半导体二极管和三极管课件

第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管9.2 半导体二极管半导体二极管 9.3 稳压管稳压管9.4 半导体三极管半导体三极管9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性共价键共共价键共用电子对用电子对（束缚电子）束缚电子）+4+4+4+4+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性半导体半导体 硅和锗的共价键结构硅和锗的共价键结构由于热激发由于热激发, ,少量价电子获得足够的能量而脱离共少量价电子获得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为价键的束缚，成为自由电子自由电子，同时共价键上留下一个空，同时共价键上留下一个空位，称为位，称为空穴空穴。（本征激发）。（本征激发）1) 1) 载流子：载流子：( (自由电子和空穴自由电子和空穴) )+4+4+4+4自由电子自由电子空穴空穴束缚电子束缚电子9.1.1 9.1.1 本征半导体本征半导体2) 本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理+4+4+4+4 * 空穴吸引附近的电子空穴吸引附近的电子来填补来填补（复合）（复合）, , 相当于相当于空穴的迁移，可以认为空穴空穴的迁移，可以认为空穴是载流子。空穴带正电核，是载流子。空穴带正电核，空穴子移动形成电流。空穴子移动形成电流。本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子自由电子和和空穴空穴。 * 电子定向移动形成电流。电子定向移动形成电流。 * 温度越高，载流子的浓度温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电越高。因此本征半导体的导电能力越强能力越强在外电场的作用下，在外电场的作用下，+4+4+3+4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。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。9.1.2 9.1.2 N 型半导体和型半导体和P 型半导体型半导体+4+4+5+4多余多余电子电子磷原子磷原子N 型半导体型半导体掺入少量的五价元素磷掺入少量的五价元素磷多数载流子多数载流子:自由电子自由电子少数载流子少数载流子:空穴空穴P 型半导体型半导体掺入少量的三价元素硼掺入少量的三价元素硼多余多余空穴空穴硼原子硼原子多数载流子多数载流子:空穴空穴少数载流子少数载流子:自由电子自由电子9.1.3 PN 结及其单向导电性结及其单向导电性1 1、PN PN 结的形成结的形成 用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上，形成 P 型半导体型半导体区域和区域和 N 型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成了一个特型半导体区域，在这两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层，称为殊的薄层，称为 PN 结。结。 P 区区N 区区N区的区的电子向电子向P区扩散区扩散并与空并与空穴复合穴复合PN 结结内电场方向内电场方向PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+IR+9.2 半导体二极管半导体二极管9.2.1 基本结构基本结构 将将 PN 结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极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，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型点接触型表示符号表示符号正极正极负极负极金锑合金金锑合金面接触型面接触型N型锗型锗 正极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳9.2.2 9.2.2 伏安特性伏安特性反向击穿电压反向击穿电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+9.2.3 主要参数主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URWM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿反向击穿电压的一半或三分之二。电压的一半或三分之二。 3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 二极管的应用：二极管的应用： 主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。 解解 因为因为 VA 高于高于VB ，所以，所以DA 优先导通。如果二极管的正向优先导通。如果二极管的正向压降是压降是 0.3 V，则，则 VY = + 2.7 V。当当 DA 导通后导通后, DB 因反偏而截止。因反偏而截止。 在这里，在这里，DA 起钳位作用，起钳位作用，将输出端电位钳制在将输出端电位钳制在 + 2.7 V。 例例 9.2.1 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。DA 12VYVAVBDBR二极管：二极管：死区电压死区电压=0 .5V，正向压降，正向压降 0.7V(硅二极管硅二极管) 理想二极管：理想二极管：死区电压死区电压=0 ，正向压降，正向压降=0 RLuiuouiuott二极管的应用举例二极管的应用举例 1：二极管半波整流二极管半波整流V sin18itu t 动画动画IZmax+-稳压二极管符号稳压二极管符号UIUZIZ稳压二极管特性曲线稳压二极管特性曲线IZmin当稳压二极管工作当稳压二极管工作在反向击穿状态下在反向击穿状态下,当工作电流当工作电流IZ在在Izmax和和 Izmin之间时之间时,其两端电压近似为其两端电压近似为常数常数正向同正向同二极管二极管稳定稳定电流电流稳定稳定电压电压9.3 稳压二极管稳压二极管稳压管是工作于反向击穿区的特殊的半导体二极管稳压管是工作于反向击穿区的特殊的半导体二极管（4）稳定电流稳定电流IZ、最大、最小稳定电流最大、最小稳定电流Izmax、Izmin。