半导体二极管的结构课件

第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 自然界中的物质按导电能力强弱的不同，可分为导体、绝缘体和半导体3大类。半导体定义及分类 半导体是导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。常用的半导体材料有锗（Ge）、硅（Si）和砷（As）等。完全纯净的、不含杂质的半导体叫做本征半导体。如果在本征半导体中掺入其他元素，则称为杂质半导体。自然界中的物质按导电能力强弱的不同，可分为导体第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 本征半导体有两种导电的粒子，一种是带负电荷的自由电子，另一种是相当于带正电荷的粒子空穴。自由电子和空穴在外电场的作用下都会定向移动而形成电流，所以人们把它们统称为载流子。在本征半导体中，每产生一个自由电子，必然会有一个空穴出现，自由电子和空穴成对出现，这种物理现象称为本征激发。由于常温下本征激发产生的自由电子和空穴的数目很少，所以本征半导体的导电性能比较差。但当温度升高或光照增强时，本征半导体内的自由电子运动加剧，载流子数目增多，导电性能提高，这就是半导体的热敏特性和光敏特性。在本征半导体中掺入微量元素后，导电性能会大幅提高，这就是半导体的掺杂特性。在本征半导体中掺入不同的微量元素，就会得到导电性质不同的半导体材料。根据半导体掺杂特性的不同，可制成两大类型的杂质半导体，即P型半导体和N型半导体。本征半导体有两种导电的粒子，一种是带负电荷的自第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路N型半导体 在本征半导体硅（或锗）中掺入少量的五价元素，例如磷（P）P型半导体 在本征半导体中掺入少量的三价硼（B）元素N型半导体P型半导体第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管、可控硅和半导体集成电路等多种半导体器件的基础。PN结具单向导电特性。PN结是构成半导体二极管、三极管、场效应管、第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 P型和N型半导体结合面两侧同类型的载流子存在浓度差，N型区的多子自由电子向P型区扩散，并与P型区的空穴复合如图，这样N型区由于失去电子而出现带正电的杂质层，P型区由于得到电子而出现带负电的杂质层，因此在交界面两侧形成一个带异性电荷的薄层，称为空间电荷区，即PN结。PN结形成 P型和N型半导体结合面两侧同类型的载流子存在浓第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路6.1 二极管及其应用二极管及其应用6.1.1 二极管的单向导电性二极管的单向导电性 在PN结两端分别引出一个电极，外加管壳即构成晶体二极管，又称为半导体二极管。1半导体二极管的结构半导体二极管的结构 按照内部结构的不同，半导体二极管可分为点接触型二极管和面接触型二极管两类。点接触型二极管结构如图（a）所示。其特点是PN结的面积小、允许通过的电流小，但结电容小，因此，一般用作高频信号的检波和小电流的整流，也可用作脉冲电路的开关管。面接触型二极管结构如图（b）所示。其特点是PN结的面积大、能承受较大的电流，但结电容大，主要用于低频电路和大功率的整流电路。二极管工作原理6.1 二极管及其应用6.1.1 二极管的单向导电性 第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路半导体二极管的结构类型二极管的电路符号二极管的电路符号第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路下图为伏安特性测试电路 2 二极管的伏安特性二极管的伏安特性(a)二极管正向导通 (b)二极管反向截止下图为伏安特性测试电路 2 二极管的伏安特性(a)二第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路锗二极管的伏安特性(1)二极管正向、反向偏置特性二极管伏安特性锗二极管的伏安特性(1)二极管正向、反向偏置特性二极管伏安第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路(2)二极管的主要参数1、最大整流电流IF 表示允许通过二极管的最大的正向平均电流，超过此电流，将因管子超过限度而烧坏PN结。一般点接触型二极管的最大整流电流在几十毫安以下，面结合型二极管的最大整流电流可达数百安培以上，有的甚至可达几千安培以上。2、最大反向电压URM 最大反向电压是指保证二极管不被击穿而给出的最高反向工作电压，通常是反向击穿电压的一半或三分之一。