《极管和晶体管》PPT课件.ppt

第14章二极管和晶体管,主讲：李延平,第14章二极管和三极管,14.1半导体的导电特性14.2PN结及其单向导电性14.3二极管14.4稳压二极管14.5晶体管14.6光电器件,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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。,14.1半导体的导电特性,导体、半导体和绝缘体,半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化-热敏特性、光敏特性。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使它的导电能力明显改变-掺杂特性。,14.1半导体的导电特性,14.1.1本征半导体,一、本征半导体的结构,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,原子结构图,本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,在硅和锗晶体中，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,14.1.1本征半导体,硅和锗的共价键结构,共价键、共用电子对,+4表示除去价电子后的原子,14.1.1本征半导体,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成比较稳定的结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,14.1.1本征半导体,二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外界激发时，价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以自由运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为0，相当于绝缘体。,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。,1.载流子、自由电子和空穴,14.1.1本征半导体,自由电子,空穴,束缚电子,自由电子、空穴成对出现,14.1.1本征半导体,2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其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，因此可认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。,自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动,14.1.1本征半导体,温度越高，载流子的浓度越高，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。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成：,1.自由电子做定向运动所形成的电子电流。2.仍被原子核束缚的价电子填补空穴形成的空穴电流。,14.1.1本征半导体,14.1.2N型半导体和P型半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。,P型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,一、N型半导体,多余电子,磷原子,14.1.2N型半导体和P型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,1.由五价元素提供的电子，浓度与五价元素原子相同。,2.本征半导体中成对产生的自由电子和空穴。,因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,14.1.2N型半导体和P型半导体,空位,硼原子,P型半导体中空穴是多子，自由电子是少子。,空穴,二、P型半导体,(14-17),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。一般近似认为多子与杂质浓度相等。,4.在外加电压作用下，P型半导体中电流主要是，N型半导体中电流主要是。（a.电子电流、b.空穴电流）,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,b,a,课堂练习,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。,14.2PN结及其单向导电性,P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。,14.2PN结及其单向导电性,P型半导体,N型半导体,当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，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。,14.2PN结及其单向导电性,空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,14.2PN结及其单向导电性,1.空间电荷区中几乎没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P区中的空穴、N区中的自由电子（都是多子）向对方运动（扩散运动）。,3.P区中的自由电子和N区中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,14.2PN结及其单向导电性,PN结的单向导电性,PN结加上正向电压、正向偏置的意思都是：P区加正电压、N区加负电压。,PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是：P区加负电压、N区加正电压。,14.2PN结及其单向导电性,一、PN结加正向电压,P,N,内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向电流。,14.2PN结及其单向导电性,二、PN结加反向电压,N,P,+,_,R,E,内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,14.2PN结及其单向导电性,总结：,1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻，反向电流很小。,PN结具有单向导电性,14.2PN结及其单向导电性,14.3二极管,发光稳压整流,检波开关,常见二极管外形图,14.3二极管,(14-30),一、基本结构：PN结加上管壳和引线。,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。,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。,14.3二极管,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时，二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流在一定电压范围内保持常数。,二、伏安特性：,非线性,14.3二极管,三、主要参数,1.最大整流电流IOM,二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。电流超过允许值时，PN结过热会损坏管子。,2.反向工作峰值电压URWM,保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接触型D管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,14.3二极管,3.