半导体二极管和三极管ppt课件

第14章 二极管和三极管,14.3 半导体二极管,14.4 稳压二极管,14.5 晶体管,14.2 PN结,14.1 半导体的导电特性,1,第14章 二极管和三极管,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； 2. 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和主要参数的； 3. 掌握含有二极管的电路分析，了解该电路的 基本原理。,本章要求：,2,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。,3,14.1.1 本征半导体,现代电子学中，用的最多的半导体是硅和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,14.1 半导体的导电特性,(Intrinsic semiconductor),4,14.1.1 本征半导体,晶体中原子的排列方式,硅单晶中的共价健结构,共价健,共价键中的两个电子，称为价电子(valence electron )。,(covalent bond),完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。本征半导体的导电能力很弱。,5,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，同时共价键中留下一个空位，称为空穴。这一现象称为本征激发。,温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。,价电子 valence electron,本征半导体的导电机理,空穴 (hole),自由电子 free eletron,6,价电子,本征半导体的导电机理,空穴 (hole),自由电子 free eletron,在外电场的作用下，自由电子将产生定向移动，形成电子电流；由于空穴的存在，价电子将按一定的方向依次来填补空穴，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）。,7,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。,8,14.1.2 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,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。,9,14.1.2 N 型半导体和 P 型半导体,掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。,掺入三价元素,在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,10,杂质半导体的示意表示法,(N-type semiconductor),(P-type semiconductor),11,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,12,14.2 PN结 (PN junction),14.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,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,形成空间电荷区,13,14.2 PN结 (PN junction),14.2.1 PN结的形成,少子的漂移运动,浓度差,空间电荷区也称 PN 结,扩散(diffusion)和漂移(drift)这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,14,14.2.2 PN结的单向导电性,1. PN 结加正向电压（正向偏置）,PN 结变窄,P接正、N接负,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN 结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,(forward bias),15,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,(backward bias),16,PN 结变宽,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,P接负、N接正,温度越高少子的数目越多，反向电流将随温度增加。,PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。,(backward bias),17,(a) 点接触型,14.3 半导体二极管,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。,(b) 面接触型,14.3.1 基本结构和符号,(Semiconductor diode),结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,18,(c) 平面型,往往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。,Cathode,anode,19,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V,锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,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。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,Volt-ampere Characteristic,20,14.3.3 主要参数 Main Parameter,1. 最大整流电流 IOM,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URWM,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UBR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IRM,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，IRM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。,21,半导体二极管的型号,国家标准对半导体器件型号的命名举例如下：,附 录,22,二极管的单向导电性,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。,23,二极管电路分析举例,定性分析：判断二极管的工作状态,导通截止,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UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正( 正向偏置 )，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负( 反向偏置 )，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。,24,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB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,UAB,+,25,ui 8V，二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,8V,例2：,二极管的用途： 整流、检波、 限幅、钳位、开 关、元件保护、 温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为 8 V,26,14.4 稳压二极管,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,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。,(Zener diodes),27,3. 主要参数,(1) 稳定电压UZ 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1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,28,14.5 晶体管 (Bipolar Junction Transistor),14.5.1 基本结构,管芯结构剖面图,(Basic Construction),29,14.5 双极型晶体管,14.5.1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,base,collector,emitter,(Basic Construction),NPN Type,PNP Type,30,基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结 Base-Emitter Junction,集电结 Base-Collector Junction,结构特点：,集电区： 面积最大,Emitter Region,Base Region,Collector Region,31,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,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ICE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,32,电流分配和放大原理,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBEICBO IBE,ICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数,集射极穿透电流, 温度ICEO,(常用公式),若IB =0, 则 IC ICE0,33,14.5.2 电流分配和放大原理,三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,34,14.5.3 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,Characteristic Curve,35,1. 输入特性,特点:非线性,死区电压：硅0.5V，锗管0.1V。,工作压降：硅管UBE 0.7V,当UBE一定时，如果UCE增大到一定（1V）后，集电结的电场已足够强，可以将发射到基区的载流子中的绝大部分收集到集电区， UCE再增大，IB不再明显减小。因此，UCE1V以后的输入特性曲线基本上重合。,Input Characteristic,UBE一定时，随着UCE由0增大时，在集电结收集载流子的能力得到加强的同时，集电结空间电荷区也在变宽，从而使基区的有效宽度减小，结果使IB减小, 因此，在相同的UBE 作用下，随着UCE增加，IB减小。,36,2. 输出特性,IB=0,20A,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 IC= IB ，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。,Output Characteristic,active region,UBE0, UBCUBE,37,(2) 截止区 cutoff region,IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。,在截止区发射结处于反向偏置(UBE0)，集电结处于反向偏置(UBC0 )，晶体管工作于截止状态。 IC 0 , UCE UCC,饱和区,截止区,(3) 饱和区 saturation region,当UCEUBE(UBC0)时，集电结处于正向偏置，晶体管工作于饱和状态。 IC , UCE 0V,38,14.5.4 主要参数,1. 电流放大系数 ， (Current Gain),直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成共发射极电路时，,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ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20 200之间。,39,2.集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,40,4. 集电极最大允许电流 ICM,5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,集电极电流 IC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 ICM。,当集射极之间的电压UCE 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25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。,6. 集电极最大允许耗散功耗PCM,PCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC PCM =IC UCE,硅管允许结温约为150C，锗管约为7090C。,41,ICUCE=PCM,安全工作区,由三个极限参数可画出三极管的安全工作区,42,THANKS!,43,