《極管和晶體管》PPT課件.ppt

1、第14章 二極管和晶體管,14.3 半導(dǎo)體二極管,14.4 穩(wěn)壓二極管,14.5 半導(dǎo)體三極管,14.2 PN結(jié),14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,14.6 光電器件,本章要求： 1. 理解PN結(jié)的單向?qū)щ娦?，三極管的電流分配和 電流放大作用； 2. 了解二極管、穩(wěn)壓管和三極管的基本構(gòu)造、工 作原理和特性曲線，理解主要參數(shù)的意義； 3. 會(huì)分析含有二極管的電路,第14章 二極管和晶體管,學(xué)會(huì)用工程觀點(diǎn)分析問(wèn)題，就是根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)器件的數(shù)學(xué)模型和電路的工作條件進(jìn)行合理的近似，以便用簡(jiǎn)便的分析方法獲得具有實(shí)際意義的結(jié)果。 對(duì)電路進(jìn)行分析計(jì)算時(shí)，只要能滿足技術(shù)指標(biāo)，就不要過(guò)分追究精確的數(shù)值。 器件是非線

2、性的、特性有分散性、RC 的值有誤差、工程上允許一定的誤差、采用合理估算的方法,對(duì)于元器件，重點(diǎn)放在特性、參數(shù)、技術(shù)指標(biāo)和正確使用方法，不要過(guò)分追究其內(nèi)部機(jī)理。討論器件的目的在于應(yīng)用,14.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性,可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻,摻雜性：往純凈的半導(dǎo)體中摻入某些雜質(zhì)，導(dǎo)電 能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導(dǎo) 體器件，如二極管、三極管和晶閘管等,光敏性：當(dāng)受到光照時(shí)，導(dǎo)電能力明顯變化 (可做 成各種光敏元件，如光敏電阻、光敏二極 管、光敏三極管等,熱敏性：當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，導(dǎo)電能力顯著增強(qiáng),14.1.1 本征半導(dǎo)體,完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體，稱(chēng)為本征半

3、導(dǎo)體,晶體中原子的排列方式,硅單晶中的共價(jià)健結(jié)構(gòu),共價(jià)健,共價(jià)鍵中的兩個(gè)電子，稱(chēng)為價(jià)電子,價(jià)電子,價(jià)電子在獲得一定能量（溫度升高或受光照）后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子（帶負(fù)電），同時(shí)共價(jià)鍵中留下一個(gè)空位，稱(chēng)為空穴（帶正電,本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,這一現(xiàn)象稱(chēng)為本征激發(fā),空穴,溫度愈高，晶體中產(chǎn)生的自由電子便愈多,自由電子,在外電場(chǎng)的作用下，空穴吸引相鄰原子的價(jià)電子來(lái)填補(bǔ)，而在該原子中出現(xiàn)一個(gè)空穴，其結(jié)果相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)（相當(dāng)于正電荷的移動(dòng),本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)理,當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，在半導(dǎo)體中將出現(xiàn)兩部分電流 (1)自由電子作定向運(yùn)動(dòng) 電子電流 (2)價(jià)電子遞補(bǔ)空穴 空穴電流,注意：

4、 (1) 本征半導(dǎo)體中載流子數(shù)目極少, 其導(dǎo)電性能很差； (2) 溫度愈高， 載流子的數(shù)目愈多,半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能也就愈好。所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能影響很大,自由電子和空穴都稱(chēng)為載流子。 自由電子和空穴成對(duì)地產(chǎn)生的同時(shí)，又不斷復(fù)合。在一定溫度下，載流子的產(chǎn)生和復(fù)合達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，半導(dǎo)體中載流子便維持一定的數(shù)目,14.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后自由電子數(shù)目大量增加，自由電子導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為電子半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體,摻入五價(jià)元素,多余電子,磷原子,在常溫下即可變?yōu)樽杂呻娮?失去一個(gè)電子變?yōu)檎x子,在本征半導(dǎo)體中摻入微量的雜質(zhì)（某種元素）,形成雜質(zhì)半導(dǎo)體,在N 型半

5、導(dǎo)體中自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子,14.1.2 N型半導(dǎo)體和 P 型半導(dǎo)體,摻雜后空穴數(shù)目大量增加，空穴導(dǎo)電成為這種半導(dǎo)體的主要導(dǎo)電方式，稱(chēng)為空穴半導(dǎo)體或 P型半導(dǎo)體,摻入三價(jià)元素,在 P 型半導(dǎo)體中空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子,硼原子,接受一個(gè)電子變?yōu)樨?fù)離子,空穴,無(wú)論N型或P型半導(dǎo)體都是中性的，對(duì)外不顯電性,1. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中多子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān),2. 在雜質(zhì)半導(dǎo)體中少子的數(shù)量與 （a. 摻雜濃度、b.溫度）有關(guān),3. 當(dāng)溫度升高時(shí)，少子的數(shù)量 （a. 減少、b. 不變、c. 增多,a,b,c,4. 在外加電壓的作用下，P 型半導(dǎo)體中的電流

