晶体二极管及其基本电路PPT课件

1、(semiconductor)半导体的定义：将导电能力介于导体和绝缘体之间的一大类物质统称为半导体。大多数半导体器件所用主要材料是硅和锗一、本征半导体(intrinsic semiconductors)在硅(或锗)的晶体中,原子在空间排列成规则的晶格。晶体中的价电子与共价键第1页/共132页在绝对零度(-273)时第2页/共132页第3页/共132页第4页/共132页 半导体中的载流子自由电子和空穴 在绝对零度(-273)时，所有价电子都被束缚在共价键内，晶体中没有自由电子，所以半导体不能导电。当温度升高时，键内电子因热激发而获得能量。其中获得能量较大的一部分价电子，能够挣脱共价键的束缚离开原

2、子而成为自由电子。与此同时在共价键内留下了与自由电子数目相同的空位， 称为本征激发。 空穴的出现是半导体的特点第5页/共132页二、 杂质半导体第6页/共132页第7页/共132页第8页/共132页第9页/共132页第10页/共132页第11页/共132页一、PN结及其单向导电性第12页/共132页第13页/共132页称为反向接法或反向偏置（简称反偏）反向电流非常小，PN结处于截止(cut-off)状态。 加反向电压IS 对温度十分敏感。第14页/共132页二、二极管的伏安特性阳极从P区引出，阴极从N区引出。1. 二极管的类型从材料分：硅二极管和锗二极管。从管子的结构分：点接触型二极管，工作电

3、流小，可在高频下工作，适用于检波和小功率的整流电路。面接触型二极管，工作电流大，只能在较低频率下工作，可用于整流。开关型二极管，在数字电路中作为开关管。二极管的符号第15页/共132页第16页/共132页当正向电压超过死区电压后，二极管导通,电流与电压关系近似指数关系。二极管正向特性曲线死区电压：导通压降：第17页/共132页反偏时，反向电流值很小，反向电阻很大，反向电压超过UBR则被击穿。结论：二极管具有单向导电性，正向导通，反向截止。二极管方程：式中： IS为反向饱和电流 UT 是温度电压当量， 常温下UT近似为26mV。)1(TS UUeIITSUUeII 第18页/共132页第19页/

4、共132页三、二极管的主要参数 最大整流电流 IF指二极管长期运行时，允许通过管子的最大正向平均电流。IF的数值是由二极管允许的温升所限定。 最高反向工作电压 UR工作时加在二极管两端的反向电压不得超过此值，否则二极管可能被击穿。为了留有余地，通常将击穿电压UBR的一半定为UR 。第20页/共132页室温条件下，在二极管两端加上规定的反向电压时，流过管子的反向电流。通常希望IR值愈小愈好。 IR受温度的影响很大。 最高工作频率 fM值主要决定于结结电容的大小。结电容愈大，则二极管允许的最高工作频率愈低。 反向电流 IR第21页/共132页二极管除了具有单向导电性以外，还具有一定的电容效应。 势

5、垒电容 Cb由PN结的空间电荷区形成，又称结电容，反向偏置时起主要作用。 扩散电容 Cd由多数载流子在扩散过程中的积累引起，正向偏置时起主要作用。第22页/共132页 4 4 二极管基本电路及其分析方法二极管基本电路及其分析方法 4.1 4.1二极管正向V-V- 特性的建模 1.1.理想模型 在正向偏置时，其管压降 为 0V; 0V; 而在反向偏置时，认 为电阻无穷大。iDVDiDvD第23页/共132页 2. 2.恒压降模型 二极管导通后, ,其管 压降认为是恒定的, ,且不 随电流而变化, ,典型值是 0.7V0.7V。不过，这只有当 二极管的电流i iD D近似等于 或大于1mA1mA时

6、才是正确的。DivDiDVD第24页/共132页 3.3.折线模型 二极管的管压降不 是恒定的，而是随着通 过二极管电流的增加而 增加。V Vthth约为0.5V0.5V, ,其中，V Vthth和r rD D的值不是固定不变的。( (见例题) )20015 . 07 . 0mArDDivDiDVDrDthv第25页/共132页 模型分析法 1.1.限幅电路 在电子技术中，常用限幅电路对各种信号 进行处理。它是用来让信号在预置的电平范围 内，有选择地传输一部分。（见例题） 2.2.开关电路 在开关电路中，利用二极管的单向导电性 以接通或断开电路。在分析这种电路时，应掌 握一条基本原则，即判断电

