第6章二极管和晶体管

1、下篇下篇 电子电子技术技术 东北林业大学机电工程学院东北林业大学机电工程学院 电工电子教研室电工电子教研室绪 论一、电子技术的发展一、电子技术的发展二、模拟信号与模拟电路二、模拟信号与模拟电路三、电子信息系统的组成三、电子信息系统的组成四、如何学习这门课程四、如何学习这门课程一、电子技术的发展广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交广播通信：发射机、接收机、扩音、录音、程控交换机、电话、手机换机、电话、手机网络：路由器、网络：路由器、ATMATM交换机、收发器、调制解调器交换机、收发器、调制解调器工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床工业：钢铁、石油化工、机加工、数控机床交通：飞机、火车、

2、轮船、汽车交通：飞机、火车、轮船、汽车军事：雷达、电子导航军事：雷达、电子导航航空航天：卫星定位、监测航空航天：卫星定位、监测医学：医学：刀、刀、CTCT、B B超、微创手术超、微创手术消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄消费类电子：家电（空调、冰箱、电视、音响、摄像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、像机、照相机、电子表）、电子玩具、各类报警器、保安系统保安系统 电子技术的发展很大程度上反映在元器件的发展上。从电子管半导体管集成电路19041904年年电子管问世电子管问世19471947年年晶体管诞生晶体管诞生19581958年集成电年集成电路研制成功路研制成功电子管、晶体管

3、、集成电路比较电子管、晶体管、集成电路比较半导体元器件的发展19471947年年 贝尔实验室制成第一只晶体管贝尔实验室制成第一只晶体管19581958年年 集成电路集成电路19691969年年 大规模集成电路大规模集成电路19751975年年 超大规模集成电路超大规模集成电路 第一片集成电路只有第一片集成电路只有4个晶体管，而个晶体管，而1997年一片集成电路年一片集成电路中有中有40亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按亿个晶体管。有科学家预测，集成度还将按10倍倍/6年年的速度增长，到的速度增长，到2015或或2020年达到饱和。年达到饱和。1. 1. 电子电路中信号的分类电子电路中信号的

4、分类数字信号数字信号：离散性：离散性模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。模拟信号：连续性。大多数物理量为模拟信号。 2. 2. 模拟电路模拟电路 模拟电路模拟电路是对模拟信号进行处理的电路。是对模拟信号进行处理的电路。 最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放最基本的处理是对信号的放大，有功能和性能各异的放大电路。大电路。 其它模拟电路多以放大电路为基础。其它模拟电路多以放大电路为基础。三、电子信息系统的组成模拟电子电路模拟电子电路数字电子电路（系统）数字电子电路（系统）传感器传感器接收器接收器隔离、滤隔离、滤波、放大波、放大运算、转运算、转换、比较换、比较功放功放模拟模拟- -

5、数字混合电子电路数字混合电子电路模拟电子系统模拟电子系统执行机构执行机构四、如何学习这门课程 掌握掌握基本概念、基本电路和基本分析方法基本概念、基本电路和基本分析方法 基本概念：概念是不变的，应用是灵活的，基本概念：概念是不变的，应用是灵活的， “万万变不离其宗变不离其宗”。 基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种基本电路：构成的原则是不变的，具体电路是多种多样的。多样的。 基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标基本分析方法：不同类型的电路有不同的性能指标和描述方法，因而有不同的分析方法。和描述方法，因而有不同的分析方法。第6章 半导体二极管和三极管6.1 6.1 半导体基础知识半

6、导体基础知识6.2 6.2 半导体二极管半导体二极管6.3 6.3 稳压二极管及其稳压电路稳压二极管及其稳压电路6.4 6.4 晶体管晶体管一、本征半导体 导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。导电性介于导体与绝缘体之间的物质称为半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。本征半导体是纯净的晶体结构的半导体。1 1、什么是半导体？什么是本征半导体？、什么是半导体？什么是本征半导体？ 导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电导体铁、铝、铜等金属元素等低价元素，其最外层电子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。子在外电场作用下很容易产生定向移动，形成电流。 绝缘体惰性气体、橡胶等

