第7章二极管及三极管.ppt

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1、,（下）,第1章 半导体二极管和三极管,电工技术与电子技术,返回,第15章 半导体二极管和三极管,返回,后一页,1.3 半导体二极管,1.4 稳压二极管,1.5 半导体三极管,1.2 PN结,1.1 半导体的导电特性,返回,前一页,后一页,第15章 半导体二极管和三极管,本章要求： 一、了解PN的单向导电性、二极管的特性和 主要参数。 二、了解稳压管的稳压性能和主要参数。 三、了解三极管的电流放大作用、特性和主 要参数。 四、会根据二极管的单向导电性分析含有二 极管的电路。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确使用方法，不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。 学会用工程观点

2、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。 器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算的方法。,前一页,后一页,返回,15.1 半导体的导电特性,半导体的特性：,(可制成温度敏感元件，如热敏电阻),掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 其导电能力明显改变。,光敏性：当受到光照时，其导电能力明显变化。 (可制成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能

3、力显著增强。,前一页,后一页,返回,1.1.1 本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,硅和锗的晶体结构,前一页,后一页,返回,硅和锗的共价键结构,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。,前一页,后一页,返回,自由电子,空穴,束缚电子,在常温下，由于热激发，使一些价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键上留下一个空位，称为空穴（带正电）。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,前一页,后一页,返回,本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴吸引临近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移。,空穴的迁移相当于正电荷的

4、移动，因此可以认为空穴是载流子。,因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和空穴很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,当半导体外加电压时，在电场的作用下将出现两部分电流： 1）自由电子作定向移动 电子电流 2）价电子递补空穴 空穴电流,前一页,后一页,返回,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴。,温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,跳转,前一页,后一页,返回,1.1.2 N型半导体和P型半导体,N 型

5、半导体,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。 自由电子称为多数载流子（多子）， 空穴称为少数载流子（少子）。,多余电子,磷原子,掺入五价元素,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,返回,前一页,后一页,前一页,后一页,P 型半导体,掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。 空穴称为多数载流子（多子）， 自由电子称为少数载流子（少子）。,硼原子,空穴,掺入三价元素,接受一个电子变为负离子,返回,杂质半导体的示意表示法,前一页,后一页,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,返回,1. 在杂质半导体中多子的数量

6、与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ， N 型半导体中的电流主要是 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,前一页,后一页,返回,1.2 PN 结,1.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,空间电荷区,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,空

7、间电荷区也称 PN 结,前一页,后一页,返回,前一页,后一页,二、 PN结的单相导电性,PN 结变窄,P接正、N接负,U,P,N,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN结正向电阻较小，正向电流较大，PN结处于导通状态。,返回,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,U,P,N,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,PN 结变宽,P接负、N接正,PN结反向电阻较大，反向电流很小，PN结处于截止状态。,温度越高少子的数量越多，反向电流将随温度增加,前一页,后一页,返回,PN 结的单向导电性,1、PN 结加正向电压（正向偏置，P 接正、N

8、接负 ）时， PN 结处于正向导通状态，PN 结正向电阻较小，正向电流较大。,2、PN 结加反向电压（反向偏置，P接负、N 接正 ）时， PN 结处于反向截止状态，PN 结反向电阻较大，反向电流很小。,前一页,后一页,返回,1.3 半导体二极管,1.3.1 基本结构,（a）点接触型,1. 结构 ：按结构可分三类,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,前一页,后一页,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,返回,1.3 半导体二极管,二极管的结构示意图,

9、2. 符号：,阳极,阴极,VD,前一页,后一页,返回,1.3.1 伏安特性,前一页,后一页,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,死区电压,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,非线性,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,硅0.60.8V,锗0.20.3V。,返回,1.3.3 主要参数,1、最大整流电流 IOM,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2、反向工作峰值电压 URWM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压U(BR)的一半或三分之

10、一。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3、反向峰值电流 IRM,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差， IRM受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。,前一页,后一页,返回,二极管的单向导电性,前一页,后一页,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压二极管

11、被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,返回,二极管电路分析举例,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正，二极管导通（正向偏置） 若 V阳 V阴或 UD为负，二极管截止（反向偏置）,前一页,后一页,返回,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳 V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,后一页,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,跳转,返回,两个二极管的阴

12、极接在一起 求：UAB 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳 =0 V ，V1阴 = V2阴 = 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 VD2 优先导通， VD1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,VD,6V,12V,3k,B,A,VD2,VD1承受反向电压为6 V,流过VD2的电流为,例2:,前一页,后一页,UAB,+,返回,ui 8V 二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V 二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,参考点,8V,例3,二

