第14章二极管和晶体管

单击此处编辑母版标题样式,(1-,*,),第,14,章 二极管和晶体管,1,14.1,半导体导电特性,自然界中很容易导电的物质称为,导体,，金属一般都是导体。,有的物质几乎不导电，称为,绝缘体,，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为,半导体,，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,按导电性能分,2,14.1.1,本征半导体,实际应用最多的半导体是硅和锗，它们原子的最外层电子（价电子）都是四个。,Ge,Si,完全纯净的、结构完整的半导体，称为本征半导体（晶体结构）。,3,硅和锗的晶体结构,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成,共价键,，共用一对价电子。,+4,+4,+4,+4,共价键共,用电子对,+4,表示除去价电子后的原子,4,本征半导体的导电机理,1,、在绝对,0,度和没有外界激发时,价电子被共价键束缚，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），不导电，相当于绝缘体。,2,、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，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。即出现电子,-,空穴对。,温度越高，,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。,5,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,束缚电子,电子,-,空穴对,本征半导体的导电机理,本征半导体中,存在数量相等的,自由电子,和,空穴,。,6,+4,+4,+4,+4,在电场力作用下，空穴吸引临近的电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，而,空穴的迁移相当于正电荷的移动,，因此认为,空穴,也是,载流子，,是带正电的粒子。,本征半导体的导电机理,7,在半导体外加电压的作用下,出现两部分电流,:,自由电子定向移动、空穴的迁移。,本征半导体中由于,电子,-,空穴,数量极少，导电能力极低。实用时采用杂质半导体（,P,型、,N,型）。,8,14.1.2,杂质半导体,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。,使自由电子浓度大大增加的杂质半导体称为,N,型半导体,，,使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为,P,型半导体。,N,型半导体,P,型,半导体,掺入微量,5,价元素,（磷）,多子：电子,少子：空穴,+,掺入微量,3,价元素,（,硼,）,多子：空穴,少子：电子,一,9,半导体的导电特点：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净的半导体中掺杂，会使它的导电能力急剧增加。,14.2 PN,结及其单向导电性,PN,结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造,P,型半导体和,N,型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了,PN,结。,10,P,型半导体,N,型半导体,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,扩散运动,内电场,E,漂移运动,空间电荷区,PN,结处载流子的运动,当扩散和漂移最终达到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的宽度基本不变，形成平衡,PN,结。,11,PN,结的单向导电性,PN,结,加上正向电压,（,P,区加,正,、,N,区加,负,）,PN,结,加上反向电压,（,P,区,加,负,、,N,区加,正,）,P,N,+,+,I,正,较大,内电场,外电场,PN,结呈,低阻,状态,PN,结呈,高阻,状态,P,N,+,+,+,+,内电场,外电场,I,反,PN,结导通,正向偏置,PN,结截止,反向偏置,12,14.3,半导体二极管及其伏安特性,14.3.1,基本结构及符号,PN,结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,引线,外壳,触丝,N,锗基片,点接触型（锗管）,N,硅基片,面接触型,（硅管）,P,N,符号,13,14.3.2,伏安特性,U,I,死区电压,硅管,0.5V,锗管0,.1V,。,正向导通压降,:,硅管,0.60.8V,锗管0.2,0.3V,。,反向击穿电压,U,(BR),1,、正向特性,死区电压,UU,死区,，,I,很快增长。,2,、反向特性,U,反,U,(BR),I,突然增大，二极管被击穿。,从伏安特性可见二极管是非线性元件,14,14.3.3,主要参数,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。,反向工作峰值电压,U,RWM,U,RWM,=,（,1/2,或,1/3,）,U,(BR),反向,峰值,电流,I,RM,为性质参数，反向电流越小单向导电性越好。反向电流受温度的影响大，硅管的反向电流较小。,15,二极管的应用：,利用二极管的单向导电性，用于整流、检波、限幅、元件保护及做开关元件等。,R,R,L,u,i,u,R,u,o,t,t,t,u,i,u,R,u,o,例,14.3.1,二极管检波,例,14.3.2,二极管箝位、隔离,16,14.4,稳压管及其稳压电路,U,I,U,Z,I,Z,I,Zmax,I,Z,稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。符号,稳压管工作于反向击穿区。