《电工学》_秦曾煌主编第六版下册 电子技术 二极管和晶体管.pps

1、(1-0),第十四章 二极管和三极管,(14-1),第十四章 二极管和三极管, 14.1 半导体的导电特性 14.2 PN结及其单向导电性 14.3 二极管 14.4 稳压二极管 14.5 晶体管 14.6 光电器件,(14-2),导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：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，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,14.1 半导体的导电特性,(14-3),半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具有不同于其它物质的特点。例如：,当受外界热和光的

2、作用时，它的导电能 力明显变化 - 热敏特性、光敏特性。,往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变 - 掺杂特性。,(14-4),观看录像,本征半导体：共价键 半导体中载流子：空穴、自由电子、 激发、复合 半导体材料：掺几价元素？ N型、P型 PN结形成：扩散运动、漂移运动；平衡 PN结：单向导电性、正向偏置、反向偏置,(14-5),14.1.1 本征半导体,一、本征半导体的结构特点,通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,现代电子学中，用的最多的半导体是硅(Si)和锗(Ge)，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,(14-6),本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体

3、。,在硅和锗晶体中，原子按四角形系统构成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,(14-7),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(14-8),共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子，常温下束缚电子很难脱离共价键成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,共价键形成后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键有很强的结合力，使原子规则排列，形成晶体。,(14-9),二、本征半导体的导电机理,在绝对0度（T=0K）和没有外

4、界激发时,价电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。,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缚，成为自由电子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。,1.载流子、自由电子和空穴,(14-10),自由电子,空穴,束缚电子,自由电子、空穴成对出现,(14-11),2.本征半导体的导电机理,在其它力的作用下，空穴可吸引附近的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移，而空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可认为空穴是载流子。,本征半导体中存在数量相等的两种载流子：自由电子和空穴。,自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运

5、动,(14-12),温度越高，载流子的浓度越高，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要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。,(14-13),14.1.2 N 型半导体和P 型半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子的浓度大大增加。,P 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。,N 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。,(14-14

6、),一、N 型半导体,多余 电子,磷原子,(14-15),N 型半导体中的载流子是什么？,1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。,2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。,因掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。,(14-16),二、P 型半导体,空位,硼原子,P 型半导体中空穴是多子，电子是少子。,空穴,(14-17),三、杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子，受温度影响较小。 一般近似认为多子与杂质浓度相等。,(14-18)

7、,4. 在外加电压作用下，P 型半导体中电流主要 是 ，N 型半导体中电流主要是 。 （a. 电子电流、b.空穴电流）,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,b,a,课堂练习,(14-19),PN 结的形成,在同一片半导体基片上，分别制造P 型半导体和 N 型半导体，经过载流子的扩散，在它们的交界面处就形成了PN 结。,14.2 PN 结及其单向导电性,(14-20),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空

8、间电荷区逐渐加宽。,内电场越强，漂移运动就越强，而漂移的结果使空间电荷区变薄。,(14-21),P型半导体,N型半导体,当扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡时，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(14-22),空间 电荷区,N 型区,P 型区,电位V,V0,(14-23),1.空间电荷区中几乎没有载流子。,2.空间电荷区中内电场阻碍P 中的空穴、N 区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运 动）。,3.P 区中的电子和N 区中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。,注意:,(14-24),PN结的单向导电性,PN 结加上正向电压、正向偏置的意思

9、都是： P 区加正电压、N 区加负电压。,PN 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负电压、N 区加正电压。,(14-25),一、PN 结加正向电压,P,N,+,_,内电场被削弱，多子扩散加强，能够形成较大的正向电流。,(14-26),二、PN 结加反向电压,N,P,+,_,R,E,内电场被加强，多子扩散受到抑制，少子漂移加强，但因少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,(14-27),总结：,PN 结具有单向导电性： 1、加正向电压时，PN结处于导通状态，呈低电阻，正向电流较大。 2、加反向电压时，PN结处于截止状态，呈高电阻， 反向电流很小。,(14-28),14.3 二极管,一、

