电路与模拟电子技术电子教案第4章课件

1、半导体二极管和三极管第 4 章4.1半导体基础知识与PN结特性4.2二极管的种类及特性4.3二极管的检测与应用4.4双极型三极管4.6三极管的识别、检测及应用4.5 单极型三极管-场效应管4.7 技能训练半导体二极管、三极管第 4 章4.1半导体的基础知识4.1.1本征半导体4.1.2杂质半导体4.1.3PN 结4.1.1 本征半导体半导体 导电能力介于导体和绝缘体之间的物质。本征半导体 纯净、结构完整的半导体。如硅、锗单晶体。载流子 自由运动的带电粒子。共价键 相邻原子共有价电子所形成的束缚。+4+4+4+4硅(锗)的原子结构Si284Ge28184简化模型+4惯性核硅(锗)的共价键结构价电

2、子自由电子(束缚电子)空穴空穴空穴可在共价键内移动第 4 章半导体二极管、三极管本征激发：复 合：自由电子和空穴在运动中相遇重新结合后成对消失的过程。漂 移：自由电子和空穴在电场作用下的定向运动。在室温或光照下价电子获得足够能量摆脱共价键的束缚成为自由电子，同时在共价键中留下一个空位(空穴)的过程。第 4 章半导体二极管、三极管两种载流子电子(自由电子)空穴两种载流子的运动自由电子(在共价键以外)的运动空穴(在共价键以内)的运动 结论：1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少； 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电； 3. 本征半导体导电能力弱，且与温度有关。两种载流子第 4 章半

3、导体二极管、三极管4.1.2 杂质半导体一、N 型半导体和 P 型半导体N 型+5+4+4+4+4+4磷原子自由电子电子为多数载流子空穴为少数载流子载流子数 电子数P 型+3+4+4+4+4+4硼原子空穴空穴 多子电子 少子载流子数 空穴数施主离子施主原子受主离子受主原子 第 4 章半导体二极管、三极管二、杂质半导体的导电作用IIPINI = IP + INN 型半导体 I INP 型半导体 I IP三、P 型、N 型半导体的简化图示负离子多数载流子少数载流子正离子多数载流子少数载流子+ 第 4 章半导体二极管、三极管4.1.3 PN 结一、PN 结(PN Junction)的形成1. 载流子

4、的浓度差引起多子的扩散2. 复合使交界面形成空间电荷区(耗尽层) 空间电荷区特点:无载流子，阻止扩散进行，利于少子的漂移。3. 扩散和漂移达到动态平衡扩散电流 等于漂移电流， 总电流 I = 0。内建电场PN 结形成第 4 章半导体二极管、三极管二、PN 结的单向导电性1. 外加正向电压(正向偏置) forward biasP 区N 区内电场+ UR外电场外电场使多子向 PN 结移动,中和部分离子使空间电荷区变窄。 IF限流电阻2. 外加反向电压(反向偏置) reverse bias P 区N 区 +UR内电场外电场外电场使少子背离 PN 结移动， 空间电荷区变宽。IRPN 结的单向导电性：正

5、偏导通，呈小电阻，电流较大; 反偏截止，电阻很大，电流近似为零。漂移运动加强形成反向电流 IRPN 结单向导电第 4 章半导体二极管、三极管4.2 二极管的种类和特性4.2.1 二极管的结构、类型和命名4.2.2 二极管的伏安特性4.2.3 二极管的主要参数 第 4 章半导体二极管、三极管4.2.1 半导体二极管的结构、类型和命名构成：PN 结 + 引线 + 管壳 = 二极管(Diode)符号：A(anode)C(cathode)分类：按材料分硅二极管锗二极管按结构分点接触型面接触型点接触型正极引线触丝N 型锗片外壳负极引线负极引线 面接触型N型锗PN 结 正极引线铝合金小球底座金锑合金平面型

6、正极引线负极引线集成电路平面型PNP 型支持衬底 第 4 章半导体二极管、三极管半导体器件型号命名方法半导体器件的型号由五个部分组成 表 4.1 半导体器件的组成 表 4.1 半导体器件的组成 组成部分的符号及其意义 4.2.2 二极管的伏安特性一、PN 结的伏安方程反向饱和电流温度的电压当量电子电量玻尔兹曼常数当 T = 300(27C)：UT = 26 mV 第 4 章半导体二极管、三极管二、二极管的伏安特性OuD /ViD /mA正向特性Uth死区电压iD = 0Uth = 0.5 V 0.1 V(硅管)(锗管)U UthiD 急剧上升0 U Uth UD(on) = (0.6 0.8)

