半导体二极管和三级管

1、电子技术简介电子技术研究内容： 电子技术是对电子信号进行处理的技术，处理的方式主要有：信号的接收、发生、放大、转换、处理、驱动、输出。 Analog (模拟) 电子技术和 Digital (数字) 电子技术。传感器压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.放大滤波叠加组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理.驱动电路.驱动电路驱动电路驱动电路传感器传感器传感器执行机构执行机构执行机构执行机构模拟电子技术数字信号处理模拟电子技术压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.压力压力1压力压力2温度温度1温度温度2.传感器传感器. . . .传感器传感器传感器传感器传感器传感器.放大放大滤波滤波叠加

2、叠加组合组合数模转换电路模数转换电路计算机数据处理.驱动电路.驱动电路驱动电路驱动电路.执行机构执行机构执行机构执行机构模拟电子技术数字信号处理模拟电子技术信号是信息的载体。信号是信息的载体。声音信号传达语言、音乐。图像信号传达人类视觉系统能接受的图像信息。信号:电信号： 由电流、电压、电脉冲序列表达的信息。其它信息 光、速度、压力、流量物理量信号：模拟信号和模拟电子电路0f(t)t模拟信号：模拟信号：在时间和幅度上都是连续变化的信号，模拟模拟电子电子电路：电路： 处理模拟信号的电路。数字信号和数字电子电路0f(t)tt1t3t5t2t4.1.时间离散，幅度连续；0f(t)tt1t3t5t2t

3、4.2.时间离散，幅度离散；0f(t)tt1t3t5t2t4.3.时间连续，幅度离散；模拟信号的离散化处理方法（采样）：模拟信号的离散化处理方法（采样）：在时间和幅度上都是不连续变化的信号。数字信号：数字信号：数字信号： 数字信号只存在高、低两种电平。数字信号只存在高、低两种电平。0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 0 数字电子数字电子电路：电路： 处理数字信号的电路。第第6 6章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管目目 录录6.1 半导体的基础知识6.1 6.1 半导体

4、的基础知识半导体：半导体：半导体特性：半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性热敏特性、光敏特性、掺杂特性导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的物质。 本征半导体就是完全纯净的半导体。本征半导体就是完全纯净的半导体。 应用最多的本征半应用最多的本征半导体为锗和硅，它们导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都各有四个价电子，都是四价元素是四价元素.硅的原子结硅的原子结构构 1.本征半导体 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晶体结构中的共价健结构1.1.本征半导体SiSiSiSi共价键 价电子 1. 本征

5、半导体 共价键中的电子共价键中的电子在获得一定能量在获得一定能量后，即可挣脱原后，即可挣脱原子核的束缚，成子核的束缚，成为为自由电子自由电子同时在共价键中同时在共价键中留下一个空位，留下一个空位，称为空穴。称为空穴。空穴SiSiSiSi自由电子 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。本征激发与复合现象 由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 本征激发1.1.本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者同时消失，称为复

6、失，称为复合现象合现象SiSiSiSi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。SiSiSiSi价电子空穴 当半导体两端当半导体两端加上外电压时，自加上外电压时，自由电子作定向运动由电子作定向运动形成电子电流；而形成电子电流；而空穴的运动相当于空穴的运动相当于正电荷的运动正电荷的运动1.本征半导体2. 2. 杂质半导体N型半导体型半导体在硅或锗的晶体中在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或掺入微

7、量的磷（或其它五价元素）。其它五价元素）。 自由电子是多数自由电子是多数载流子，空穴是载流子，空穴是少数载流子。少数载流子。 电子型半导体电子型半导体或或N N型半导体型半导体SiSiP+Si多余电子P P型半导体型半导体 在硅或锗晶体中在硅或锗晶体中掺入硼（或其它掺入硼（或其它三价元素）。三价元素）。 空穴是多数载流子，空穴是多数载流子，自由电子是少数载自由电子是少数载流子。流子。 空穴型半导体空穴型半导体或或P P型半导体。型半导体。空穴SiSiB-Si2. 杂质半导体 注意：注意：不论不论N型半导体还是型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是

8、整个晶体仍然流子占多数，但是整个晶体仍然是是不带电不带电的的。2. 杂质半导体 3.PN3.PN结PNPN结的形成结的形成自由电子PN空穴PN结内部载流子运动形成了一个内电场自由电子PN 空间电荷区内电场方向空穴PN结内部载流子运动：扩散和漂移PNPN结的形成结的形成4. PN结的单向导电性1 外加正向电压使PN结导通PNPN结呈现低阻导通状态，通过结呈现低阻导通状态，通过PNPN结的电流结的电流基本是多子的扩散电流基本是多子的扩散电流正向电流正向电流+变窄PN内电场 方向外电场方向RI2 外加反向电压使PN结截止 PNPN结呈现高阻状态，通过结呈现高阻状态，通过PNPN结的电流是少子的漂移电