（5）最大允许功耗）最大允许功耗maxZZZMIUP（1）稳定电压稳定电压 UZ（2）电压温度系数电压温度系数 U（%/） 稳压值受温度变化影响的的系数。稳压值受温度变化影响的的系数。（3）动态电阻）动态电阻ZZIUZr稳压二极管的参数稳压二极管的参数: 例例 9.3.1 图中通过稳压管的电流图中通过稳压管的电流 IZ 等于等于多少？多少？R 是限流电阻，其值是否合适？是限流电阻，其值是否合适？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mAIZ例例 1 的图的图IZ IZM ，电阻值合适。，电阻值合适。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I稳压管的应用稳压管的应用要有合适的限流电阻要有合适的限流电阻R, Izmax Iz zmin半导体三极管半导体三极管: : 是具有电流放大功能的元件是具有电流放大功能的元件NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC9.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理EEBRBRC 三极管内部载流子的运动规律三极管内部载流子的运动规律BECNNPVEERBVCCIEIBEICEICBOJCJEBECNNPVEERBVCCIEIBEICEICBOJCJEICIB2. 三极管的电流分配关系ICICE ICBOIBIBE ICBOIEIC IBCEOBCBOBCBOCBOBCBOBECBOCECIIIIIIIIIIII )1( )( 得：得：令：令：IC E/ IBE共发射极电流放大系数共发射极电流放大系数放大系数放大系数称为静态（直流）电流称为静态（直流）电流 IIBC2、共发射极电流放大系数、共发射极电流放大系数放大系数放大系数称为动态（交流）电流称为动态（交流）电流 IIBC 在放大状态下三极管具有电流放大作用在放大状态下三极管具有电流放大作用定义：定义：高频小功率高频小功率三极管三极管为几十至几百为几十至几百3、电流分配关系：、电流分配关系：当当 IB = 0( (将基极开路将基极开路) )时，时，IC = ICEO，ICEO 0，UBC UBE。BCII ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEB共发射极电路共发射极电路IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 饱和区饱和区截止区截止区( (2) ) 截止区截止区 IB = 0 的曲线以下的的曲线以下的区域称为截止区。区域称为截止区。IB = 0 时时, IC = ICEO( (很小很小) )。对。对 NPN 型硅管，当型硅管，当UBE 0.5 V 时，即已开始截止，但时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，为了使晶体管可靠截止，常使常使 UBE 0，截止时集，截止时集电结也处于反向偏置电结也处于反向偏置( (UBC 0) )，此时此时, IC 0 ，UCE UCC 。( (3) ) 饱和区饱和区 当当 UCE 0) )，晶体晶体管工作于饱和状态。在饱和区，管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和和 IB 不成正比。此时，发不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示晶体管的三种工作状态如下图所示+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0 IB+ UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止开始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值9.4.4 主要参数主要参数1. 电流放大系数电流放大系数 ， 当晶体管接成共发射极电路时，在静态当晶体管接成共发射极电路时，在静态( (无输入信号无输入信号) )时集时集电极电流与基极电流的比值称为电极电流与基极电流的比值称为静态电流静态电流( (直流直流) )放大放大系数系数 BCII 当晶体管工作在动态当晶体管工作在动态( (有输入信号有输入信号) )时，基极电流的变化时，基极电流的变化量为量为 IB ，它引起集电极电流的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与与 IB的比值称为的比值称为动态电流动态电流( (交流交流) )放大系数放大系数 BCII 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下较小的情况下,可近似认为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。 2. 集集基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3. 集集射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路是当基极开路( (IB = 0) )时的集电极电流，也称为穿透时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。电流，其值越小越好。 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 。 5. 集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集称为集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 。 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区 由由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确定晶体管三者共同确定晶体管的安全工作区。的安全工作区。本章结束本章结束