7、 V硅管 0.7 V(0.1 0.3) V锗管 0.2 V反向特性ISU (BR)反向击穿U(BR) U 0 iD = IS 0.1 A(硅) 几十 A (锗)U U(BR)反向电流急剧增大(反向击穿) 第 4 章半导体二极管、三极管反向击穿类型：电击穿热击穿反向击穿原因： 齐纳击穿：(Zener)反向电场太强，将电子强行拉出共价键。 (击穿电压 6 V，正温度系数)击穿电压在 6 V 左右时，温度系数趋近零。 第 4 章半导体二极管、三极管 第 4 章半导体二极管、三极管硅管的伏安特性锗管的伏安特性604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / ViD / mA

8、uD / V0.20.4 25 50510150.010.020温度对二极管特性的影响604020 0.0200.42550iD / mAuD / V20C90CT 升高时，UD(on)以 (2 2.5) mV/ C 下降 第 4 章半导体二极管、三极管4.2.3 二极管的主要参数1. IF 最大整流电流(最大正向平均电流)2. URM 最高反向工作电压，为 U(BR) / 2 3. IR 反向电流(越小单向导电性越好)4. fM 最高工作频率(超过时单向导电性变差) 第 4 章半导体二极管、三极管iDuDU (BR)I FURMO4.3二极管的检测与应用 4.3.1 二极管限幅 4.3.2

9、稳压二极管 4.3.3 光电二极管 4.3.4 二极管在整流电路中的应用 4.3.5 桥式整流滤波电路 4.3.6 二极管的识别与检测 第 4 章半导体二极管、三极管4.3.1 二极管的限幅例 1.3.5 ui = 2 sin t (V)，分析二极管的限幅作用。ui 较小，宜采用恒压降模型V1V2uiuORui 0.7 VV1、V2 均截止uO = uiuO = 0.7 Vui 0.7 VV2 导通 V截止ui UN二极管导通等效为 0.7 V 的恒压源 UO = VDD1 UD(on)= 15 0.7 = 14.3 (V)IO = UO / RL= 14.3 / 3 = 4.8 (mA)I2

10、 = (UO VDD2) / R = (14.3 12) / 1 = 2.3 (mA)I1 = IO + I2 = 4.8 + 2.3 = 7.1 (mA)VDD1VDD2UORLR1 kW3 kWIOI1I215 V12VPN 第 4 章半导体二极管、三极管4.3.2 稳压二极管一、伏安特性符号工作条件：反向击穿iZ /mAuZ/VOUZ IZmin IZmaxUZIZ IZ特性二、主要参数1. 稳定电压 UZ 流过规定电流时稳压管 两端的反向电压值。2. 稳定电流 IZ 越大稳压效果越好， 小于 Imin 时不稳压。3. 最大工作电流 IZM 最大耗散功率 PZMP ZM = UZ IZM

11、4. 动态电阻 rZrZ = UZ / IZ 越小稳压效果越好。几 几十 第 4 章半导体二极管、三极管5. 稳定电压温度系数 CT一般，UZ 4 V，CTV 7 V，CTV 0 (为雪崩击穿)具有正温度系数；4 V UZ 7 V，CTV 很小。 第 4 章半导体二极管、三极管例 4.3 分析简单稳压电路的工作原理， R 为限流电阻。IR = IZ + ILUO= UI IR R当 UI 波动时(RL不变)反之亦然当 RL 变化时(UI 不变)反之亦然UIUORRLILIRIZ 第 4 章半导体二极管、三极管4.3.3 发光二极管与光敏二极管一、发光二极管 LED (Light Emittin

12、g Diode)1. 符号和特性工作条件：正向偏置一般工作电流几十 mA， 导通电压 (1 2) V2. 主要参数电学参数：I FM ，U(BR) ，IR光学参数：峰值波长 P，亮度 L，光通量 发光类型：可见光：红、黄、绿显示类型： 普通 LED ，不可见光：红外光，点阵 LED符号u /Vi /mAO2特性七段 LED 第 4 章半导体二极管、三极管 第 4 章半导体二极管、三极管二、光敏二极管1符号和特性符号特性uiO暗电流E = 200 lxE = 400 lx工作条件：反向偏置2. 主要参数电学参数：暗电流，光电流，最高工作范围光学参数：光谱范围，灵敏度，峰值波长实物照片 第 4 章

