电工学教案-半导体二极管和三极管

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,哈尔滨工业大学,电工学教研室,第15章,半导体二极管和三极管,返回,半导体的导电特性,15.2 PN结,15.3 半导体二极管,15.4 稳压管,15.5 半导体三极管,目 录,15.1 半导体的导电特性,半导体：,导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的,物质。,半导体特性：,热敏特性、光敏特性、掺杂特性,本征半导体就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素.,硅的原子结构,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体,晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,本征半导体,Si,Si,Si,Si,共价键,价电子,自由电子与空穴,15.1.1 本征半导体,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中,留下一个空穴。,空穴,Si,Si,Si,Si,自由,电子,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-,热激发,15.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多,。,Si,Si,Si,Si,自由电子,空穴,半导体导电方式,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。,15.1.1 本征半导体,Si,Si,Si,Si,价电子,空穴,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,15.1.2 N型半导体和P型半导体,N型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（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,Si,Si,P+,Si,多余电子,15.1.2 N型半导体和P型半导体,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。,Si,Si,B,-,Si,空穴,15.1.2 N型半导体和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。,返回,15.2 PN,结,15.2.1 PN,结的形成,自由电子,P,N,空穴,PN结是由扩散运动形成的,PN,结的形成,自由电子,P,N,空间电荷区,内电场方向,空穴,15.2.1 PN,结的形成,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,15.2.2 PN,结的单向导电性,1 外加正向电压使PN结导通,PN结呈现低阻导通状态，通过PN结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,+,变窄,P,N,内电场 方向,外电场方向,R,I,15.2.2 PN,结的单向导电性,2 外加反向电压使PN结截止,PN结呈现高阻状态，通过PN结的电流是少子的漂移电流,-反向电流,特点:,受温度影响大,原因,:,反向电流是靠热激发产生的少子形成的,+,-,变 宽,P,N,内电场 方向,外电场方向,R,I=0,15.2.2 PN,结的单向导电性,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。,返回,15.3 半导体二极管,15.3.1 基本结构,15.3.2 伏安特性,15.3.3 伏安特性的折线化,15.3.4 二极管的主要参数,15.3.1 基本结构,PN结,阴极引线,铝合金小球,金锑合金,底座,N型硅,阳极引线,面接触型,引线,外壳,触丝,N型锗片,点接触型,表示符号,15.3.2 伏安特性,正向,O 0.4 0.8 U/,V,I/mA,80,60,40,20,-50 -25,I/A,-20,-40,反向,死区电压,击穿电压,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,正向,O 0.4 0.8 U/V,I/mA,80,60,40,20,-50 -25,I/A,-20,-40,反向,死区电压,击穿电压,死区电压：,硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。,正向压降：,硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,15.3.2 伏安特性,1 正向特性,反向电流：,反向饱和电流：,反向击穿电压U,（BR）,15.3.2 伏安特性,正向,O 0.4 0.8 U/V,I/mA,80,60,40,20,-50 -25,I/A,-20,-40,反向,死区电压,击穿电压,2 反向特性,15.3.4 伏安特性的折线化,U,0,U,0,U,S,15.3.4 主要参数,1 最大整流电流,I,OM,：,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,U,RWM,:,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,I,RM,:,二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,15.3.5 应用举例,主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,例: 图中电路，输入端A的电位V,A,=+3V，B的电位V,B,=0V，求输出端Y的电位V,Y,。电阻R接负电源-12V。,V,Y,解：,D,A,优先导通， D,A,导通后， D,B,上加的是反向电压，因而截止。,D,A,起钳位作用， D,B,起隔离作用。