6、 主要是 ，N 型半導(dǎo)體中的電流主要是 。 （a. 電子電流、b.空穴電流,b,a,14.2 PN結(jié),14.2.1 PN結(jié)的形成,多子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),少子的漂移運(yùn)動(dòng),濃度差,P 型半導(dǎo)體,N 型半導(dǎo)體,內(nèi)電場(chǎng)越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，而漂移使空間電荷區(qū)變薄,擴(kuò)散的結(jié)果使空間電荷區(qū)變寬,空間電荷區(qū)也稱(chēng) PN 結(jié),擴(kuò)散和漂移這一對(duì)相反的運(yùn)動(dòng)最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變,形成空間電荷區(qū),14.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1. PN 結(jié)加正向電壓（正向偏置,PN 結(jié)變窄,P接正、N接負(fù),IF,內(nèi)電場(chǎng)被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)，形成較大的擴(kuò)散電流,PN 結(jié)加正向電壓時(shí)，PN結(jié)變窄，正向電流較大，正向電阻

7、較小，PN結(jié)處于導(dǎo)通狀態(tài),2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置,P接負(fù)、N接正,PN 結(jié)變寬,2. PN 結(jié)加反向電壓（反向偏置,內(nèi)電場(chǎng)被加強(qiáng)，少子的漂移加強(qiáng)，由于少子數(shù)量很少，形成很小的反向電流,IR,P接負(fù)、N接正,溫度越高少子的數(shù)目越多，反向電流將隨溫度增加,PN 結(jié)加反向電壓時(shí)，PN結(jié)變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結(jié)處于截止?fàn)顟B(tài),14.3 半導(dǎo)體二極管,14.3.1 基本結(jié)構(gòu),a) 點(diǎn)接觸型,b)面接觸型,結(jié)面積小、結(jié)電容小、正向電流小。用于檢波和變頻等高頻電路,結(jié)面積大、正向電流大、結(jié)電容大，用于工頻大電流整流電路,c) 平面型 用于集成電路制作工藝中。PN結(jié)結(jié)面積可大可小，用

8、于高頻整流和開(kāi)關(guān)電路中,圖 1 12 半導(dǎo)體二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào),14.3 半導(dǎo)體二極管,二極管的結(jié)構(gòu)示意圖,14.3.2 伏安特性,硅管0.5V鍺管0.1V,反向擊穿 電壓U(BR,導(dǎo)通壓降,外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導(dǎo)通,外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?正向特性,反向特性,特點(diǎn)：非線性,硅0.60.8V鍺0.20.3V,死區(qū)電壓,反向電流 在一定電壓 范圍內(nèi)保持 常數(shù),14.3.3 主要參數(shù),1. 最大整流電流 IOM,二極管長(zhǎng)期使用時(shí)，允許流過(guò)二極管的最大正向平均電流,2. 反向工作峰值電壓URWM,是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是二極管反向擊穿電

9、壓UBR的一半或三分之二。二極管擊穿后單向?qū)щ娦员黄茐?，甚至過(guò)熱而燒壞,3. 反向峰值電流IRM,指二極管加最高反向工作電壓時(shí)的反向電流。反向電流大，說(shuō)明管子的單向?qū)щ娦圆?，IRM受溫度的影響，溫度越高反向電流越大。硅管的反向電流較小，鍺管的反向電流較大，為硅管的幾十到幾百倍,二極管的單向?qū)щ娦?1. 二極管加正向電壓（正向偏置，陽(yáng)極接正、陰極接負(fù) ）時(shí)， 二極管處于正向?qū)顟B(tài)，二極管正向電阻較小，正向電流較大,2. 二極管加反向電壓（反向偏置，陽(yáng)極接負(fù)、陰極接正 ）時(shí)， 二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管反向電阻較大，反向電流很小,3.外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向?qū)щ娦?4.

