第14章二极管和晶体管 ppt课件

1、第第1414章章 二极管和晶体管二极管和晶体管114.1 14.1 半导体导电特性半导体导电特性自然界中很容易导电的物质称为自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。导体，金属一般都是导体。有的物质几乎不导电，称为绝缘有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。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，体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。氧化物等。按导电性能分按导电性能分214.1.1 本征半导体本征半导体实际应用最多的半导体是硅和锗，它

2、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。们原子的最外层电子价电子都是四个。GeSi完全纯净的、结构完整的半导体，称完全纯净的、结构完整的半导体，称为本征半导体晶体结构）。为本征半导体晶体结构）。3硅和锗的晶体结构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。原子之间形成共价键，共用一对价电子。+4+4+4+4共价键

3、共共价键共用电子对用电子对+4+4表示除表示除去价电子去价电子后的原子后的原子4本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理1 1、在绝对、在绝对0 0度和没有外界激发时度和没有外界激发时, ,价电价电子被共价键束缚，本征半导体中没有可子被共价键束缚，本征半导体中没有可以运动的带电粒子即载流子），不导以运动的带电粒子即载流子），不导电，相当于绝缘体。电，相当于绝缘体。2 2、在常温下，由于热激发，使一些价、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

4、子一个空位，称为空穴。即出现电子- -空穴空穴对。温度越高，本征半导体的导电能力对。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。要的外部因素，这是半导体的一大特点。5+4+4+4+4自由电子自由电子空空穴穴束缚电子束缚电子电子电子-空穴对空穴对本征半导体的导电机理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。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，在电场力作用下，空穴吸引临近的电空穴吸引临近的电子来填补，这样的子来填补，这样的结果相当于空穴的结果相当于空

5、穴的迁移，而空穴的迁迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移相当于正电荷的移动，因此认为空移动，因此认为空穴也是载流子，是穴也是载流子，是带正电的粒子。带正电的粒子。本征半导体的导电机理本征半导体的导电机理7 在半导体外加电压的作在半导体外加电压的作用下用下,出现两部分电流出现两部分电流:自由电自由电子定向移动、空穴的迁移。子定向移动、空穴的迁移。 本征半导体中由于电子本征半导体中由于电子-空穴数量极少，导电能力极空穴数量极少，导电能力极低。实用时采用杂质半导体低。实用时采用杂质半导体P型、型、N型）。型）。814.1.2 14.1.2 杂质半导体杂质半导体在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会在本

6、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型半导体，使空穴浓度大大增加的杂质半导体称为称为P型半导体。型半导体。N型半导体型半导体P型半导体型半导体掺入微量掺入微量5价元素磷）价元素磷）多子：电子多子：电子少子：空穴少子：空穴+掺入微量掺入微量3价元素硼）价元素硼）多子：空穴多子：空穴少子：电子少子：电子一一9 半导体的导电特点：半导体的导电特点：当受外界热和光的作用时，它的导当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。

7、电能力明显变化。往纯净的半导体中掺杂，会使它的往纯净的半导体中掺杂，会使它的导电能力急剧增加。导电能力急剧增加。14.2 PN结及其单向导电性结及其单向导电性PN PN 结的形成结的形成在同一片半导体基片上，分别制造在同一片半导体基片上，分别制造P P型半型半导体和导体和N N型半导体，经过载流子的扩散，在型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了它们的交界面处就形成了PNPN结。结。10P P型半导体型半导体N N型半导体型半导体+扩散运动扩散运动内电场内电场E E漂移运动漂移运动空间电荷区空间电荷区PNPN结处载流子的运动结处载流子的运动当扩散和漂移最终达当扩散和漂移最终达到动态

8、平衡，相当于到动态平衡，相当于两个区之间没有电荷两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的运动，空间电荷区的宽度基本不变，形成宽度基本不变，形成平衡平衡PNPN结。结。11PNPN结的单向导电性结的单向导电性 PN PN结加上正向电压结加上正向电压 （P P区加正、区加正、N N区加负）区加负）PNPN结加上反向电压结加上反向电压 （P P区加负、区加负、N N区加正）区加正）P PN N+I I正较大正较大内电场外电场外电场PNPN结呈低阻状态结呈低阻状态PNPN结呈高阻状结呈高阻状态态P PN N+内电场外电场外电场I I反反0PNPN结导通结导通正向偏置正向偏置PNPN结截止结截止反向偏置反向