7、路中二极管处于导第26页/共132页 通状态还是截止状态，可以先将二极管断开， 然后观察（或经过计算）阳、阴两极间是正向 电压还是反向电压，若是前者则二极管导通， 否则二极管截止。（见例题） 3.3.低电压稳压电路 稳压电源是电子电路中常见的组成部分。 利用二极管正向压降基本恒定的特点，可以构 成低电压稳压电路。（见例题）第27页/共132页 14-3二极管基本应用电路 利用二极管的单向导电特性，可实现整流、限幅及电平选择等功能。 一、二极管整流电路 把交流电变为直流电，称为整流。一个简单的二极管半波整流电路如图117(a)所示。若二极管为理想二极管，当输入一正弦波时，由图可知：正半周时，二极

8、管导通(相当开关闭合)，uo=ui；负半周时，二极管截止(相当开关打开)， uo =0。其输入、输出波形见图117(b)。整流电路可用于信号检测，也是直流电源的一个组成部分。 第28页/共132页ttuo0ui0(b)VuiuoRL(a) 图117二极管半波整流电路及波形(a)电路； (b)输入、输出波形关系 第29页/共132页 二、二极管限幅电路 限幅电路也称为削波电路，它是一种能把输入电压的变化范围加以限制的电路，常用于波形变换和整形。 第30页/共132页tVuiuoR(a)E2Vui/V0(b)55tuo/V052.7 一个简单的上限幅电路如图119(a)所示。 当uiE+UD(on

9、)=2.7V时，V导通，uo=2.7V，即将ui的最大电压限制在2.7V上；当ui 2.7V时，V截止，二极管支路开路， uo = ui 。图119(b)画出了输入一5V的正弦波时，该电路的输出波形。 将输入信号中高出2.7V的部分削平了。 第31页/共132页 151稳压二极管 (齐纳二极管) 特殊工艺制造，杂质浓度比较大。 稳压二极管是利用PN结反向击穿后具有稳压特性制作的二极管，其除了可以构成限幅电路之外，主要用于稳压电路。 一、稳压二极管的特性 稳压二极管的电路符号及伏安特性曲线如图121所示。由图可见，它的正、反向特性与普通二极管基本相同。区别仅在于击穿后，特性曲线更加陡峭，即电流在

10、很大范围内变化时(IZminIIZmax)，其两端电压几乎不变。 15 其它二极管简介第32页/共132页(a)ui0IZminIZmaxUZ(b) 图1-21 稳压二极管及其特性曲线 （a)电路符号 （b) 伏安特性曲线第33页/共132页稳压管特点：1、PN结易击穿，其击穿电压比普通二极管击穿电压 低很多；2、 PN结面积大，散热条件好，使反向击穿在较大范 围内是可逆的。第34页/共132页稳压管特性：当稳压管处于正向偏置时，其特性和普通二极管特性相同。当稳压管处于反向偏置时，（1）如果电压较小，（UZ）则处于截止状态， 电流近似为0；（2）如果电压达到击穿电压值（UZ），电流迅速 增大，

11、稳压管处于稳压状态。第35页/共132页 这表明，稳压二极管反向击穿后，能通过调整自身电流实现稳压。 稳压二极管击穿后，电流急剧增大，使管耗相应增大。因此必须对击穿后的电流加以限制，以保证稳压二极管的安全。第36页/共132页VZUiUoRRLILIZ 图122稳压二极管稳压电路 第37页/共132页 二、稳压二极管的主要参数 1.稳定电压UZ UZ是指击穿后在电流为规定值时，管子两端的电压值。由于制作工艺的原因，即使同型号的稳压二极管， UZ的分散性也较大。使用时可通过测量确定其准确值。 2额定功耗PZ PZ是由管子结温限制所限定的参数。 PZ与PN结所用的材料、结构及工艺有关，使用时不允许

