D2 R Y
真值表
A
0 0 1 1
B
0 1 0 1
Y
0 1 1 1
3kΩ
逻辑符号：
A B
≥1
Ｙ＝Ａ+Ｂ
第14章 逻辑门电路
c
iB(μ A)
iC (mA)
直流负载线
80μ A
b iB
uo
饱 和 区
VCC Q2 Rc Q
放 区 大
60μ A 40μ A 20μ A
ui
e
0 工作原理电路 0.5
Q1 i =0 B
第1章 半导体二极管和晶体管
型求出 IO 和 UO 的值。
+ UD -
解:
1、理想模型
UO = V = 6 V
E
IO = E / R = 6 / 6 = 1 (mA)
+
2 V ID
R UR
6KΩ
-
2、恒压降模型
UO = E – UD = 6 0.7 = 5.3 (V) IO = UO / R = 5.3 / 6 = 0.88 (mA)
反向击穿电压 I/mA 反向饱和电流
硅几 A
锗几十~几百 A UBR
硅管的温度稳
IS
O
U/V
定性比锗管好 反向 饱和电流
36
（二）极间电容
第三节、半导体二极管
C
1、PN结存在等效结电容
PN结中可存放电荷,相 当一个电容。
PN
+ ui –
R
– 2、对电路的影响：外加交流电源
+
时，当频率高时，容抗小，对PN
14
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
多一个 价电子
4
+5
4
掺杂
4
4
4
15
本征激发
第一节、半导体的导电特性
N型半导体
4
+5
4
掺杂
正离子
电子
4
4
4
多子-------电子 少子-------空穴
N型半导体示意1图6
第一节、半导体的导电特性
P型半导体
多一个 空穴
4
+3
4
掺杂
4
4
4
17
本征激发
第一节、半导体的导电特性
电力晶体管和晶闸管
-IA
图1-5 晶闸管旳伏安特征 IG2>IG1>IG
当反向电压超出一定程度，到反向击 穿电压后，外电路如无限制措施，则 反向漏电流急剧增长，造成晶闸管发 烧损坏。
11
五、晶闸管旳主要参数
1. 额定电压（UTn）
1) 正向断态反复峰值电压UDRM——在门极断路而 结温为额定值时，允许反复加在器件上旳正向峰 值电压。 2) 反向阻断反复峰值电压URRM—— 在门极断路而 结温为额定值时，允许反复加在器件上旳反向峰 值电压。 3) 通态（峰值）电压UTM——晶闸管通以某一要 求倍数旳额定通态平均电流时旳瞬态峰值电压。
5）通态电流临界上升率di／dt ：在要求条件下，
晶闸管在门极触发开通时所能承受不造成损坏旳 通态电流最大上升率称为通态电流临界上升率。
20
六、晶闸管门极伏安特征及主要参数
1、门极伏安特征 指门极电压与电流旳关系， 晶闸管旳门极和阴极之间只 有一种PN结， 所以电压与 电流旳关系和一般二极管旳 伏安特征相同。门极伏安特 征曲线可经过试验画出，如 图1-6所示。
式中IT是流过晶闸管中可能出现旳最大电流有效值
17
➢
有一晶闸管旳电流额定值I（TAV）=100A，用于电路中流过旳
电流波形如图所示，允许流过旳电流峰值IM=？
举例： ➢ 分析： I（TAV）=100A旳晶闸管
➢ 相应旳电流有效值为： IT=1.57× I（TAV） ＝157A ；
➢ 波形相应旳电流有效值：
▪ Ⅲ+ 触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为正，T2为 负。特征曲线在第Ⅲ象限。
▪ Ⅲ- 触发方式：主极T1为负，T2为正；门极电压G为负，T2为 正。特征曲线在第Ⅲ象限。
二极管和晶体管
二极管和晶体管
二极管和晶体管都是电子元件,常用于电路中控制电流的流动。
二极管是一种电子元件,可以单向导电,即当正极连接到二极管的“+”端时,负极连接到二极管的“-”端时,二极管会导通,而当反向电压作用于二极管上时,它并不会导通。
二极管通常用于控制电流的流动,例如在电路中的开关控制和稳压器中。
晶体管是一种双极型电子元件,由三个区域组成:基区、发射区和集电极。
当电压作用于基区时,它会形成一个电子流,经过发射极流向集电极。
晶体管可以用于控制电流的流动和放大信号,它的放大倍数很高,因此被广泛应用于电子设备中。
二极管和晶体管都有各自的优点和缺点,例如二极管可以单向导电,但晶体管的放大倍数更高。
在实际应用中,二极管和晶体管需要根据具体情况进行选择和使用。
晶体管基础知识
前言集成电路只有在高倍放大的情况下才能看到它的真面目。
它的表面到处是错综复杂的细微的连线，而在这下面则是同样错综复杂的掺杂硅的图形，所有这些都是按照一套称作layout的蓝图做出来的。
模拟和混合信号集成电路的layout很难做到自动化。
每个多边形的shape和placement都需要对器件物理，半导体制造和电路理论的深刻理解。
