第14章-半导体二极管和三极管-电工学必备自学课件

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,14,章 半导体二极管和三极管,14.3 半导体二极管,14.4 稳压二极管,14.5 半导体三极管,14.2 PN结,14.1 半导体的导电特性,第,14,章 半导体二极管和三极管,本章要求：,一、理解PN结的单向导电性，三极管的电流分配和,电流放大作用；,二、了解二极管、稳压管和三极管的基本构造、工,作原理和特性曲线，理解主要参数的意义；,三、会分析含有二极管的电路。,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。,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。,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。,14.1,半导体的导电特性,半导体的导电特性：,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性,：,往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电,能力明显改变,(可做成各种不同用途的半导,体器件，如二极管、三极管和晶闸管等）。,光敏性：,当受到光照时，导电能力明显变化,(可做,成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极,管、光敏三极管等)。,热敏性：,当环境温度升高时，导电能力显著增强,Si,Si,Si,Si,价电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为,自由电子,（带负电），同时共价键中留下一个空位，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。,空穴,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,自由电子,在外电场的作用下，空穴吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。,本征半导体的导电机理,当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流,(1),自由电子作定向运动,电子电流,(2),价电子递补空穴,空穴电流,注意：,(1)本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；,(2)温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。,所以，温度对半导体器件性能影响很大。,自由电子和,空穴都称为载流子。,自由电子和,空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。,14.1.2 N型半导体和 P 型半导体,掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。,掺入五价元素,Si,Si,Si,Si,p+,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。,在,N,型半导体中,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,动画,1.,在杂质半导体中多子的数量与,（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,14.2 PN,结,14.2.1,PN结的形成,多子的扩散运动,内电场,少子的漂移运动,浓度差,P,型半导体,N,型半导体,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。,空间电荷区也称 PN 结,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。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,形成空间电荷区,2.PN 结加反向电压,（反向偏置）,外电场,P接负、N接正,内电场,P,N,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,动画,+,14.3,半导体二极管,14.3.1 基本结构,(a)点接触型,(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。,(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。,阴极引线,阳极引线,二氧化硅保护层,P,型硅,N,型硅,(,c,),平面型,金属触丝,阳极引线,N,型锗片,阴极引线,外壳,(,a,),点接触型,铝合金小球,N,型硅,阳极引线,PN,结,金锑合金,底座,阴极引线,(,b,)面接触型,图 1 12 半导体二极管的结构和符号,14.3,半导体二极管,二极管的结构示意图,阴极,阳极,(,d,),符号,D,14.3.3 主要参数,1.,最大整流电流,I,OM,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,U,RWM,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,的一半或三分之二。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,I,RM,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，,I,RM,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。,二极管,的单向导电性,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。,二极管电路分析举例,定性分析：,判断二极管的工作状态,导通截止,否则，正向管压降,硅0,.60.7V,锗0,.20.3V,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,U,D,的正负。,若 V,阳,V,阴,或,U,D,为正(正向偏置)，二极管导通,若 V,阳,V,阴,二极管导通,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=6V,否则，,U,AB,低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,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。,在这里，二极管起钳位作用。,D,6V,12V,3k,B,A,U,AB,+,两个二极管的阴极接在一起,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。,V,1阳,=6 V，,V,2阳,=0 V，,V,1阴,=,V,2阴,=12 V,U,D1,=6V，,U,D2,=12V,U,D2,U,D1,D,2,优先导通，,D,1,截止。,若忽略管压降，二极管可看作短路，,U,AB,=0 V,例2:,D,1,承受反向电压为6 V,流过 D,2,的电流为,求：,U,AB,在这里，,D,2,起钳位作用，,D,1,起隔离作用。,B,D,1,6V,12V,3k,A,D,2,U,AB,+,14.4,稳压二极管,1.符号,U,Z,I,Z,I,ZM,U,Z,I,Z,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，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,_,+,U,I,O,3.主要参数,(1)稳定电压,U,Z,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1,C引起,稳压值变化的,百分数,。,(3)动态电阻,(4)稳定电流,I,Z,、最大稳定电流,I,ZM,(5)最大允许耗散功率,P,ZM,=,U,Z,I,ZM,r,Z,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,光电二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,I,U,照度增加,符号,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,光电二极管,发光二极管,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,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,结构特点：,集电区：,面积最大,14.5.2 电流分配和放大原理,1.三极管放大的外部条件,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,R,C,发射结正偏、集电结反偏,PNP,发射结正偏,V,B,V,E,集电结反偏,V,C,V,E,集电结反偏,V,C,V,B,3.三极管内部载流子的运动规律,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,I,BE,I,CE,I,CBO,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,I,E,。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流,I,BE,，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,I,CE,。,集电结反偏，有少子形成的反向电流,I,CBO,。,3.三极管内部载流子的运动规律,I,C,=,I,CE,+,I,CBO,I,CE,I,C,I,B,B,E,C,N,N,P,E,B,R,B,E,C,I,E,I,BE,I,CE,I,CBO,I,B,=,I,BE,-,I,CBO,I,BE,I,CE,与,I,BE,之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流,温度,I,CEO,(常用公式),若,I,B,=0,则,I,C,I,CE0,14.5.3,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,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,输入回路,输出回路,测量晶体管特性的实验线路,I,C,E,B,mA,A,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,C,V,+,+,+,+,1.,输入特性,特点:非线性,死区电压：硅管0.5,V,，锗管0.1,V,。,正常工作时发射结电压：,NPN,型硅管,U,BE,0.60.7V,PNP,型锗管,U,BE,0.2 0.3V,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,U,CE,1V,O,2.,输出特性,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,3,6,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),9,12,O,放大区,输出特性曲线通常分三个工作区：,(1)放大区,在放大区有,I,C,=,I,B,，也,称为线性区，具有恒流特性。,在放大区，,发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,3,6,I,C,(,m,A ),1,2,3,4,U,CE,(V),9,12,O,（2）截止区,I,B,0 以下区域为,截止区，有,I,C,0,。,在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。,饱和区,截止区,（3）饱和区,当,U,CE,U,BE,时,，,晶体管工作于饱和状态。,在饱和区，,I,B,I,C,，,发射结处于正向偏置，,集电结也处于正,偏。,深度饱和时，,硅管,U,CES,0.3V，,锗管,U,CES,0.1V。,14.5.4,主要参数,1.,电流放大系数,，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。,注意：,和,的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且,I,CE0,较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的,值在20 200之间。,例：在,U,CE,=6 V,时，在 Q,1,点,I,B,=40,A,I