,U,Z,17,2,、稳定电流,I,Z,3,、最大稳定电流,I,zmax,4,、最大允许耗散功率,稳压管的主要参数,1,、稳定电压,U,Z,稳压管稳压电路,R,Z,D,Z,R,L,D,Z,起电流控制作用,R,Z,起电压调节作用,18,原理,R,Z,D,Z,R,L,Ui,Uo,I,Z,u,Ui,Uo,I,Z,IR,Z,Uo,（基本不变）,选稳压管,Uz,=,Uo,I,zmax,=,（,1.53,）,I,omax,Ui,=,（,23,）,Uo,一般取,19,型号,U,RWM,I,OM,2CP 10,2CP 11,2CP 12,2CP 13,25 V,50 V,100 V,150 V,2CZ 11 A,2CZ 11 B,2CZ 11 C,2CZ 12 A,2CZ 12 B,2CZ 12 C,2CZ 12 D,100 V,200 V,300 V,100 V,200 V,300 V,50 V,100,mA,1000,mA,3000,mA,半导体二极管的参数,20,14.5,晶体管,14.5.1,基本结构,SiO2,保护膜,N,型硅,N,型硅,P,型硅,B,E,C,平面型,合金型,E,C,B,N,型锗,P,P,21,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,P,N,P,集电极,基极,发射极,B,C,E,两个,PN,结，三个电极,NPN型,B,E,C,PNP型,B,E,C,晶体管结构示意图和符号,22,B,E,C,N,N,P,基极,发射极,集电极,基区,：较薄，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺,杂浓度较高,发射结,集电结,23,14.5.2,电流放大作用和原理,E,C,I,C,mA,A,V,V,U,CE,U,BE,R,B,I,B,E,B,实验线路,mA,I,E,24,实验数据,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,0.001,0.72,1.54,2.36,3.18,4.05,结论：,1,、符合基尔霍夫电流定律；,2,、,I,C,/I,B,基本为常数；,3,、,要使三极管能放大电流，,必须使,发射结正偏，集电结反偏。,25,B,E,C,I,B,I,E,I,C,NPN,型三极管,B,E,C,I,B,I,E,I,C,PNP,型三极管,电流方向和各极极性,+,+,+,-,-,-,+,+,+,-,-,-,26,14.5.3,输入特性,I,B,(,A),U,BE,(V),20,40,60,80,0.4,0.8,U,CE,1V,死区电压，硅管,0.5V,，,锗管,0.1V,。,工作压降：硅管,U,BE,0.60.7V,锗管,U,BE,-0.2 -0.3V,。,27,14.5.3,输出特性,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域满足,I,C,=,I,B,称为线性区（放大区）。,当,U,CE,大于一定的数值时，,I,C,只与,I,B,有关，,I,C,=,I,B,。,28,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,U,CE,U,BE,集电结正偏，,I,B,I,C,，,U,CE,0.3V,称为饱和区。,29,I,C,(,m,A,),1,2,3,4,U,CE,(V),3,6,9,12,I,B,=0,20,A,40,A,60,A,80,A,100,A,此区域中,:I,B,=0,I,C,=I,CEO,U,BE,死区电压，称为截止区。,30,14.5.4,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。,共射,直流电流放大系数,：,1,、电流放大系数,工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为,I,B,，,相应的集电极电流变化为,I,C,，,则,交流电流放大系数,为：,在以后的计算中，一般作近似处理：,=,31,集,-,基极反向截止电流,I,CBO,I,CBO,是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,集,-,射极反向截止电流,I,CEO,A,I,CBO,A,I,CEO,I,CEO,又称为,穿透电流,I,E,=0,I,B,=0,2,、极间反向电流,32,集电极最大电流,I,CM,集电极电流,I,C,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,I,CM,。,集,-,射极反向击穿电压,U,(BR)CEO,当集,-,射极之间的电压,U,CE,超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是,25,C,、,基极开路时的击穿电压,U,(BR)CEO,。,3,、极限参数,33,集电极最大允许功耗,P,CM,集电极电流,I,C,流经集电极时将产生热量，使结温升高，从而会引起晶体管参数变化。所以要对集电极消耗的功率加以限制。,P,CM,=I,C,U,CE,由以上三个极限参数共同确定晶体管的安全工作区。,P,CM,主要受结温限制：,锗管允许结温,7090,硅管允许结温,150,34,I,C,U,CE,I,C,U,CE,=P,CM,I,CM,U,(BR)CEO,安全工作区,晶体管的安全工作区,35,发光二极管（,LED,）：正偏导通时，发出一定波长的可见光。,光电二极管：利用光敏特性将光的变化化为电流的变化，在反向电压下工作。,光电晶体管：用光的亮度控制集电极电流。,发光元件和光电元件配合实现光电耦合。例：,P27,光电耦合电路,例：,PLC,输入电路,14.6,光电器件,36,作 业,:,P28,14.3.1,、,14.3.2,、,14.3.3,、,14.3.4,、,14.3.5,、,14.3.6,、,14.4.1,、,14.4.2,14.5.1,、,14.5.2,、,14.5.4,、,14.5.5,、,14.5.6,37,本 章 结 束,38,