尽管已经有30年的研究了，但仍旧有许多不确定性。
这些知识分布在艰涩难懂的期刊文章和未出版的手稿里。
本书则把这些知识整体统一串连了起来。
原本这本书是打算写给LAYOUT设计师看的，同时它也适合那些希望更好的理解电路和LAYOUT之间关系的电路设计师。
由于本书拥有大量的读者，特别是那些对于高等数学和固体物理学不是很精通的人，所以本书尽量降低了数学运算，并使用了最普遍使用的变量和单位。
读者只要会基本代数和基本的电子学就可以。
书中的练习假定读者能使用LAYOUT编辑软件，不过即使没有，大部分习题还是能用笔和纸完成的。
本书有14章和5篇附录。
前2章是对器件物理学和半导体工艺的一个整体概括。
在这2章里，简单的文字解释和图形模型代替了数学推导。
第3章是关于3种原型工艺：标准BIPOLAR, SILICON-GATE CMOS 和ANALOG BICOMS。
重点将放在截面图和这些截面图与样品器件的传统layout之间的相互关系。
第4章着重讨论了LAYOUT在决定可靠性方面的作用和通常的失效机制。
第5和6章则是电阻和电容的LAY OUT。
第7章以电阻和电容为例讨论了匹配的原理。
第8章到第10章是BIPOLAR器件的LAYOUT，而第11，12章有关场效应管的LAYOUT和匹配。
第13，14章讨论了一些更深入的话题，包括器件合并，G UARD RINGS，ESD保护结构和FLOORPLANNING。
附录则包含缩写表，MILLER指数的讨论，习题中需要的样例LAYOUT规则和书中使用的公式的推导。
14第三章晶体管效应(3.6-3.7)
2、最大耗散功率PCM与哪些因素有关
当晶体管加有电压和电流时，由于电流的热效应，晶体管要消 耗一定的功率而发热。管芯发热之后，就会通过周围环境散热。 散热的路径有：热辐射、热对流和热传导，而对功率晶体管来 说，主要是靠热传导。根据热传导的基本原理，当管芯上消耗 功率而发生的热量与散发出去的热量相等时，管芯的温度就达 确定值，此时有：
2021/6/18
3、热阻 RT
当晶体管工作时，集电结产生的热量要散发到周围空间中去，也会遇到一 种阻力，把这种阻力叫“热阻”。散发热量的阻力越小，也就是热阻越小， 则热量越容易散发至周围空间。热阻RT 是表征晶体管工作时所产生的热量 向外散发的能力，它表示晶体管散热能力的大小。
RT
1 K
热导 PCK(Tj Ta)
R jc
T jM T c P CM
R cs
Tc Ts P CM
R sa
Ts Ts P CM
Rj0 Rjc
晶体管的等效热路
Rc0 RcsRSsa
RTTjP M C T M aRjcRcsRsa
2021/6/18
降低热阻的措施
1、降低内热阻：
通过减小硅片、焊片和钼片的热阻来实现，即可以通过适当减 薄硅片和钼片厚度，增大集电结面积或周界长度来减小内热阻。
2021/6/18
电流集聚减少了晶体管的有源区的有效面积。为了减小这种效 应，功率晶体管通常设计成具有高的周界面积比。
2021/6/18
中功率双极型晶体管指状交叉图形
在很大的电流范围内，可用一个恒定的电阻表示有源区。有源 和无源基极电阻的总和称为基极扩展电阻rbb/。若晶体管的几何 形状可知，则可计算基极扩散电阻。在通常情况下，晶体管基 区被划分为若干部分。 条状晶体管的基极扩散电阻， 近似表示为：
电子线路第14章
二极管在状态转换时需要一定的时间，即开 关时间。二极管的开关时间主要决定于二极管从 导通到截止的时间，即反向恢复时间。测试表明， 一般二极管的反向恢复时间在纳秒（ns）数量级 （1ns=10−9s）。例如，2CK系列硅开关二极管的 1ns=10−9s 2CK 开关时间为5ns，2AK系列锗开关二极管的开关时 间是150ns。
1 + 3 VT 2 +
I C = I CS =
VCC 12 = ≈ 1.76(mA) RC 6.8
U O = U CES ≈ 0.3 V
由此可见，Rb 、 RC 、β等参数都 由此可见 ， 等参数都 能决定三极管是否饱和。 能决定三极管是否饱和。
UI
-
100kΩ
U\= O
-
U I VCC ＞ 饱和条件可写为： 饱和条件可写为： Rb βRC
K
IF
RL
(2)加反向电压 二极管截止， 可忽略。 (2)加反向电压VR时，二极管截止，反向电流IS可忽略。二 极管相当于一个断开的开关。 极管相当于一个断开的开关。
VD K
UR
IS
RL
UR
RL
可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压u 控制的开关。 可见，二极管在电路中表现为一个受外加电压 i控制的开关。 受外加电压 当外加电压u 为一脉冲信号时， 当外加电压 i 为一脉冲信号时 ， 二极管将随着脉冲电压 的变化在“ 态与“ 态之间转换。 的变化在 “ 开 ” 态与 “ 关 ” 态之间转换 。 这个转换过程 就是二极管开关的动态特性 动态特性。 就是二极管开关的动态特性。