9、流结的电流是少子的漂移电流 -反向电流反向电流特点特点: : 受温度影响大受温度影响大原因原因: : 反向电流是靠热激发产生的少子形成的反向电流是靠热激发产生的少子形成的+ - 变 宽PN内电场 方向外电场方向RI=04. PN结的单向导电性结结 论论 PN结具有单向导电性结具有单向导电性 （1） PN结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。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，结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。反向电流很小。4. PN结的单向导电性6.2 6.2 半导体二极管贴片式二极

10、管插件式二极管6.2 6.2 半导体二极管1. 结构和用途结构和用途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面接触型引线外壳触丝N型锗片点接触型点接触型表示符号表示符号用途： 主要利用二极管的单向主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。作为开关元件。2.伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/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。大致可分为四个区域：死区；正向导通区；反向截止区；反向击穿区。正向O 0

11、.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/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：0.6 0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。(1) 正向特性2.伏安特性反向电流：反向电流：反向饱和电流：反向饱和电流：反向击穿电压反向击穿电压U（BR）正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死区电压击穿电压(2) 反向特性2.伏安特性3.3.主要参数(1) 最大整流电流最大整流电流IOM： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。二极管长时间使用时，允许流过的

12、最大正向平均电流。(2) 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWM: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。(3) 反向峰值电流反向峰值电流IRM: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。图中电路，图中电路，DADB为硅管，输入端为硅管，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电的电位位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电位的电位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.3V解：解：DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后， DB上加的是反向电压，上加的是反向电压，因而截止。因而截止。DA起

13、钳位作用，起钳位作用， DB起隔离作用。起隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY看例题6.1含有二极管电路的分析二极管的导通判断。采用方法：1.断开二极管的两端，分析电路中该两端的端电压。2.正向导通(UBE死区电压)，反相截止，多个二极管时正向端电压大的先导通。分析二极管电路的输出波形。采用方法：1.分析各个二极管导通和截止条件。2.结合输入信号波形和导通、截止条件，画出波形。6.3 6.3 稳压管及其稳压电路6.3 6.3 稳压管及其稳压电路 一种一种特殊特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中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与适当数值的电阻配合后能起稳定

14、电压稳定电压的作用。故称为的作用。故称为稳压管。稳压管。 1.1.稳压管表示符号： 特殊性:1.它工作在反向击穿状态。其PN结的温度不会超过允许数值。2.这种管子的击穿是可逆的，切断外加电压后，PN结仍能恢复原状。 正向+-反向+-IZUZ2.2.稳压管的伏安特性：稳压管的伏安特性：3 . 稳压管稳压原理：稳压管稳压原理： 稳压管工作于反向稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。中能起稳压作用。稳压管

15、的反向特性曲线比一般二稳压管的反向特性曲线比一般二极管要陡。极管要陡。反向击穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ （3）动态电阻）动态电阻（4 4）稳定电流（5 5）最大允许耗散功率 rZ稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值IZPZM管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 PZM=UZIZM3. 主要参数主要参数（2）电压温度系数）电压温度系数 U（1）稳定电压）稳定电压UZ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例题例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳压管的稳压作用当当UUZ大于时大于时,稳压管击穿稳压管击穿RUUIZZ此时此时选选R，使，使IZIZM

16、看例题6.2含有稳压管电路的分析断开稳压管，分析其两端电压。断开稳压管，分析其两端电压。1.当当UUZ大于时，稳压管击穿，稳压大于时，稳压管击穿，稳压管开始稳压工作，其端电压为管开始稳压工作，其端电压为UZ3.保证稳压管正常工作，即保证稳压管正常工作，即ZZmaxII稳压管的串并联的分析 它们的稳压分别为8v和6v，正导通电压都是0.7v 两个稳压二极管串联、并联组合后，电压有几种情况，分别是多少？ 串联： 1、两只二极管都反接，反接电压是稳压值，为 6+8=14V 2、6V的正接，8V的反接，正接的是0.7V，反接的是8V 得 8+0.7=8.7V 3、同理6V的反接，8V的正接，6+0.7

17、=6.7V 4、两个二极管都反接 0.7+0.7=1.4V 并联 ：1、两只二极管都反接，电压小的将先导通，则是6V 2、一只正接一只反接，电压小的将先导通，则是0.7V 6.46.4晶体管 电子显微镜下的晶体管两种型号的晶体管NNPBECBECIBIEICBECIBIEIC纵向晶体管刨面图CBENPCBENPN+p+NPNPNP2.2.电流分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG100D共发射极接法晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据2.2.电流分配和放大原理IB/uA 0 20 40 60 80 100 -0.01IC/mA 0.01 0.80 1.61 2.41