反向峰值电流IRM,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小（V阴导通V阳0导通UD8V，二极管导通，可看作短路uo=8Vui8V，二极管截止，可看作开路uo=ui,已知：理想二极管，画出uo波形。,8V,例4：,二极管的用途：整流、检波、钳位、限幅、开关、元件保护、温度补偿等。,参考点,二极管阴极电位为8V,14.3二极管,例5：已知：管子为锗管，VA=3V，VB=0V。导通压降为0.3V，试求：VY=?,方法：先判二极管谁优先导通，导通后二极管起嵌位作用两端压降为定值。,解：,P12：例14.3.2,14.3二极管,符号,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,伏安特性,稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。,稳压原理：稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。,14.4稳压二极管,曲线越陡电压越稳,UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,伏安特性,稳压管反向击穿是可逆的，当去掉反向电压后，稳压二极管恢复正常。,使用时要加限流电阻，稳压二极管在电路中可以起到稳压作用。,反向电流超过允许范围时稳压二极管会发生过热击穿而损坏。,曲线越陡电压越稳,注意：,14.4稳压二极管,(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U稳压值受温度变化影响的系数，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=UZIZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,稳压二极管的主要参数:,14.4稳压二极管,例1：已知：Uz=12V，IZM=18mA，R=1.6K。试求：Iz=?限流电阻R的阻值是否合适？,解：,Iz=(20Uz)/R=(20-12)/1.6x103=5mA因：IZIZM故：限流电阻R的阻值合适,P14：例14.4.1,14.4稳压二极管,14.5晶体管,常见晶体管外形图,14.5.1基本结构,常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型,晶体管结构图,NPN型晶体管,PNP型晶体管,发射区,集电区,基区,集电结,发射结,基极,发射极,集电极,发射区,集电区,基区,发射结,集电结,集电极,发射极,基极,晶体管结构示意图,14.5.1基本结构,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺杂浓度最高,结构特点：,集电区：面积最大,14.5.1基本结构,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VBVB,14.5.2电流分配和放大原理,从电位的角度看,集电结,发射结,晶体管电流放大的实验电路,设EC=6V，改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：,公共端,基极电路,集电极电路,14.5.2电流分配和放大原理,(1)IE=IB+IC符合基尔霍夫定律(2)ICIB，ICIE(3)ICIB(4)IB=0时，IC=ICEO0,晶体管的电流放大作用：基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大的变化。,放大实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。,晶体管电流测量数据,结论:,14.5.2电流分配和放大原理,晶体管内部载流子运动发射区向基区扩散电子电子在基区扩散和复合集电区收集从发射区扩散过来的电子,发射区,集电区,基区,集电结,发射结,14.5.2电流分配和放大原理,电流分配和放大原理,基区空穴向发射区的扩散可忽略.,进入P区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IBE,基区要薄，浓度小，使绝大多数电子扩散到集电结.,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。,14.5.2电流分配和放大原理,EB,RB,EC,IC=ICE+ICBOICE,集电结反偏，由少子形成的反向电流ICBO，受温度影响比较大。,从发射区扩散到基区到达集电区边缘的电子被拉入集电区形成ICE。,IB=IBEICBOIBE,N,N,P,IC,14.5.2电流分配和放大原理,直流电流放大倍数：ICE与IBE之比,要使晶体管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,14.5.2电流分配和放大原理,NPN型晶体管,PNP型晶体管,晶体管起放大作用的条件：,发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,电流方向和发射结与集电结的极性,14.5.2电流分配和放大原理,输入回路,输出回路,B,E,C,14.5.3特性曲线,一、输入特性曲线,0,14.5.3特性曲线,特点:非线性,工作压降硅管UBE0.60.7V锗管UBE0.20.3V,死区电压硅管0.5V锗管0.1V,14.5.3特性曲线,二、输出特性曲线,IC(mA),IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,0,14.5.3特性曲线,线性放大区,IC(mA),0,UCE大于一定数值时,IC只与IB有关,IC=IB,发射结正偏，集电结反偏,14.5.3特性曲线,0,深度饱和时硅管UCES0.3V锗管UCES0.1V,IB的变化对IC的影响小，IBIC,UCEUBE,发射结正偏，集电结正偏，,饱和区,14.5.3特性曲线,0,IB=0,IC=ICEOUBEUBE,14.5.3特性曲线,(2)饱和区：发射结正偏，集电结正偏。ICIB，ICUCC/RC，UCE0,UCE0发射极和集电极之间如同开关接通，电阻很小。,UCEUBE,14.5.3特性曲线,(3)截止区：发射结反偏，集电结反偏。IB=0，IC=ICEO0，UCEUCC,IC0发射极和集电极之间如同开关断开，电阻很大。,UBEVePNP:Vc=min,VeVbVc,方法：先确定b、e、c脚,然后确定材料、类型,a：脚2=b脚脚3=e脚脚1=c脚硅管,NPN管,b：脚2=b脚脚3=e脚脚1=c脚锗管,PNP管,PNP管,NPN管,14.5.3特性曲线,三、主要参数,前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,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IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1.电流放大倍数和,14.5.3特性曲线,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。,14.5.3特性曲线,4.集电极最大允许电流ICM,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。,5.集-射极反向击穿电压U(BR)CEO,基极开路时，加在集-射极之间的最大允许电压，称为集-射极反向击穿电压。手册上给出的数值是25C的值。温度上升时，其值将降低。,14.5.3特性曲线,6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE,必定导致结温上升，所以PC有限制。,PCPCM,安全工作区,ICUCE=PCM,14.5.3特性曲线,14.6光电器件,发光二极管光电二极管光电晶体管,有兴趣的同学自学！,