uI
-
iB e
u CE
-
小于三极管发射结死区电压时， ≈0， （1）截止状态：当uI小于三极管发射结死区电压时，IB＝ICBO≈0， 截止状态： ≈0， 三极管工作在截止区，对应图中的A IC＝ICEO≈0，uCE≈VCC，三极管工作在截止区，对应图中的A点。 三极管工作在截止状态的条件为： 三极管工作在截止状态的条件为：发射结反偏或小于死区电压
(完整word版)电子技术基础
《电子技术基础》课程学习指导书第14章 半导体二极管和三极管一、选择题：14.1 半导体的导电能力（ c )。
(a) 与导体相同 （b) 与绝缘体相同 (c) 介乎导体和绝缘体之间14。
2 P 型半导体中空穴数量远比电子多得多，因此该半导体应（ c )。
(a ） 带正电 (b ） 带负电 （c) 不带电 14。
3 N 型半导体的多数载流子是电子，因此它应（ c ）. （a) 带负电 （b ） 带正电 (c) 不带电14.4 将PN 结加适当的反向电压，则空间电荷区将（ b ）。
(a ） 变窄 （b ） 变宽 (c) 不变 14。
5 普通半导体二极管是由( a )。
(a ）一个PN 结组成 （b ）两个PN 结组成 （c ）三个PN 结组成14。
6 电路如图所示，直流电压U I =10 V,稳压管的稳定电压U Z =6 V ，则限流电阻R 上的压降U R 为（ c ）。
(a)10V （b ）6V （c)4V (d ）—4VRO14。
7 电路如图所示，已知u I=3V，则晶体管T此时工作在（ b )。
（a)放大状态 (b）截止状态 (c）饱和状态10V1kΩβ=50二、填空题：14。
8 半导体二极管的主要特点是具有单向导电性 .14。
9 理想二极管的正向电阻为 0 .14.10 理想二极管的反向电阻为无穷大 .14。
11 二极管导通的条件是加在二极管两端的电压是正向电压大于PN结的死区电。
14。
12 N型半导体中的多数载流子是自由电子。
14。
13 P型半导体中的多数载流子是空穴。
三、计算题14.14 电路如图所示，二极管D为理想元件，U S=5 V，求电压u O。
u OUo=Us=5V14.15 电路如图所示，二极管为理想元件，u i=3sin ωt V ，U =3V ，当ωt =0瞬间,求输出电压u O 。
u OUo=0v14。
16 电路如图所示，输入信号u i=6sin ωt V 时，求二极管D 承受的最高反向电压。
第14章 半导体器件
14.2
PN结及其单向导电性
1.PN结的形成 2.PN结的单向导电性 3.PN结的伏安特性
PN结是构成半导体器件的核心结构。 PN结是指使用半导体工艺使N型和P型半导体结合处所 形成的特殊结构。 PN结是半导体器件的心脏。
PN结的形成
在一块本征半导体的两侧通过扩散不同的 杂质，分别形成N型半导体和P型半导体。
半导体中的两种电流
1.漂移电流：由载流子的漂移运动形成的电流。 漂移运动：由电场力引起的载流子定向运动。 2.扩散电流：由载流子的扩散运动形成的电流。 扩散运动：由于载流子浓度不均匀（浓度梯度） 造成的运动。 以上2种电流的方向与载流子的方向有关。 空穴电流的方向与运动方向一致。 电子电流的方向与运动方向相反。
第14章 半导体器件
14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 14.6 半导体的导电特性 PN结及其单向导电性 二极管 稳压二极管 双极型晶体管 光电器件
对于元器件，学习重点放在特性、参数、技术指 标和正确使用方法，不过于追究其内部机理。讨 论器件的目的在于应用。 学会用工程观点分析问题，就是根据实际情况, 对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的 近似,以便用简便的分析方法获得具有实际意义 的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标, 就不要过分追究精确的数值。工程上允许一定的 误差，可采用合理估算的方法。
14.1 半导体的导电特性
本征半导体 杂质半导体 半导体中的电流
物质按导电性能分类
导体（＞105） 绝缘体（ 10-22 ~10-14 ） 半导体，是指电阻率介于金属和绝缘体之间并有 负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率 约在10-9~ 102欧· 米之间，温度升高时电阻率指数 则减小。如硅、锗等，半导体之所以得到广泛应 用，是因为它的导电能力受掺杂、温度和光照的 影响十分显着。