3、最大反向电流IRM 最大反向电流是指二极管加最大反向电压时的反向电流值。(2)二极管的主要参数1、最大整流电流IF第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路1.稳压二极管稳压二极管（1）稳压二极管及其伏安特性 给稳压二极管加反向电压，使它工作在电击穿区域，反向电流虽然在很大范围内变化。但稳压二极管两端的电压变化很小，利用这一性质稳压二极管在电路中可以实现稳压作用。6.1.2 特殊二极管特殊二极管1.稳压二极管 给稳压二极管加反向电压，使它工第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路（2）稳压二极管的主要参数稳定电压UZ 稳定电压UZ就是稳压二极管在正常工作时管子两端的电压。稳定电流IZ 稳压管正常使用起码的工作电流。最大允许耗散功率PM 稳压管所允许的最大功耗，超过此值，管子将会过热击穿损坏。（2）稳压二极管的主要参数稳定电压UZ第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路2.发光二极管发光二极管 发光二极管简称为LED管，是由镓（Ga）、砷（As）、磷（P）等化合物制成的，用这些材料制成的PN结，加上正偏电压，将电能转化成光能而发光，2.发光二极管第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 当u2为正半周时，由于u20，u2的瞬时极性为a正b负，二极管VD承受正向电压而导通，iL=id，uL=u2。当u2为负半周时，由于u20，u2的瞬时极性为a负b正，二极管VD承受反向电压而截止，负载上流过的电流iL等于零，负载电压uL等于零。6.1.3 整流、滤波及稳压二极管稳压电路整流、滤波及稳压二极管稳压电路1.常用整流电路(1)单相半波整流电路 当u2为正半周时，由于u20，u2的瞬时极性为第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路电压的平均值为：电压的平均值是指一个周期内脉动电压的平均值，即：最高反向电压电流的平均值电压的平均值为：最高反向电压电流的平均值第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路(2)单相桥式整流电路(2)单相桥式整流电路第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 当u2为正半周时，由于u20，u2的瞬时极性为a正b负，VD1、VD3导通，VD2、VD4截止，电路形成回路，电流iL从a点VD1RLVD3b点；uL=u2，输出电压uL的波形与u2相同。当u2为负半周时，由于u20，u2的瞬时极性为b正a负，VD1、VD3截止，VD2、VD4导通，电路形成回路，电流iL从b点VD2RLVD4a点；uL=-u2，输出电压uL的波形与U2关于横轴对称。当u2为正半周时，由于u20，u2的瞬时极第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路（1）电压的平均值为：单相桥式整流电路的整流的输出电压是全波，所以输出电压的平均值UO比半波整流增加了一倍，即：（2）电流的平均值 流经每个二极管的电流平均值为负载电流的一半，即：（3）最高反向电压 单向半波整流电路中二极管截止时承受的最高反向电压就是变压器二次侧交流电压的幅值U2M。（1）电压的平均值为：（2）电流的平均值（3）最高反向电压第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路2.常用滤波电路常用滤波电路(1)电容滤波电路 2.常用滤波电路(1)电容滤波电路 第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路电感滤波电路的外特性较好，带负载能力较强，但体积比较笨重(2)电感滤波电路 电感滤波电路的外特性较好，带负载能力较强，但体积比较笨重(2第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路6.2 晶体管及其应用晶体管及其应用6.2.1 晶体管的电流放大特性晶体管的电流放大特性1.晶体管基本结构晶体管基本结构NPN型PNP型6.2 晶体管及其应用6.2.1 晶体管的电流放大特性1.晶第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路（1）产生放大作用的条件 内部：a）发射区杂质浓度基区集电区 b）基区很薄 外部：发射结正偏，集电结反偏（2）三极管内部载流子的传输过程 a）发射区向基区注入电子，形成发射极电流 iE b）电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流 iB c）集电区收集扩散过来的电子，形成集电极电流 iC（3）电流分配关系：IE=IC+IB 2.