12、超过此值。 第38页/共132页 3稳压电流IZ IZ是稳压二极管正常工作时的参考电流。工作电流小于此值时，稳压效果差，大于此值时，稳压效果好。稳定电流的最大值IZmax有一限制，即IZmax =PZ/UZ。工作电流不允许超过此值，否则会烧坏管子。另外，工作电流也有最小值IZmax的限制，小于此值时，稳压二极管将失去稳压作用。第39页/共132页 4 动态电阻rZ rZ是稳压二极管在击穿状态下，两端电压变化量与其电流变化量的比值。反映在特性曲线上，是工作点处切线斜率的倒数。 rZ随工作电流增大而减小。 rZ的数值一般为几欧姆到几十欧姆。第40页/共132页 5 温度系数 是反映稳定电压值受温度

13、影响的参数，用单位温度变化引起稳压值的相对变化量表示。通常， UZ 7V时具有正温度系数(因雪崩击穿具有正温系数)；而UZ在5V到7V之间时，温度系数可达最小。第41页/共132页 三、稳压二极管稳压电路 稳压二极管稳压电路如图122所示。图中Ui为有波动的输入电压，并满足Ui UZ。R为限流电阻，RL为负载。 第42页/共132页VZUiUoRRLILIZ 图122稳压二极管稳压电路 第43页/共132页 152变容二极管 如前所述，PN结加反向电压时，结上呈现势垒电容，该电容随反向电压增大而减小。利用这一特性制作的二极管，称为变容二极管。它的电路符号如图123所示。变容二极管的结电容与外加

14、反向电压的关系由式(15)决定。它的主要参数有：变容指数、结电容的压控范围及允许的最大反向电压等。 第44页/共132页图123变容二极管符号第45页/共132页 153 光电二极管 光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件，其结构与普通二极管相似，只是管壳上留有一个能入射光线的窗口。图125示出了光电二极管的电路符号，其中，受光照区的电极为前级，不受光照区的电极为后级。第46页/共132页前级后级 图125 光电二极管符号 第47页/共132页 154 发光二极管 发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件。它由一个PN结构成，其电路符号如图126所示。当发光二极管正偏时，注入到N区和

15、P区的载流子被复合时，会发出可见光和不可见光。 第48页/共132页图126 发光二极管符号第49页/共132页 三、写出图T1.3所示各电路的输出电压值，设二极管导通电压UD0.7V。 第50页/共132页 电路举例：判各二极管状态，求Uo值。第51页/共132页四、已知稳压管的稳压值UZ6V，稳定电流的最小值IZmin5mA。求图T1.4所示电路中UO1和UO2各为多少伏。 图T1.4解：UO11.3V，UO20，UO31.3V，UO42V，UO51.3V，UO62V。第52页/共132页 1.4 电路如图P1.4所示，已知ui5sint (V)，二极管导通电压UD0.V。试画出ui与uO

16、的波形，并标出幅值。 第53页/共132页 1.5 电路如图P1.5（a）所示，其输入电压uI1和uI2的波形如图（b）所示，二极管导通电压UD0.7V。试画出输出电压uO的波形，并标出幅值。图P1.5第54页/共132页第55页/共132页第56页/共132页四、稳压管稳压管是一种面接触型二极管，与二极管不同之处：1.采用特殊工艺，击穿状态不致损坏；2.击穿是可逆的。符号及特性曲线如下图所示：O稳压管的伏安特性和符号minZImaxZI第57页/共132页1. 稳定电压UZ，稳压管工作在反向击穿区时的工作电压。2. 稳定电流Iz ，稳压管正常工作时的参考电流。3. 动态内阻rz ，稳压管两端

17、电压和电流的变化量之比。 rz= U / I4. 电压的温度系数U，稳压管电流不变时， 环境温度对稳定电压的影响。5. 额定功耗Pz ，电流流过稳压管时消耗的功率。第58页/共132页使用稳压管组成稳压电路时的注意事项：稳压管电路1. 稳压管必须工作在反向击穿区，2. 稳压管应与负载RL并联，3. 必须限制流过稳压管的电流IZ ，第59页/共132页例电路如图所示，已知UImax= 15V， UImin= 10VIZmax= 50mA， IZmin= 5mA，RLmax= 1k，RLmin= 600UZ= 6V, 对应UZ= 0.3V。求rZ ，选择限流电阻R。第60页/共132页第61页/共