13、半导体二极管、三极管4.3.4 二极管在单相整流 电路中的应用一、半波整流tO23u2tO23 uOtO23 iD= iOtO23 uDRL220 V+ uu2iD+ uD 第 4 章半导体二极管、三极管V3RLV4V2V1u1u2+uoioRLV4V3V2V1+uou2u1二、桥式整流输入正半周1. 工作原理2. 波形输入负半周tOtOtOtO2323Im2233uOu2uDiD= iO+uo单相桥式整流电路 第 4 章半导体二极管、三极管3. 参数估算1) 整流输出电压平均值2) 二极管平均电流3) 二极管最大反向压totototo2323Im2233uOu2uDiD = iO 第 4 章

14、半导体二极管、三极管4. 简化画法+uoRLio+u25. 整流桥把四只二极管封装在一起称为整流桥 第 4 章半导体二极管、三极管io + uo= uc RLV1V4V3V2+u4.3.5 桥式整流电容滤波电路V 导通时给 C 充电，V 截止时 C 向 RL 放电；一、电路和工作原理滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。电容充电电容放电C电容滤波电路 第 4 章半导体二极管、三极管二、 波形及输出电压当 RL = 时：OtuO2当 RL 为有限值时：通常取 UO = 1.2U2RC 越大 UO 越大RL = 为获得良好滤波效果，一般取：(T 为输入交流电压的周期) 第 4 章半导体二极管、

15、三极管例 4.4 单相桥式电容滤波整流,交流电源频率 f = 50 Hz，负载电阻 RL = 40 ，要求直流输出电压 UO = 20 V，选择整流二极管及滤波电容。 解1. 选二极管选二极管应满足：IF (2 3) ID可选：2CZ55C(IF = 1 A，URM = 100 V)或 1 A、100 V 整流桥电流平均值：承受最高反压：2. 选滤波电容可选： 1 000 F，耐压 50 V 的电解电容。 第 4 章半导体二极管、三极管一、目测判别极性触丝半导体片4.3.6二极管的识别与检测 第 4 章 半导体二极管、三极管二、用万用表检测二极管在 R 1 k 挡进行测量，红表笔是(表内电源)

16、负极，黑表笔是(表内电源)正极。测量时手不要接触引脚。1.用指针式万用表检测一般硅管正向电阻为几千欧，锗管正向电阻为几百欧。正反向电阻相差不大为劣质管。正反向电阻都是无穷大或零则二极管内部断路或短路。1k000 第 4 章 半导体二极管、三极管2 .用数字式万用表检测红表笔是(表内电源)正极，黑表笔是(表内电源)负极。2k20k200k2M20M200在 挡进行测量，当 PN 结完好且正偏时，显示值为PN 结两端的正向压降 (V)。反偏时，显示 。 第 4 章半导体二极管、三极管4.4双极型半导体 三极管4.4.1 三极管的工作原理4.4.2 三极管的特性曲线4.4.3 三极管的主要参数 第

17、4 章半导体二极管、三极管4.4.1 三极管的工作原理一、结构、符号和分类NNP发射极 E基极 B集电极 C发射结集电结 基区 发射区 集电区emitterbasecollectorNPN 型PPNEBCPNP 型分类：按材料分： 硅管、锗管按结构分： NPN、 PNP按使用频率分： 低频管、高频管按功率分：小功率管 1 WECBECB二、电流放大原理1. 三极管放大的条件内部条件发射区掺杂浓度高基区薄且掺杂浓度低集电结面积大外部条件发射结正偏集电结反偏2. 满足放大条件的三种电路uiuoCEBECBuiuoECBuiuo共发射极共集电极共基极实现电路uiuoRBRCuouiRCRE 第 4

18、章半导体二极管、三极管3. 三极管内部载流子的传输过程1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 IE。I CN多数向 BC 结方向扩散形成 ICN。IE少数与空穴复合，形成 IBN 。I BN基区空穴来源基极电源提供(IB)集电区少子漂移(ICBO)I CBOIBIBN IB + ICBO即：IB = IBN ICBO 3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 ICICI C = ICN + ICBO 2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略)三极管内载流子运动 第 4 章半导体二极管、三极管4. 三极管的电流分配关系当管子制成后，发射区载流子浓度、基区宽度、集电结面积等确