晶体管的电流放大特性晶体管的电流放大特性（1）产生放大作用的条件（2）三极管内部载流子的传输过程2.第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有。IB虽然很小，但对IC有控制作用，IC随IB的改变而改变，即基极电流较小的变化可以引起集电极电流较大的变化，表明基极电流对集电极具有小量控制大量的作用，这就是三极管的电流放大作用。实验表明IC比IB大数十至数百倍，因而有。I第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路3.特性曲线特性曲线(1)输入特性曲线3.特性曲线(1)输入特性曲线第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置截止区：发射结反向偏置，集电结反向偏置 饱和区：发射结正向偏置，集电结正向偏置(2)输出特性曲线输出特性曲线放大区：发射极正向偏置，集电结反向偏置截止区：发射结反向偏置第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路a)电流放大系数：iC=iBb)极间反向电流iCBO、iCEO：iCEO=（1+）iCBOc)极限参数 （1）集电极最大允许电流 ICM：下降到额定值的2/3时所允许的最大集电极电流。（2）反向击穿电压U（BR）CEO：基极开路时，集电极、发射极间的最大允许电压。（3）集电极最大允许功耗PCM。4.主要参数主要参数a)电流放大系数：iC=iB4.主要参数第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。6.2.2 共发射极放大电路共发射极放大电路1.共发射极基本放大电路的组成及工作原理共发射极基本放大电路的组成及工作原理放大的实质：用较小的信号去控制较大的信号。6.2.2 共发射第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路晶体管V。放大元件，用基极电流iB控制集电极电流iC。电源UCC和UBB。使晶体管的发射结正偏，集电结反偏，晶体管处在放大状态，同时也是放大电路的能量来源，提供电流iB和iC。UCC一般在几伏到十几伏之间。偏置电阻RB。用来调节基极偏置电流IB，使晶体管有一个合适的工作点，一般为几十千欧到几百千欧。集电极负载电阻RC。将集电极电流iC的变化转换为电压的变化，以获得电压放大，一般为几千欧。电容Cl、C2。用来传递交流信号，起到耦合的作用。同时，又使放大电路和信号源及负载间直流相隔离，起隔直作用。为了减小传递信号的电压损失，Cl、C2应选得足够大，一般为几微法至几十微法，通常采用电解电容器。晶体管V。放大元件，用基极电流iB控制集电极电流iC。第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路静态工作点不加基极偏置电压的放大器输出波形失真 工作点合适的放大器输出波形 静态工作点不加基极偏置电压的放大器输出波形失真 工作点合适的第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路共发射极放大电路放大原理共发射极放大电路放大原理第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路2.交流放大电路的静态分析与计算交流放大电路的静态分析与计算 对放大电路有了初步的认识后，就需要考虑静态工作点怎样设置，以及电路的放大倍数如何估算等问题，解决这一问题的方法称为放大电路的分析方法。对一个电路进行分析时，首先要进行静态分析，即分析未加输入信号时的工作状态，估算电路中各处的直流电压和直流电流-静态工作点。然后进行动态分析，即分析加上交流输入信号时的工作状态，估算放大电路的各项动态技术指标，如电压放大倍数、输入电阻、输出电阻等。放大电路的静态分析用于确定放大电路的静态值，即静态工作点Q：IBQ、ICQ、UCEQ。采用的分析方法是图解法、估算法，分析的对象是各极电压电流的直流分量，所用电路是放大电路的直流通路。静态是动态的基础，设置Q点是为了使放大电路的放大信号不失真，并且使放大电路工作在较佳的工作状态。2.交流放大电路的静态分析与计算 对放大电路第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路（1）用图解法确定静态值 图解法就是用作图的方法确定静态值，这个方法能直观地分析和了解静态值的变化对放大电路的影响。