13、极管的用途： 整流、检波、限幅、箝位、开关、元件保护、温度补偿等。,前一页,后一页,D,8V,R,uo,ui,+,+,返回,1.4 稳压二极管,前一页,后一页,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,+ ,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,返回,3. 主要参数,前一页,后一页,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流IZ 、最大稳定电流 IZM,(5

14、)最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,返回,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,前一页,后一页,返回,发光二极管,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高，电流为几 几十mA,符号,前一页,后一页,返回,1.5 半导体三极管,1.5 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,后一页,前一页,返回,后一页,前一页,集电区：面积最大,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,返回,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管

15、,型号：,3A、3C是PNP,3B、3D是NPN,3A、3B是锗管,3C、3D是硅管,后一页,前一页,返回,1.5.2 电流放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP VBVE VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE,集电结反偏 VCVB,后一页,前一页,返回,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论,1）三电极电流关系 IE = IB + IC 2） IC IE ， IC IB 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,跳转

16、,后一页,前一页,返回,3. 三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,后一页,前一页,返回,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC=ICE+ICBOICE,后一页,前一页,IB=IBE-ICBOIBE,返回,ICE 与IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流 温度 ICEO,常用公式,后一页,前一页,返回,1.

17、5.3 特性曲线,即管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线： 1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,后一页,前一页,返回,实验线路,输入回路,输出回路,发射极是输入、输出回路的公共端,EB,IC,mA,A,UCE,UBE,RB,IB,EC,共发射极电路,后一页,前一页,返回,1. 输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5V，锗管0.2V。,工作压降： 硅UBE 0.60.7V, 锗UBE 0.20.3V。,后一页,前

18、一页,返回,2. 输出特性,IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,当UCE 大于一定的数值时，IC只与IB有关，即IC=IB。,后一页,前一页,此区域满足IC=IB 称为线性区（放大区），具有恒流特性。,返回,UCEUBE,集电结正偏，IBIC，称为饱和区。 深度饱和时硅管UCES0.3V,此区域中IC受UCE的影响较大,后一页,前一页,返回,此区域中: IB= 0,IC =ICEO, UBE 死区电压，称为截止区。,后一页,前一页,跳转,为可靠截止，常取发射结零偏压或反偏压。,返回,输出特性可划分为三个区，分别代表晶体 管的三种工作状态。,1）放大区(线性区，具有恒流特性)放大

19、状态 IC =IB ，发射结正偏、集电结反偏。,2）截止区（晶体管处于截止状态）开关断开 IB=0，IC=ICEO0，UBE 死区电压 发射结反偏或零偏、集电结反偏。,3）饱和区(管子处于饱和导通状态)开关闭合 IBIC， UCEUBE, 发射结正偏，集电结正偏。,后一页,前一页,返回,1.5.4 主要参数,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。,直流电流放大系数：,1. 电流放大系数和 ,交流电流放大系数：,后一页,前一页,返回,例： UCE=4.7 V时， IB=30A, IC=1.48mA； IB=45 A, IC=2.2mA。,在以后的

20、计算中，一般作近似处理： =,后一页,前一页,返回,2. 集-基极反向饱和电流 ICBO,ICBO是通过集电结，由少数载流子的漂移形成的反向电流，受温度变化的影响。,ICBO,后一页,前一页,返回,3. 集-射极穿透电流 ICEO,ICEO,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。,跳转,后一页,前一页,返回,4. 集电极最大允许电流ICM,5. 集-射极反向击穿电压 BU(BR)CEO,集电极电流IC上升会导致三极管的值的 下降，当 值下降到正常值的三分之二时 的集电极电流即为 ICM。,当集射极之间的电压 UCE 超过一定的数 值时

21、，三极管就会被击穿。手册上给出的数 值是25C、基极开路时的击穿电压BU (BR) CEO。,后一页,前一页,返回,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,三极管工作时消耗的功率为： PC = IC UCE,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率 过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM,硅管允许结温约为150C，锗管允许结温约为 7090C。,后一页,前一页,返回,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,后一页,前一页,返回,晶体管参数与温度的关系,1、温度每增加10C，ICBO增大一倍。硅管优 于锗管。,2、温度每升高 1C，UBE将减小 （22.5）mV， 即晶体管具有负温度系数。,3、温度每升高 1C， 增加 0.5%1.0%。,后一页,前一页,返回,