9、偏置1214.3 14.3 半导体二极管及其伏安特性半导体二极管及其伏安特性14.3.1 14.3.1 基本结构及符号基本结构及符号PNPN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。引线引线外壳外壳触丝触丝N N锗基片锗基片点接触型点接触型锗管）锗管）N N硅基片硅基片面接触型面接触型（硅管）（硅管）P PN N符号符号1314.3.2 14.3.2 伏安特性伏安特性U UI I死区电压死区电压 硅硅管管0.5V,0.5V,锗管锗管0.1V0.1V。正向导通压降正向导通压降: : 硅硅管管0.60.8V,0.60.8V,锗管锗管0.20.3V0.20.3V。反

10、向击穿电压反向击穿电压U(BR)U(BR)1 1、正向特性、正向特性死死区区电电压压UUUUUU死区，死区，I I很快增长。很快增长。2 2、反向特性、反向特性U U反反U(BR), IU(BR), IU(BR), I突然增大，突然增大，二极管被击穿。二极管被击穿。从伏安特性可见二极管是非线性元件从伏安特性可见二极管是非线性元件1414.3.3 14.3.3 主要参数主要参数 最大整流电流最大整流电流 IOMIOM 二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。平均电流。 反向工作峰值电压反向工作峰值电压URWMURWMURWM=URWM=（1/

11、21/2或或1/31/3U(BR)U(BR) 反向峰值电流反向峰值电流 IRMIRM 为性质参数，反向电流越小单向导电性越好。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。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。整流、检波、限幅、元件保护及做开关元件等。RRLuiuRuotttuiuRuo例例14.3.1 二极管检波二极管检波例例14.3.2 二极管箝位、隔离二极管箝位、隔离1614.4 14.4 稳压管及其稳压电路稳压管及

12、其稳压电路UIUZIZIZmax IZ稳压管是一种特殊的面接触型硅二极管。符号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。稳压管工作于反向击穿区。 UZ172 2、稳定电流、稳定电流IZIZ3 3、最大稳定电流、最大稳定电流IzmaxIzmax4 4、最大允许耗散功率、最大允许耗散功率maxZZZMIUP 稳压管的主要参数稳压管的主要参数1 1、稳定电压、稳定电压 UZUZ稳压管稳压电路稳压管稳压电路RZDZRLDZDZ起电流控制作用起电流控制作用RZRZ起电压调节作用起电压调节作用18原理原理RZDZRLUiUoIZuUiUoIZIRZUo（基本不变）（基本不变）选稳压管

13、选稳压管Uz=UoIzmax=（1.53） IomaxUi=（23Uo一般取一般取19型号型号URWMURWMIOMIOM2CP 102CP 102CP 112CP 112CP 122CP 122CP 132CP 1325 V25 V50 V50 V100 V100 V150 V150 V2CZ 11 A2CZ 11 A2CZ 11 B2CZ 11 B2CZ 11 C2CZ 11 C2CZ 12 A2CZ 12 A2CZ 12 B2CZ 12 B2CZ 12 C2CZ 12 C2CZ 12 D2CZ 12 D100 V100 V200 V200 V300 V300 V100 V100 V200

14、 V200 V300 V300 V50 V50 V100 mA100 mA1000 mA1000 mA3000 mA3000 mA半导体二极管的参数半导体二极管的参数2014.5 14.5 晶体管晶体管14.5.1 14.5.1 基本结构基本结构SiO2SiO2保护膜保护膜N N型硅型硅N N型硅型硅P P型硅型硅B BE EC C平面型平面型合金型合金型E EC CB B N N型锗型锗 P PP P21B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极P PN NP P集电极集电极基极基极发射极发射极B BC CE E两个两个PNPN结，三个电极结，三个电极NPNNPN型

15、型B BE EC CPNPPNP型型B BE EC C晶体管结构示意图和符号晶体管结构示意图和符号22B BE EC CN NN NP P基极基极发射极发射极集电极集电极基区：较薄，掺杂浓基区：较薄，掺杂浓度低度低集电区：面集电区：面积较大积较大发射区：掺发射区：掺杂浓度较高杂浓度较高发射结发射结集电结集电结2314.5.2 14.5.2 电流放大作用和原理电流放大作用和原理ECICmA AVVUCEUBERBIBEB 实验线实验线路路mAIE24实验数据实验数据I IB B/mA/mA0 00.020.020.040.040.060.060.080.080.100.10I IC C/mA/m