7、，其原子的最外层电子受原绝缘体惰性气体、橡胶等，其原子的最外层电子受原子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导子核的束缚力很强，只有在外电场强到一定程度时才可能导电。电。 半导体硅（半导体硅（Si）、锗（）、锗（Ge），均为四价元素，它们原），均为四价元素，它们原子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。子的最外层电子受原子核的束缚力介于导体与绝缘体之间。无杂质无杂质稳定的结构稳定的结构2、本征半导体的结构由于热运动，具有足够能量由于热运动，具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子而成为自由电子自由电子的产生使共价键中自由电子的产生使共价

8、键中留有一个空位置，称为空穴留有一个空位置，称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。自由电子与空穴相碰同时消失，称为复合。共价键共价键 一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，一定温度下，自由电子与空穴对的浓度一定；温度升高，热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对热运动加剧，挣脱共价键的电子增多，自由电子与空穴对的浓度加大。的浓度加大。动态平衡动态平衡两种载流子两种载流子 外加电场时，带负电的自由电外加电场时，带负电的自由电子和带正电的空穴均参与导电，子和带正电的空穴均参与导电，且运动方向相反。由于载流子数且运动方向相反。由于载流子数目很少，故导电性很差。目很少，

9、故导电性很差。3、本征半导体中的两种载流子 温度升高，热运动加剧，载温度升高，热运动加剧，载流子浓度增大，导电性增强。流子浓度增大，导电性增强。 热力学温度热力学温度0K时不导电。时不导电。二、杂质半导体 1. N N型半导体5磷（磷（P） 杂质半导体主要靠多数载流杂质半导体主要靠多数载流子导电。掺入杂质越多，多子子导电。掺入杂质越多，多子浓度越高，导电性越强，实现浓度越高，导电性越强，实现导电性可控。导电性可控。多数载流子多数载流子 空穴比未加杂质时的数目多空穴比未加杂质时的数目多了？少了？为什么？了？少了？为什么？2. 2. P P型半导体3硼（硼（B）多数载流子多数载流子 P型半导体主要

10、靠空穴导电，型半导体主要靠空穴导电，掺入杂质越多，空穴浓度越高，掺入杂质越多，空穴浓度越高，导电性越强，导电性越强， 在杂质半导体中，温度变化时，在杂质半导体中，温度变化时，载流子的数目变化吗？少子与多载流子的数目变化吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子变化的数目相同吗？少子与多子浓度的变化相同吗？子浓度的变化相同吗？三、PNPN结的形成扩散运动扩散运动P区空穴区空穴浓度远高浓度远高于于N区。区。N区自由电区自由电子浓度远高子浓度远高于于P区。区。 扩散运动使靠近接触面扩散运动使靠近接触面P区的空穴浓度降低、靠近接触面区的空穴浓度降低、靠近接触面N区的自由电子浓度降低，产生内电场。区的自

11、由电子浓度降低，产生内电场。 因电场作用所产因电场作用所产生的运动称为漂移生的运动称为漂移运动。运动。 参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态参与扩散运动和漂移运动的载流子数目相同，达到动态平衡，就形成了平衡，就形成了PN结。结。漂移运动漂移运动 由于扩散运动使由于扩散运动使P区与区与N区的交界面缺少多数载流子，形成区的交界面缺少多数载流子，形成内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从内电场，从而阻止扩散运动的进行。内电场使空穴从N区向区向P区、自由电子从区、自由电子从P区向区向N 区运动。区运动。PN结加正向电压导通：结加正向电压导通： 耗尽层变窄，扩散运动加耗尽层变窄，扩散