18、132页例 有两个稳压管 VD1 和 VD2 ，它们的稳压值为UZ1 = 6V，UZ2 = 8V，正向导通压降均为 UD = 0.6 V，将它们串联可得到几种稳压值。第62页/共132页第63页/共132页第64页/共132页1.3 半导体三极管 几种半导体三极管的外形 第65页/共132页三极管的结构及类型 三极管的结构示意图和符号 第66页/共132页 无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区: 发射区、基区和集电区, 并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处, 形成两个PN结, 分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗,

19、 因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种系列。 第67页/共132页第68页/共132页一、 三极管的结构NPN型三极管的结构和符号第69页/共132页二、三极管中载流子的运动和电流分配关系第70页/共132页CNEII 第71页/共132页第72页/共132页第73页/共132页三、三极管的特性曲线三极管的输入特性ib三极管的输入回路第74页/共132页=806040200第75页/共132页第76页/共132页第77页/共132页第78页/共132页四、 三极管的主要参数第79页/共132页第80页/共132

20、页五、 PNP型三极管第81页/共132页在由PNP三极管组成的放大电路中，三极管中各极电流和电压的实际方向如图(a)所示，根据习惯三极管中电流和电压的规定正方向如图(b)所示。UCE UBE IE IC IB c b e (-) (+) (+) (-) (a) UCE UBE IE IC IB c b e (-) (+) (+) (-) (b) 定量计算中，将得出PNP三极管的UBE和UCE为负值。在PNP三极管的输入和输出特性曲线中，电压坐标轴上将分别标注“ - UBE”和“ - UCE”。电流实际方向与规定方向一致，电压实际方向与规定方向相反。第82页/共132页第83页/共132页第8

21、4页/共132页第85页/共132页一、结型场效应管N沟道结型场效应管的结构和符号第86页/共132页第87页/共132页第88页/共132页第89页/共132页2PGSDSSD)1(UUII 时）时）当当0(GSP UU场效应管特性曲线测试电路沟道结型场效应管转移特性第90页/共132页N沟道结型场效应管的漏极特性第91页/共132页二、绝缘栅场效应管第92页/共132页第93页/共132页第94页/共132页2()()DDOGSGS thuiIU第95页/共132页第96页/共132页第97页/共132页三、 场效应管的主要参数第98页/共132页第99页/共132页DSDmGSuigu常

22、数第100页/共132页第101页/共132页第102页/共132页1.3 半导体三极管 图 1 - 28 几种半导体三极管的外形 第103页/共132页三极管的结构及类型 图 1 29 三极管的结构示意图和符号 第104页/共132页 无论是NPN型或是PNP型的三极管,它们均包含三个区: 发射区、基区和集电区, 并相应地引出三个电极：发射极（e)、基极(b)和集电极(c)。同时,在三个区的两两交界处, 形成两个PN结, 分别称为发射结和集电结。常用的半导体材料有硅和锗, 因此共有四种三极管类型。它们对应的型号分别为：3A(锗PNP)、3B(锗NPN)、3C(硅PNP)、3D(硅NPN)四种

23、系列。 第105页/共132页三极管的三种连接方式 becIBIEIC(a) 共基极beIBIEIC(b) 共发射极beIBIEIC(c) 共集电极cc图 1 - 30 三极管的三种连接方式第106页/共132页三极管的放大作用 1. 载流子的传输过程(1) 发射。 (2) 扩散和复合。 (3) 收集。 IBRbUBBeIENPNICRcUCCcb图 1 31 三极管中载流子的传输过程第107页/共132页2. 电流分配 IBRbUBBeIENPNICRcUCCcICnICBObIBn图 1 - 32 三极管电流分配 第108页/共132页 集电极电流由两部分组成：和, 前者是由发射区发射的电

24、子被集电极收集后形成的, 后者是由集电区和基区的少数载流子漂移运动形成的,称为反向饱和电流。 于是有 (1 - 6)第109页/共132页 发射极电流也由两部分组成：和。为发射区发射的电子所形成的电流, 是由基区向发射区扩散的空穴所形成的电流。因为发射区是重掺杂, 所以忽略不计, 即。又分成两部分, 主要部分是, 极少部分是。是电子在基区与空穴复合时所形成的电流, 基区空穴是由电源提供的,故它是基极电流的一部分。 BnCnEnEIIII基极电流是与之差： CBOBnBIII(1-7)(1-8)第110页/共132页 发射区注入的电子绝大多数能够到达集电极, 形成集电极电流, 即要求。 通常用共