10、二極管的反向電流受溫度的影響，溫度愈高反向電流愈大,二極管電路分析舉例,定性分析：判斷二極管的工作狀態(tài),導(dǎo)通截止,分析方法：將二極管斷開(kāi)，分析二極管兩端電位 的高低或所加電壓UD的正負(fù),若 V陽(yáng) V陰或 UD為正( 正向偏置 )，二極管導(dǎo)通 若 V陽(yáng) V陰或 UD為負(fù)( 反向偏置 )，二極管截止,若二極管是理想的，正向?qū)〞r(shí)正向管壓降為零，反向截止時(shí)二極管相當(dāng)于斷開(kāi),電路如圖，求：UAB,V陽(yáng) =6 V V陰 =12 V V陽(yáng)V陰 二極管導(dǎo)通 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 6V 否則， UAB低于6V一個(gè)管壓降，為6.3或6.7V,例1,取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管

11、陽(yáng)極和陰極的電位,在這里，二極管起鉗位作用,兩個(gè)二極管的陰極接在一起 取 B 點(diǎn)作參考點(diǎn)，斷開(kāi)二極管，分析二極管陽(yáng)極和陰極的電位,V1陽(yáng) =6 V，V2陽(yáng)=0 V，V1陰 = V2陰= 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 優(yōu)先導(dǎo)通， D1截止。 若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB = 0 V,例2,D1承受反向電壓為6 V,流過(guò) D2 的電流為,求：UAB,在這里， D2 起鉗位作用， D1起隔離作用,ui 8V，二極管導(dǎo)通，可看作短路 uo = 8V ui 8V，二極管截止，可看作開(kāi)路 uo = ui,已知： 二極管是理想的，試畫(huà)出 uo 波形,8V,例3

12、,二極管的用途： 整流、檢波、 限幅、鉗位、開(kāi) 關(guān)、元件保護(hù)、 溫度補(bǔ)償?shù)?參考點(diǎn),二極管陰極電位為 8 V,14.4 穩(wěn)壓二極管,1. 符號(hào),UZ,IZ,IZM,UZ,IZ,2. 伏安特性,穩(wěn)壓管正常工作時(shí)加反向電壓,使用時(shí)要加限流電阻,穩(wěn)壓管反向擊穿后，電流變化很大，但其兩端電壓變化很小，利用此特性，穩(wěn)壓管在電路中可起穩(wěn)壓作用,3. 主要參數(shù),1) 穩(wěn)定電壓UZ 穩(wěn)壓管正常工作(反向擊穿)時(shí)管子兩端的電壓,2) 電壓溫度系數(shù) 環(huán)境溫度每變化1C引起穩(wěn)壓值變化的百分?jǐn)?shù),3) 動(dòng)態(tài)電阻,4) 穩(wěn)定電流 IZ 、最大穩(wěn)定電流 IZM,5) 最大允許耗散功率 PZM = UZ IZM,rZ愈小，曲

13、線愈陡，穩(wěn)壓性能愈好,14.5 半導(dǎo)體三極管,14.5.1 基本結(jié)構(gòu),14.5 半導(dǎo)體三極管,晶體管的結(jié)構(gòu)示意圖和表示符號(hào),a)NPN型晶體管,b)PNP型晶體管,基區(qū)：最薄， 摻雜濃度最低,發(fā)射區(qū)：摻 雜濃度最高,發(fā)射結(jié),集電結(jié),結(jié)構(gòu)特點(diǎn),集電區(qū)： 面積最大,14. 5. 2 電流分配和放大原理,1. 三極管放大的外部條件,發(fā)射結(jié)正偏、集電結(jié)反偏,PNP 發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,從電位的角度看： NPN 發(fā)射結(jié)正偏 VBVE 集電結(jié)反偏 VCVB,晶體管電流放大的實(shí)驗(yàn)電路,設(shè) EC = 6 V，改變可變電阻 RB, 則基極電流 IB、集電極電流 IC 和發(fā)射極電流 IE

14、都發(fā)生變化，測(cè)量結(jié)果如下表,2. 各電極電流關(guān)系及電流放大作用,晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù),結(jié)論,1) IE = IB + IC 符合基爾霍夫定律 (2) IC IB ， IC IE (3) IC IB,把基極電流的微小變化能夠引起集電極電流較大 變化的特性稱(chēng)為晶體管的電流放大作用,實(shí)質(zhì): 用一個(gè)微小電流的變化去控制一個(gè)較大電流 的變化，是CCCS器件,a) NPN 型晶體管,電流方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的極性,4) 要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向 偏置，集電結(jié)必須反向偏置,b) PNP 型晶體管,3.三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴(kuò)散可忽略,發(fā)射結(jié)正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴(kuò)散，形

15、成發(fā)射極電流IE,進(jìn)入P 區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復(fù)合，形成電流IBE ，多數(shù)擴(kuò)散到集電結(jié),從基區(qū)擴(kuò)散來(lái)的電子作為集電結(jié)的少子，漂移進(jìn)入集電結(jié)而被收集，形成ICE,集電結(jié)反偏，有少子形成的反向電流ICBO,3. 三極管內(nèi)部載流子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 與 IBE 之比稱(chēng)為共發(fā)射極電流放大倍數(shù),集射極穿透電流, 溫度ICEO,常用公式,若IB =0, 則 IC ICE0,14.5.3 特性曲線,即管子各電極電壓與電流的關(guān)系曲線，是管子內(nèi)部載流子運(yùn)動(dòng)的外部表現(xiàn)，反映了晶體管的性能，是分析放大電路的依據(jù),為什么要研究特性曲線：