12、运动加剧，由于外电源的作用，形剧，由于外电源的作用，形成扩散电流，成扩散电流，PNPN结处于导通结处于导通状态。状态。PN结加反向电压截止：结加反向电压截止： 耗尽层变宽，阻止扩散运动，耗尽层变宽，阻止扩散运动，有利于漂移运动，形成漂移电有利于漂移运动，形成漂移电流。由于电流很小，故可近似流。由于电流很小，故可近似认为其截止。认为其截止。四四 、PN PN 结的单向导电性问题为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制为什么将自然界导电性能中等的半导体材料制成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，成本征半导体，导电性能极差，又将其掺杂，改善导电性能？改善导电性能？为什么半导体器件的温度稳定性差？是

13、多子还为什么半导体器件的温度稳定性差？是多子还是少子是影响温度稳定性的主要因素？是少子是影响温度稳定性的主要因素？6.2 半导体二极管一、二极管的组成一、二极管的组成二、二极管的伏安特性二、二极管的伏安特性三、二极管的主要参数三、二极管的主要参数四、稳压二极管及其稳压电路四、稳压二极管及其稳压电路 一、二极管的结构及用途将将PN结封装，引出两个电极，就构成了二极管。结封装，引出两个电极，就构成了二极管。小功率小功率二极管二极管大功率大功率二极管二极管稳压稳压二极管二极管发光发光二极管二极管 一、二极管的组成点接触型：结面积小，点接触型：结面积小，结电容小，故结允许结电容小，故结允许的电流小，最

14、高工作的电流小，最高工作频率高。频率高。面接触型：结面积大，面接触型：结面积大，结电容大，故结允许结电容大，故结允许的电流大，最高工作的电流大，最高工作频率低。频率低。平面型：结面积可小、平面型：结面积可小、可大，小的工作频率可大，小的工作频率高，大的结允许的电高，大的结允许的电流大。流大。 二、二极管的伏安特性材料材料开启电压开启电压导通电压导通电压反向饱和电流反向饱和电流硅硅Si0.5V0.60.7V1A以下锗锗Ge0.1V2几十A开启开启电压电压反向饱反向饱和电流和电流击穿击穿电压电压二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。二极管的电流与其端电压的关系称为伏安特性。三、二极管的主要参数

15、最大整流电流最大整流电流I IOMOM：最大平均值：最大平均值反向工作峰值电压反向工作峰值电压UURWMRWM：最大瞬时值：最大瞬时值反向峰值电流反向峰值电流 I IRMRM： 主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。在数字电路中作为开关元件。 例例: 图中电路，输入端图中电路，输入端A的电位的电位VA=+3V，B的电位的电位VB=0V，求输出端，求输出端Y的电的电位位VY。电阻。电阻R接负电源接负电源-12V。VY=+2.7V解：解： DA优先导通，优先导通， DA导通后，导通后

16、， DB上上加的是反向电压，因而截止。加的是反向电压，因而截止。DA起钳位作用，起钳位作用， DB起起隔离作用。隔离作用。-12VAB+3V0VDBDAY四、稳压二极管1. 伏安特性进入稳压区的最小电流进入稳压区的最小电流不至于损坏的最大电流不至于损坏的最大电流 由一个由一个PN结组结组成，反向击穿后成，反向击穿后在一定的电流范在一定的电流范围内端电压基本围内端电压基本不变，为稳定电不变，为稳定电压。压。2. 主要参数稳定电压稳定电压UZ、稳定电流、稳定电流IZ最大功耗最大功耗PZM IZM UZ动态电阻动态电阻rzUZ /IZ 若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会若稳压管的电流太小则不稳压，若稳压管的电流太大则会因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电因功耗过大而损坏，因而稳压管电路中必需有限制稳压管电流的限流电阻！流的限流电阻！限流电阻限流电阻斜率？斜率？正向+-反向+-IZUZ反向击穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 例题例题+_UU0UZR稳压管的稳压作用稳