19、定，故电流的比例关系确定，即：IB = I BN ICBO IC = ICN + ICBOIE = IC + IB穿透电流 第 4 章半导体二极管、三极管4.4.2 三极管的特性曲线一、输入特性输入回路输出回路与二极管特性相似RCVCCiBIERB+uBE+uCEVBBCEBiC+iBRB+uBEVBB+O特性基本重合(电流分配关系确定)特性右移(因集电结开始吸引电子)导通电压 UBE(on)硅管： (0.6 0.8) V锗管： (0.2 0.3) V取 0.7 V取 0.2 VVBB+RB 第 4 章半导体二极管、三极管二、输出特性iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A1

20、0 AIB = 0O 2 4 6 8 4321截止区： IB 0 IC = ICEO 0条件：两个结反偏2. 放大区：3. 饱和区：uCE u BEuCB = uCE u BE 0条件：两个结均正偏特点：IC IB临界饱和时： uCE = uBE深度饱和时：0.3 V (硅管)UCE(SAT)=0.1 V (锗管)放大区截止区饱和区条件：发射结正偏 集电结反偏特点：水平、等间隔ICEO输 出 特 性 第 4 章半导体二极管、三极管三、温度对特性曲线的影响1. 温度升高，输入特性曲线向左移。温度每升高 1C，UBE (2 2.5) mV。温度每升高 10C，ICBO 约增大 1 倍。2. 温度升

21、高，输出特性曲线向上移。OT1T2 iCuCE T1iB = 0T2 iB = 0iB = 0温度每升高 1C， (0.5 1)%。输出特性曲线间距增大。O 第 4 章半导体二极管、三极管4.4.3 三极管的主要参数一、电流放大系数1. 共发射极电流放大系数iC / mAuCE /V50 A40 A30 A20 A10 AIB = 0O 2 4 6 8 4321 直流电流放大系数 交流电流放大系数一般为几十 几百2. 共基极电流放大系数 1 一般在 0.98 以上。 Q二、极间反向饱和电流CB 极间反向饱和电流 ICBO，CE 极间反向饱和电流 ICEO。 第 4 章半导体二极管、三极管三、极

22、限参数1. ICM 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。U(BR)CBO 发射极开路时 C、B 极间反向击穿电压。2. PCM 集电极最大允许功率损耗PC = iC uCE。3. U(BR)CEO 基极开路时 C、E 极间反向击穿电压。U(BR)EBO 集电极极开路时 E、B 极间反向击穿电压。U(BR)CBO U(BR)CEO U(BR)EBO已知:ICM = 20 mA, PCM = 100 mW，U(BR)CEO = 20 V，当 UCE = 10 V 时，IC mA当 UCE = 1 V，则 IC mA当 IC = 2 mA，则 UCE 0 此时 uGD = UGS(off)； 沟

23、道楔型耗尽层刚相碰时称预夹断。预夹断当 uDS ，预夹断点下移。3. 转移特性和输出特性UGS(off)当 UGS(off) uGS 0 时,uGSiDIDSSuDSiDuGS = 3 V 2 V 1 V0 V 3 VJFET工作原理OO 第 4 章半导体二极管、三极管一、增强型 N 沟道 MOSFET (Mental Oxide Semi FET)4.5.2 绝缘栅-MOS 场效应管1. 结构与符号P 型衬底(掺杂浓度低)N+N+用扩散的方法制作两个 N 区在硅片表面生一层薄 SiO2 绝缘层S D用金属铝引出源极 S 和漏极 DG在绝缘层上喷金属铝引出栅极 GB耗尽层S 源极 Source

24、G 栅极 Gate D 漏极 DrainSGDBMOSFET结构 第 4 章半导体二极管、三极管2. 工作原理1)uGS 对导电沟道的影响 (uDS = 0)a. 当 UGS = 0 ，DS 间为两个背对背的 PN 结；b. 当 0 UGS UGS(th)DS 间的电位差使沟道呈楔形，uDS，靠近漏极端的沟道厚度变薄。预夹断(UGD = UGS(th)：漏极附近反型层消失。预夹断发生之前： uDS iD。预夹断发生之后：uDS iD 不变。MOS工作原理 第 4 章半导体二极管、三极管3. 转移特性曲线2 4 64321uGS /ViD /mAUDS = 10 VUGS (th)当 uGS U