图解法确定静态值图解法确定共发射极放大电路静态值（1）用图解法确定静态值 第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路（2）用估算法确定静态值 由图6-20所示直流通路估算IBQ、ICQ、UCEQ。由基尔霍夫电压定律得 一般情况下，即 根据电流放大作用 由基尔霍夫电压定律得 （2）用估算法确定静态值 第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路（1）放大电路微变等效电路3.交流放大电路的动态分析与计算交流放大电路的动态分析与计算（1）放大电路微变等效电路3.交流放大电路的动态分析与计算第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路电压放大倍数式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时（2）动态参数计算电压放大倍数式中RL=RC/RL。当RL=（开路）时第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路输入电阻Ri输入电阻Ri第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路输出电阻 对于负载而言，放大器的输出电阻Ro越小，负载电阻RL的变化对输出电压的影响就越小，表明放大器带负载能力越强，因此总希望Ro越小越好。上式中Ro在几千欧到几十千欧，一般认为是较大的，也不理想。输出电阻 对于负载而言，放大器的输出电阻Ro第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路半导体二极管的结构课件第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路半导体二极管的结构课件第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路6.3.2 运算放大器应用电路运算放大器应用电路1反相比例运算电路反相比例运算电路虚断虚断虚地虚地平衡电阻平衡电阻若若则则iFR1Rfi1uIR+uou+u-6.3.2 运算放大器应用电路1反相比例运算电路虚断虚地第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路iFR1Rfi1uI1R uI2+uou+u-i2若若 Rf=R1=R2 则则 uO=(uI1+uI2)R=R1/R2/Rf平衡电阻平衡电阻R2 2反相加法运算电路反相加法运算电路iFR1Rfi1uI1RuI2+uou+u-第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 可可见同相比例运算同相比例运算电路的路的电压放大倍数放大倍数必定大于必定大于必定大于必定大于1 1，而且，而且仅仅由由由由外接外接外接外接电电阻的数阻的数阻的数阻的数值值来决定，与运放来决定，与运放来决定，与运放来决定，与运放本身的参数无关本身的参数无关本身的参数无关本身的参数无关。R1iFRfi1uIR2+uou+u-3同相运算电路同相运算电路 可见同相比例运算电路的电压放大倍数必定大于1，第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路R1iFRfi1uIR2+uou+u-上式表明：输出电压与输入电压之间也上式表明：输出电压与输入电压之间也存在着比例运算关系，且输出电压与输存在着比例运算关系，且输出电压与输入电压入电压相位相同相位相同相位相同相位相同。电压跟随器电压跟随器当当R1=，Rf =0 时时uI+uoR1iFRfi1uIR2+uou+u-上式表明：输第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+uou+u-当当时，时，和和4 差分运算电路差分运算电路得到iFR1R2Rfi1uI1R3uI2+uou+第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路iCRCiRuIR+uou+u-5.积分电路积分电路iCRCiRuIR+uou+u-5.积分电第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路iCRCiRuIR+uou+u-+6.微分电路微分电路iCRCiRuIR+uou+u-+6.