25、基极直流电流放大系数衡量上述关系, 用来表示, 其定义为ECnEnCnIIII(1-9)一般三极管的值为0.970.99。将(-)式代入(-)式, 可得 CBOECBOCnCIIIII(1-10)第111页/共132页通常CBO, 可将忽略, 由上式可得出 ECII(1-11)三极管的三个极的电流满足节点电流定律, 即BCEIII将此式代入(1 - 10)式得CBOBCCIIII)(1-12)第112页/共132页经过整理后得 CBOBCIII1111BCII令 称为共发射极直流电流放大系数。当ICICBO时,又可写成(1-13)(1-14)第113页/共132页CEOBCBOBCIIIII)

26、1 (则其中ICEO称为穿透电流, 即 CBOCEOII)1 (一般三极管的约为几十几百。太小, 管子的放大能力就差, 而过大则管子不够稳定。 第114页/共132页表1 - 3 三极管电流关系的一组典型数据 IB/mA -0.00100.010.020.030.040.05IC/mA0.0010.010.561.141.742.332.91IE/mA00.010.571.161.772.372.96ECECBIIIII,第115页/共132页常数CEUBCII常数CBUECII1/1/ECECCECBCIIIIIIIII相应地, 将集电极电流与发射极电流的变化量之比, 定义为共基极交流电流放

27、大系数, 即故第116页/共132页 显然与, 与其意义是不同的, 但是在多数情况下, 。 例如, 从表 - 知, 在mA附近, 设由mA变为mA, 可求得983. 077. 174. 1983. 016. 137. 214. 133. 25803. 074. 15 .5902. 004. 014. 133. 2BCBCIIII第117页/共132页三极管的特性曲线 AmAVVIBICUCCUBBRcRbuBEUCE图 1 33 三极管共发射极特性曲线测试电路 第118页/共132页1.输入特性 当不变时, 输入回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输入特性, 即 常数CEUBEBUfI)(IB

28、 / mAUBE / V00.20.40.6UCE 0 VUCE 2 V图 1 - 34 三极管的输入特性 第119页/共132页 2.输出特性 当不变时, 输出回路中的电流与电压之间的关系曲线称为输出特性, 即常数BICECUfI)(UCE / V5101501234饱和区截止区IB 80 A60 A放大区IC / mA40 A20 A0 A图 1 - 35 三极管的输出特性 第120页/共132页 (1) 截止区。 一般将的区域称为截止区, 在图中为的一条曲线的以下部分。此时也近似为零。由于各极电流都基本上等于零, 因而此时三极管没有放大作用。 其实时, 并不等于零, 而是等于穿透电流IC

29、EO。 一般硅三极管的穿透电流小于A, 在特性曲线上无法表示出来。锗三极管的穿透电流约几十至几百微安。 当发射结反向偏置时, 发射区不再向基区注入电子, 则三极管处于截止状态。所以, 在截止区, 三极管的两个结均处于反向偏置状态。对三极管, , BC。 第121页/共132页 (2) 放大区。 此时发射结正向运用, 集电结反向运用。 在曲线上是比较平坦的部分, 表示当一定时, 的值基本上不随CE而变化。在这个区域内,当基极电流发生微小的变化量时, 相应的集电极电流将产生较大的变化量, 此时二者的关系为 该式体现了三极管的电流放大作用。 对于三极管, 工作在放大区时.V, 而。 第122页/共132页 (3) 饱和区。 曲线靠近纵轴附近, 各条输出特性曲线的上升部分属于饱和区。 在这个区域, 不同值的各条特性曲线几乎重叠在一起, 即当较小时, 管子的集电极电流基本上不随基极电流而变化, 这种现象称为饱和。此时三极管失去了放大作用, 或关系不成立。 一般认为CENE, 即CB时, 三极管处于临界饱和状态, 当CEBE时称为过饱和。三极管饱和时的管压降用CES表示。在深度饱和时, 小功率管管压降通常小于.V。 三极管工作在饱和区时, 发射结和集电结都处于正向偏置状态。对NPN三极管, 。 第123页/共132页三极管的