25、GS(th) 时：uGS = 2UGS(th) 时的 iD 值4. 输出特性曲线可变电阻区uDS 107 MOSFET：RGS = 109 1015IDSSuGS /ViD /mAO 第 4 章半导体二极管、三极管4. 低频跨导 gm 反映了uGS 对 iD 的控制能力，单位 S(西门子)。一般为几毫西 (mS)uGS /ViD /mAQPDM = uDS iD，受温度限制。5. 漏源动态电阻 rds6. 最大漏极功耗 PDMO 第 4 章半导体二极管、三极管4.6三极管的识别、 检测及选用4.6.1 三极管外型及引脚排列第 4 章半导体二极管、三极管4.6.2 三极管检测方法4.6.3 三极

26、管的选用4.6.1 三极管外型及引脚排列EBCEBCEBCBEC第 4 章半导体二极管、三极管4.6.2 三极管检测方法万用表检测晶体三极管的方法1. 根据外观判断极性；3. 用万用表电阻挡测量三极管的好坏，PN 结正 偏时电阻值较小(几千欧以下)，反偏时电阻 值较大(几百千欧以上) 。插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型 及管脚；第 4 章半导体二极管、三极管指针式万用表在 R 1 k 挡进行测量。红表笔是(表内)负极，黑表笔是(表内)正极。注意事项：测量时手不要接触引脚。1kBEC1kBEC第 4 章半导体二极管、三极管数字万用表注意事项： 红表笔是(表内电源)正极； 黑表笔是(表内

27、电源)负极。 NPN 和 PNP 管分别按 EBC 排列插入不同的孔。 需要准确测量 值时，应先进行校正。2. 插入三极管挡(hFE)，测量 值或判断管型及管脚。可直接用电阻挡的 挡，分别测量判断两个结 的好坏。第 4 章半导体二极管、三极管4.6.3 三极管的选用1. 根据电路工作要求选择高、低频管。2. 根据电路工作要求选择 PCM、 ICM 、 U(BR)CEO， 应保证： PC PCm ICM Cm U(BR)CEO VCC3. 一般三极管的 值在 40 100 之间为好，9013、 9014 等低噪声、高 的管子不受此限制 。4. 穿透电流 ICEO 越小越好，硅管比锗管的小。第 4

28、 章半导体二极管、三极管附录：半导体器件的命名方式第一部分数字电极数2 二极管3 三极管第二部分第三部分字母(汉拼)材料和极性A 锗材料 N 型B 锗材料 P 型C 硅材料 N 型D 硅材料 P 型A 锗材料 PNPB 锗材料 NPNC 硅材料 PNPD 硅材料 NPN字母(汉拼)器件类型P 普通管W 稳压管Z 整流管K 开关管U 光电管X 低频小功率管G 高频小功率管D 低频大功率管A 高频大功率管第四部分第五部分数字序号字母(汉拼)规格号例如：2CP 2AP 2CZ 2CW3AX31 3DG12B 3DD6 3CG 3DA 3AD 3DK 常用小功率进口三极管9011 9018第 4 章半

29、导体二极管、三极管小 结第 4 章一、两种半导体和两种载流子两种载流子的运动电子 带负电荷空穴带正电荷两 种半导体N 型 (多子电子，少子空穴)P 型 (多子空穴，少子电子)二、二极管1. 特性 单向导电正向电阻小(理想为 0)，反向电阻大()。iDO uDU (BR)I FURM2. 主要参数正向 最大平均电流 IF反向 最大反向工作电压 U(BR)(超过则击穿)反向饱和电流 IR (IS)(受温度影响)第 4章 小结IS3. 二极管的等效模型理想模型 (大信号状态采用)uDiD正偏导通 电压降为零 相当于理想开关闭合反偏截止 电流为零 相当于理想开关断开恒压降模型UD(on)正偏电压 UD(on) 时导通 等效为恒压源UD(on)否则截止，相当于二极管支路断开UD(on) = (0.6 0.8) V估算时取 0.7 V硅管：锗管：(0.1 0.3) V0.2 V折线近似模型相当于有内阻的恒压源 UD(o