10、基本结构：PN 结加上管壳和引线。,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,(14-29),硅管0.5V锗管0.1V,反向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压，二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压时，二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,硅0.60.8V锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,二、伏安特性：,非线性,(14-30),三、主要参数,1. 最大整流电流 IOM,二极管

11、长时间使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2. 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，一般是反向击穿电压U(BR)的一半或三分之二。点接触型D 管为数十伏，面接触型D管可达数百伏。 通常二极管击穿时，其反向电流剧增，单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,(14-31),3. 反向峰值电流 IRM,指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。 反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。 硅管的反向电流较小（ 几微安），锗管的反向电流要比硅管大几十到几百倍。,以上均是二极管的直流参数，二极管的应用主要是利用它的单向导电性，它可

12、应用于整流、检波、限幅、保护等等。,(14-32),二极管电路分析,定性分析：判二极管的工作状态 - 导通、截止,实际二极管：正向导通 - 硅 0.60.7V 锗 0.20.3V,理想二极管：正向导通 - 管压降为零 反向截止 - 相当于断开,(14-33),二极管电路分析,分析方法：,1. 断开二极管,2. a) 分析其两端电位高低， b) 或其两端所加电压 UD 的正负。,3. a) V阳 V阴 导通 V阳 0 导通 UD 0 截止,(14-34),例1：已知：Ui = 10 sinwt V，二极管为理想元件。 试画出Uo的波形。,Ui 5V：Uo = Ui,解：,方法：判断二极管何时 导

13、通、截止。,Ui 5V ：Uo = 5V,(14-35),例2：已知：管子为锗管，Va = 3V，Vb = 0V。 试求：Vy = ?,方法：先判二极管谁优先导通， 导通后二极管起嵌位作用 两端压降为定值。,解：,P12：例14.3.2,(14-36),例3：二极管的应用 - 检波,uo,P11：例14.3.1,uR：R和C构成微分电路,(14-37),符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,伏安特性,稳压管正常工作时，需加反向电压，工作于反向击穿区。,使用时要加限流电阻,稳压原理： 稳压管反向击穿以后，电流变化很大，但其两端电压变化很小。,14.4 稳压二极管,曲线越陡电压越稳,(14-3

14、8),(1) 稳定电压 UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2) 电压温度系数 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3) 动态电阻,(4) 稳定电流 IZ 、最大稳定电流 IZM,(5) 最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,稳压二极管的主要参数:,(14-39),例：已知：Uz = 12V，IZM = 18mA，R = 1.6K。 试求：Iz = ? 限流电阻 R 的阻值是否合适？,解：,Iz = ( 20 Uz ) / R = ( 20-12 ) / 1.6x103 = 5mA 因：IZ IZM 故：限流电阻 R 的阻值

15、合适,P14：例 14.4.1,(14-40),负载电阻：,例：稳压管的技术参数:,解： uimax = 1.2ui 流过稳压管的电流为 IZmax,试求：限流电阻 R 和输入电压 ui 的正常值。,要求：ui 发生20%波动时，负载电压基本不变。,(14-41),联立方程 、 可解得：,uimin = 0.8ui 流过稳压管的电流为 IZmin,(14-42),14.5.1 基本结构,14.5 晶体管,常见：硅管主要是平面型，锗管都是合金型,结构图,(14-43),NPN型晶体管,PNP型晶体管,(14-44),基区：最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,三极管的结构

16、特点,集电区： 结面积最大,(14-45),放大的外部条件：发射结正偏、集电结反偏,PNP 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,NPN 发射结正偏 VBVE 集电结反偏 VCVB,14.5.2 电流分配和放大原理,从电位的角度看,(14-46),晶体管电流放大的实验电路 ,设 EC = 6 V，改变可变电阻 RB，则基极电流 IB、集电极电流 IC 和发射极电流 IE 都发生变化，测量结果如下表：,各电极电流关系,(14-47),(1) IE = IB + IC 符合基尔霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,晶体管的电流放大作用：基极电流的微小变化能够引起集