,-12V,A,B,+3V,0V,D,B,D,A,Y,返回,15.4 稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。,1 稳压管表示符号,：,正向,+,-,反向,+,-,I,Z,U,Z,2 稳压管的伏安特性：,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。,稳压管的反向特性曲线比较陡。,反向击穿 是可逆的。,U/,V,I/mA,0,I,Z,I,ZM,U,Z,15.4 稳压管,4 主要参数,（2）电压温度系数,（1）稳定电压,U,Z,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,说明稳压管受温度变化影响的系数,15.4 稳压管,（3）动态电阻,（4）稳定电流,（5）最大允许耗散功率,r,Z,稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值,I,Z,P,ZM,管子不致发生热击穿的最大功率损耗。,P,ZM,=U,Z,I,ZM,15.4 稳压管,例题,+,_,U,U,0,U,Z,R,稳压管的稳压作用,当,U,U,Z,大于时,稳压管击穿,此时,选,R,，使,I,Z,I,ZM,返回,15.5 半导体三极管,15.5.1 基本结构,15.5.1 基本结构,15.5.2 电流分配和放大原理,15.5.3 特性曲线,15.5.4 主要参数,结构,平面型,合金型,NPN,PNP,15.5.1 基本结构,发射结,集电结,B,N,N,P,发射区,基区,集电区,E,C,N,N,P,B,E,C,C,E,B,发射结,集电结,B,P,P,N,发射区,基区,集电区,E,C,P,P,N,B,E,C,C,E,B,15.5.1 基本结构,15.5.2 电流分配和放大原理,A,mA,mA,I,B,I,C,I,E,R,B,E,C,+,+,_,_,E,B,B,C,E,3DG6,共发射极接法,15.5.2 电流分配和放大原理,晶体管电流测量数据,I,B,/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10,I,C,/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95,I,E,/mA 0,U,BC,0,U,BC,=U,BE,-U,CE,U,BE,1,15.5.3 特性曲线,2 输出特性曲线,晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,U,CE,/,V,1,3,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,2,15.5.3 特性曲线,晶体管的输出特性曲线分为三个工作区,：,（1）放大区,（2）截止区,（3）饱和区,（1）放大区（线性区）,1,3,2,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,放大区,U,CE,/,V,输出特性曲线的近似水平部分。,发射结处于正向偏置；集电结处于反向偏置,15.5.3 特性曲线,（2）截止区,I,B,=0曲线以下的区域为截止区,I,B,=0 时，I,C,=I,CEO,对NPN型硅管而言，当U,BE,0.5V时，即已开始截止，为了截止可靠，常使U,BE,小于等于零。,1,3,2,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,截止区,U,CE,/,V,（3）饱和区,当U,CE,U,BE,时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态,在饱和区，I,B,的变化对I,C,的影响较小，两者不成比例,1,3,4,3,6,9,12,I,C,/mA,100,80,60,40,20A,I,B,=0,0,2,饱和区,U,CE,/,V,15.5.3 特性曲线,15.5.4 主要参数,1 电流放大系数,：静态电流（直流）放大系数,：动态电流（交流）放大系数,注意：,两者的含义是不同的，但在特性曲线近于平行等距并且I,CEO,较小的情况下，两者数值较为接近。在估算时，常用,近似关系,（1）,（2）,对于同一型号的晶体管，,值有差别，常用晶体管的,值在20-100之间。,15.5.4 主要参数,2 集基极反向截止电流,I,CBO,I,CBO,=I,C,|,I,E,=0,I,CBO,受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的I,CBO,约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。I,CBO,越小越好。,E,C, A,+,_,T,+,_,I,CB0,15.5.4 主要参数,3 集射极反向截止电流,I,CEO,I,CEO,=I,C,|,I,B,=0,穿透电流I,CEO,与I,CBO,的关系：,I,CBO,愈大，,愈高的管子，稳定性愈差。因此，在选管子,时，要求I,CBO,尽可能小些，而,以不超过100为宜。,15.5.4 主要参数,4 集电极最大允许电流,I,CM,集电极电流I,C,超过一定值时，晶体管的,值要下降。当,值下降到正常值的三分之二时的集电极电流。,在使用晶体管时，I,C,超过I,CM,并不一定会使晶体管损坏，但以降低 为代价。,5 集射极反向击穿电压,U,（BR）CEO,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压。,15.5.4 主要参数,6 集电极最大允许耗散功,P,CM,由于集电极电流在流经集电结时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。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。,P,CM,=I,C,U,CE,I,C,/mA,0,U,CE,/,V,I,CM,U,(BR)CE0,I,CEO,P,CM,安全工作区,15.5.4 主要参数,结 束,第 15 章,返回,