18、3.22 4.03 0.001 IE/mA 0.01 0.82 1.65 2.48 3.31 4.12 0 由此实验及测量结果可得出如下结论：由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） IE=IC+IB 符合基尔霍夫电流定律。符合基尔霍夫电流定律。 （2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。 （3）当）当IB=0（将基极开路）时，（将基极开路）时， IE=ICEO， 穿透电流穿透电流ICEO=0.01mA （4）当）当IE=0（将发射极开路）时，（将发射极开路）时， IC=ICBO， 集电极反向饱和电集电极反向饱和电流流ICBO=0.001mA。 （5）电流放大作用。）电流放大作用。2.2

19、.电流分配和放大原理a.从第二列到第六列集电极电流和基极电流的比值为: 2.2.电流分配和放大原理C1B10.8400.02IIC2B21.6140.250.04 IIC5B54.0340.30.1II可以看出 与 的比值基本相等，近似等于40，即近似为常数，称该常数为三极管直流（静态）电流放大系数，用 表示。CIBIb.从第二列到第六列集电极电流和基 极电流的相对变化的比值为:2.2.电流分配和放大原理C1C2C1B1B2B11.61 0.8040.50.040.02IIIIIIC2B240 IIC5B540.5II CBII电流变化量之间满足确定的比例关系，即 的大小反映了三极管控制作用的

20、强弱，即电流放大作用的强弱，故称为交流（动交流（动态）电流放大系数。态）电流放大系数。三极管的具有电流放大作用 即：基极电流较小的变化，引起集电极电流较大的变化。即基极电流对集电极电流具有小量控制大量的作用。CBII用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。 外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。 UBE0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE 0.5，UBC UBE。截止区截止区( (2) ) 截止区截止区 a. IB = 0 的曲线以下的区域称为的曲线以下的区域称为截止区。截止区。b. IB = 0 时时, IC = ICEO(

21、0.001mA)(0.001mA)。 IC 0 ，UCE UCC 。c.对对 NPN 型硅管，当型硅管，当UBE 0.5 V 时，即已开始截止，但为了时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，常使使晶体管可靠截止，常使 UBE 0，IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 饱和区饱和区截止区截止区( (3) ) 饱和区饱和区a.当当 UCE 0) )，b. IC 和和 IB 不成正比。不成正比。c.发射结也处于正向偏置，发射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE

22、 /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 1. 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间，发射极与集电极之间如同一个如同一个开关的接通开关的接通，其间电阻很小；，其间电阻很小；2. 当晶体管截止时，当晶体管截止时，IC 0 ，发射极与集电极之间，发射极与集电极之间如同一个如同一个开关的断开开关的断开，其间电阻很大。，其间电阻很大。晶体管的开关作用晶体管的开关作用晶体管（硅晶体管（硅NPN）的三种工作状态）的三种工作状态+ UBE 0.5 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC

23、 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0.5 IB+ UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止开始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值BCII 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下较小的情况下,可近似认

24、为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。 2. 集集基极反向截止电流基极反向截止电流 ICBO ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3. 集集射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路是当基极开路( (IB = 0) )时的集电极电流，也称为穿透时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。电流，其值越小越好。 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流为集电极最大允许

25、电流 ICM 。4. 4. 晶体管的参数晶体管的参数1. 电流放大系数电流放大系数 ， BCII 5. 集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集称为集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 。 当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集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，称为集电极最大允许耗散功率电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率 PCM。ICICMU(BR

26、)CEOUCEPCMOICEO安安全全 工工 作作 区区 由由 ICM 、 U(BR)CEO 、 PCM 三者共同确定晶体管三者共同确定晶体管的安全工作区。的安全工作区。晶体管类型的识别NPN 型三极管型三极管UBE 0UBC 0VC VB VEPNP 型三极管型三极管UEB 0UCB 0； UCE 0VC VB 0.5 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC 0.5 IB+ UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0+CCCCRUI CCCCUIR 1.求饱和电流CBII 饱和时2.求实际的电路iBE

27、BBUUIR 3.当 ，处于饱和状态，反之处于放大状态。 BBII定性分析：定量分析：作业6.1,6.4,6.7中图a,b,c,d,e,f6.13,6.14结 束第第 6 6 章章 温度一定时，本温度一定时，本征半导体中的自由征半导体中的自由电子电子空穴对的数空穴对的数目基本不变。温度目基本不变。温度愈高，自由电子愈高，自由电子空穴对数目越多空穴对数目越多。本征激发与复合现象 由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 本征激发1.1.本征半导体 自由电子自由电子在运动中遇在运动中遇到空穴后，到空穴后，两者同时消两者同时消失，称为复失，称为复合现象合现象SiSiSiSi自由电子空穴6.2 6.2 半导体二极管贴片式二极管插件式二极管2.伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/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。大致可分为四个区域：死区；正