17、电极电流较大的变化。,放大实质：用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，晶体管是电流控制器件。,晶体管电流测量数据,结论,(14-48),(a) NPN 型晶体管,(b) PNP 型晶体管,晶体管起放大作用的条件： 发射结必须正向偏置，集电结必须反向偏置。,(14-49),观看录像,管子构成特点、外加偏置电压如何 影响其内部载流子运动？ 管子内部载流子如何分配？电流间 关系如何？ 温度对电流的影响,(14-50),电流分配和放大原理,基区空穴向发射区的扩散可忽略.,进入P 区的电子除极少数与基区空穴复合，形成电流IBE , 绝大多数扩散到集电结.,发射结正偏,发射区电子不断向基区扩散,形

18、成发射极电流 IE。,(14-51),EB,RB,EC,集电结反偏，由少子形成的反向电流ICBO 。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集,形成 ICE。,IB = IBE - ICBO IBE,(14-52),直流电流放大倍数：ICE 与 IBE之比,要使三极管能放大电流，必须使发射结正偏，集电结反偏。,(14-53),14.5.3 特性曲线,为什么要研究特性曲线： 直观地分析管子的工作状态； 合理地选择偏置电路的参数。,输入回路,输出回路,(14-54),一、输入特性曲线,0,死区电压硅管0.5V锗管0.1V,工作压降 硅管UBE0.60.7V锗管UBE0.20.3V

19、,(14-55),二、输出特性曲线,IC(mA),0,此区域满足IC= IB 称为放大区或线性区。,当UCE 大于一定数值时, IC 只与 IB 有关, 且 IC= IB,(14-56),0,深度饱和时 硅管UCES 0.3V 锗管UCES 0.1V,此区域UCEUBE, 集电结正偏， IBIC ，称为饱和区。,(14-57),0,此区域中 ：IB=0, IC=ICEO UBE 死区电压，称为截止区。,(14-58),输出特性三个区域的特点,放大区：发射结正偏，集电结反偏。 即： IC = IB , 且 IC = IB,(2) 饱和区：发射结正偏，集电结正偏。 即：UCE UBE ， IB I

20、C,(3) 截止区： UBE 死区电压， IB=0 ， IC=ICEO 0,(14-59),例1: = 50， USC = 12V, RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V 时，晶体管工作于哪 个区？,解：当USB =-2V时：,IB=0 ， IC=0,T 管工作于截止区,IC最大饱和电流：,(14-60),T 管工作于放大区,解：USB =2V时：,例1: = 50， USC = 12V, RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V 时，晶体管工作于哪 个区？,(14-61),解：USB =5V时:,T 管工作于饱和区，因IC 和IB 已不是

21、倍的关系,例1: = 50， USC = 12V, RB =70k， RC =6k 当USB = -2V，2V，5V 时，晶体管工作于哪 个区？,(14-62),例2：现测得放大电路中两晶体管各管脚电位如下： a：V1 = 12V，V2 = 3.7V，V3 = 3V； b：V1 = -6V，V2 = -2.1V，V3 = -1.9V 试判别各管的管脚、类型、材料。,解：,结论：b极 - 中间电位, e极 Ube很小 硅管:Ube = 0.6 0.8V 锗管:Ube = 0.2 0.3V NPN: Vc = max , Vc Vb Ve PNP: Vc = min , Ve Vb Vc,方法：先

22、确定 b、e 、c 脚 , 然后确定材料、类型,a：脚2 = b 脚 脚3 = e 脚 脚1 = c 脚 硅管, NPN管,b： 脚2 = b 脚 脚3 = e 脚 脚1 = c 脚 锗管, PNP管,PNP管,NPN管,(14-63),三、主要参数,前述电路中，三极管的发射极是输入和输出的公共点，称为共射接法，相应地还有共基、共集接法。,共射直流电流放大倍数：,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IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,1. 电流放大倍数和 ,(14-64),例：UCE=6V时：IB = 40 A, IC =1.5 mA； IB = 60 A, IC =2.3 mA。,在以后的计算中，一般作近似处理： =,解：,(14-65),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,(14-66),B,E,C,N,