16、A0.0010.0010.700.701.501.502.302.303.103.103.953.95I IE E/mA/mA0.0010.0010.720.721.541.542.362.363.183.184.054.05结论：结论：1 1、符合基尔霍夫电流定律；、符合基尔霍夫电流定律；2 2、IC/IBIC/IB基本为常数；基本为常数；3 3、要使三极管能放大电流，必须使发射、要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。结正偏，集电结反偏。25B BE EC CIBIBIEIEICICNPNNPN型三极管型三极管B BE EC CIBIBIEIEICICPNPPNP型三极管型三极

17、管电流方向和各极极性电流方向和各极极性+ + + +- - - -+ + + +- - - -2614.5.3 14.5.3 输入特性输入特性IB(IB(A)A)UBE(V)UBE(V)20204040606080800.40.40.80.8UCEUCE1V1V死区电压，硅死区电压，硅管管0.5V0.5V，锗管，锗管0.1V0.1V。工作压降：工作压降： 硅管硅管UBEUBE0.60.7V,0.60.7V,锗管锗管UBEUBE-0.2 -0.2 -0.3V -0.3V。2714.5.3 14.5.3 输出特性输出特性IC(mA )IC(mA )1 12 23 34 4UCE(V)UCE(V)3

18、 36 69 91212IB=0IB=02020A A4040A A6060A A8080A A100100A A此区域满足此区域满足IC=IC=IBIB称为称为线性区放大线性区放大区）。区）。当当UCEUCE大于一定的大于一定的数值时，数值时，ICIC只与只与IBIB有关，有关，IC=IC=IBIB。28IC(mA )IC(mA )1 12 23 34 4UCE(V)UCE(V)3 36 69 91212IB=0IB=02020A A4040A A6060A A8080A A100100A A此区域中此区域中UCEUCEUBE,UBE,集电集电结正偏，结正偏，IBICIBIC，UCEUCE0

19、.3V0.3V称为饱和区。称为饱和区。29IC(mA )IC(mA )1 12 23 34 4UCE(V)UCE(V)3 36 69 91212IB=0IB=02020A A4040A A6060A A8080A A100100A A此区域中此区域中 : : IB=0,IC=ICEO,UBIB=0,IC=ICEO,UBE E 死区电压，称死区电压，称为截止区。为截止区。3014.5.4 14.5.4 主要参数主要参数前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公前面的电路中，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。共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。共射

20、直流电流放大系数：共射直流电流放大系数：BC_II 1 1、电流放大系数、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的交流信号。基极电流的变化量为IBIB，相应的集电，相应的集电极电流变化为极电流变化为ICIC，则交流电流放大系数为：，则交流电流放大系数为： BIIC 在以后的计算中，一般作近似处理：在以后的计算中，一般作近似处理：= = 31集集- -基极反向截止电流基极反向截止电流ICBOICBOICBOICBO是集电结反是集电结反偏由少子的漂移偏由少子的漂移形成的反向电流，形成的反向电流，受温度的变

21、化影受温度的变化影响。响。集集- -射极反向截止电流射极反向截止电流ICEOICEO A AICBOICBO A AICEICEO OICEOICEO又称为穿透电流又称为穿透电流IE=0IE=0IB=0IB=02 2、极间反向电流、极间反向电流32集电极最大电流集电极最大电流ICMICM集电极电流集电极电流ICIC上升会导致三极管的上升会导致三极管的值的下降，当值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICMICM。集集- -射极反向击穿电压射极反向击穿电压U(BR)CEOU(BR)CEO 当集当集-射极之间的电压射极之间的电压UCEUCE超过一定的数值时，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三极管就会被击穿。手册上给出的数值是2525C C、基极、基极开路时的击穿电压开路时的击穿电压U(BR)CEOU(BR)CEO。3 3、极限参数、极限参数33集电极最大允许功耗集电极最大允许功耗PCMPCM集电极电流集电极电流ICIC流经集电极时将产生热量，使结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