微第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路半导体二极管的结构课件第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路6.4.1 反馈的分类及判别方法反馈的分类及判别方法1负反馈的基本类型负反馈的基本类型（a）电压串联负反馈（b）电压并联负反馈（c）电流串联负反馈（d）电流并联负反馈6.4.1 反馈的分类及判别方法1负反馈的基本类型（a）电第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 从放大电路输出回路中取出部分或全部的输出信号，从放大电路输出回路中取出部分或全部的输出信号，通过适当的途径回送到输入端，对输入信号进行调控的通过适当的途径回送到输入端，对输入信号进行调控的过程称为过程称为反馈反馈。基本放大电路基本放大电路A取样取样Xid比较比较X0Xi反馈电路反馈电路FXF 基本放大电路的输入基本放大电路的输入信号信号(净输入信号净输入信号)放大电路放大电路输出信号输出信号 反馈信号反馈信号含反馈的放大含反馈的放大电路输入信号电路输入信号6.4 放大放大电路中的路中的负反馈负反馈6.4.1 负反馈原理负反馈原理 从放大电路输出回路中取出部分或全部的输出信号第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能使净输入信号增强的反馈使净输入信号增强的反馈称为称为正反馈正反馈；使净输入信号削弱的反馈使净输入信号削弱的反馈称为称为负反馈负反馈。放大电路中普遍采用的形式是负反馈。放大电路中普遍采用的形式是负反馈。根据反馈网络与基本放大电路在输出、输入端连接方式的不同，负根据反馈网络与基本放大电路在输出、输入端连接方式的不同，负反馈放大电路的反馈形式可分为四种类型：反馈放大电路的反馈形式可分为四种类型：1、电压串联负反馈；、电压串联负反馈；2、电压并联负反馈；、电压并联负反馈；3、电流串联负反馈；、电流串联负反馈；4、电流并联负反馈。、电流并联负反馈。1.负反馈的基本类型负反馈的基本类型6.4.2 负反馈类型及判别负反馈类型及判别 反馈分有正反馈和负反馈两种形式：能使净输入信第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 判断反馈类型的方法：判断反馈类型的方法：判断反馈类型的方法：判断反馈类型的方法：凡反馈信号取自输出电压信号的称凡反馈信号取自输出电压信号的称电压反馈电压反馈；凡反馈信号取自输出电流信号的称凡反馈信号取自输出电流信号的称电流反馈电流反馈。凡反馈信号在输入端与输入信号相串联的称为凡反馈信号在输入端与输入信号相串联的称为串联反馈串联反馈；凡反馈信号在；凡反馈信号在输入端与输入信号相并联的称为输入端与输入信号相并联的称为并联反馈并联反馈。2.反馈类型的判别反馈类型的判别 判断反馈类型的方法：凡反馈信号取自输出电压信第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路ui电压反馈电压反馈电压串联负反馈电压串联负反馈u0RLF FA A串联反馈串联反馈ui电压反馈电压反馈电压并联负反馈电压并联负反馈u0RLF FA A并联反馈并联反馈ui电流反馈电流反馈电流串联负反馈电流串联负反馈i0串联反馈串联反馈RLF FA Aui电流反馈电流反馈电流并联负反馈电流并联负反馈并联反馈并联反馈RLF FA Ai0ui电压反馈电压串联负反馈u0RLFA串联反馈ui电压反馈电第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路6.4.3 负反馈对放大电路性能的影响负反馈对放大电路性能的影响 放大电路引入负反馈，一般都会造成电压放大倍数放大电路引入负反馈，一般都会造成电压放大倍数Au的下降，反馈电的下降，反馈电压压IeRe越大，电压放大倍数下降越多。虽然负反馈引起越大，电压放大倍数下降越多。虽然负反馈引起Au的下降，但换来的的下降，但换来的却是放大电路稳定性的提高。对放大电路来讲，提高却是放大电路稳定性的提高。对放大电路来讲，提高稳定性至关重要稳定性至关重要。6.4.3 负反馈对放大电路性能的影响 放大电路引第六章第六章晶体管及其晶体管及其应用用电路路 采用负反馈提高放大电路的稳定性，从本质上讲，是采用负反馈提高放大电路的稳定性，从本质上讲，是利用失真的波形利用失真的波形来改善波形的失真来改善波形的失真。实际上并不能使波形失真完全消除。实际上并不能使波形失真完全消除。引入负反馈，可引入负反馈，可扩展放大电路的通频带扩展放大电路的通频带；若电路在深度负反馈条件下；若电路在深度负反馈条件下且反馈网络为纯电阻性，又可且反馈网络为纯电阻性，又可减小放大电路的非线性失真减小放大电路的非线性失真；负反馈还可；负反馈还可抑抑制反馈环内的噪声和干扰制反馈环内的噪声和干扰。注意：注意：注意：注意：并联负反馈减小输入电阻；串联负反馈提高输入电阻；电压负并联负反馈减小输入电阻；串联负反馈提高输入电阻；电压负反馈减小输出电阻；电流负反馈反馈减小输出电阻；电流负反馈增大增大输出电阻。应根据用途的不同合理选输出电阻。应根据用途的不同合理选择适当的反馈形式。择适当的反馈形式。采用负反馈提高放大电路的稳定性，从本质上讲，