16、(1)直觀地分析管子的工作狀態(tài) (2)合理地選擇偏置電路的參數(shù),設(shè)計(jì)性能良好的電路,重點(diǎn)討論應(yīng)用最廣泛的共發(fā)射極接法的特性曲線,發(fā)射極是輸入回路、輸出回路的公共端,共發(fā)射極電路,輸入回路,輸出回路,測(cè)量晶體管特性的實(shí)驗(yàn)線路,1. 輸入特性,特點(diǎn):非線性,正常工作時(shí)發(fā)射結(jié)電壓： NPN型硅管 UBE 0.6 0.7V PNP型鍺管 UBE 0.2 0.3V,3DG100晶體管的 輸入特性曲線,死區(qū)電壓：硅管0.5V，鍺管0.1V,2. 輸出特性,共發(fā)射極電路,3DG100晶體管的輸出特性曲線,在不同的 IB下，可得出不同的曲線，所以晶體管 的輸出特性曲線是一組曲線,2. 輸出特性,晶體管有三種工

17、作狀態(tài)，因而輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū),3DG100晶體管的輸出特性曲線,1) 放大區(qū),在放大區(qū) IC = IB ，也稱(chēng)為線性區(qū)，具有恒流特性,在放大區(qū)，發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置，晶體管工作于放大狀態(tài),對(duì) NPN 型管而言, 應(yīng)使 UBE 0, UBC UBE,IC/mA,UCE/V,100 A 80A 60 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,2,截止區(qū),對(duì)NPN型硅管，當(dāng) UBE0.5V時(shí), 即已 開(kāi)始截止, 為使晶體 管可靠截止 , 常使 UBE 0。截止時(shí), 集 電結(jié)也處于反向偏 置(UBC 0),此時(shí), IC 0,

18、UCE UCC,IB = 0 的曲線以下的區(qū)域稱(chēng)為截止區(qū),IB = 0 時(shí), IC = ICEO(很小)。(ICEO0.001mA,截止區(qū),IC/mA,UCE/V,100 A 80A 60 A 40 A 20 A,O 3 6 9 12,4,2.3,1.5,3,2,1,IB =0,3) 飽和區(qū),在飽和區(qū)，IB IC，發(fā)射結(jié)處于正向偏置，集電結(jié)也處于正偏。 深度飽和時(shí)， 硅管UCES 0.3V， 鍺管UCES 0.1V。 IC UCC/RC,當(dāng) UCE 0)， 晶體管工作于飽和狀態(tài),飽和區(qū),晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流,a)放大,b)截止,c)飽和,當(dāng)晶體管飽和時(shí)， UCE 0，發(fā)射極與集電極之

19、間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的接通，其間電阻很??；當(dāng)晶體管截止時(shí)，IC 0 ，發(fā)射極與集電極之間如同一個(gè)開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)，其間電阻很大，可見(jiàn)，晶體管除了有放大作用外，還有開(kāi)關(guān)作用,晶體管結(jié)電壓的典型值,14.5.4 主要參數(shù),表示晶體管特性的數(shù)據(jù)稱(chēng)為晶體管的參數(shù)，晶體管的參數(shù)也是設(shè)計(jì)電路、選用晶體管的依據(jù),14.5.4 主要參數(shù),1. 電流放大系數(shù),直流電流放大系數(shù),交流電流放大系數(shù),當(dāng)晶體管接成發(fā)射極電路時(shí),注意,和 的含義不同，但在特性曲線近于平行等距并且ICE0 較小的情況下，兩者數(shù)值接近,常用晶體管的 值在20 200之間,由于晶體管的輸出特性曲線是非線性的，只有 在特性曲線的近于水平部分，IC隨IB成正

20、比變化， 值才可認(rèn)為是基本恒定的,例：在UCE= 6 V時(shí)， 在 Q1 點(diǎn)IB=40A, IC=1.5mA； 在 Q2 點(diǎn)IB=60 A, IC=2.3mA,在以后的計(jì)算中，一般作近似處理： =,在 Q1 點(diǎn)，有,由 Q1 和Q2點(diǎn)，得,2.集-基極反向截止電流 ICBO,ICBO是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)所形成的電流，受溫度的影響大。 溫度ICBO,3.集-射極反向截止電流(穿透電流)ICEO,ICEO受溫度的影響大。 溫度ICEO，所以IC也相應(yīng)增加。三極管的溫度特性較差,4.集電極最大允許電流 ICM,5.集-射極反向擊穿電壓U(BR)CEO,集電極電流 IC上升會(huì)導(dǎo)致三極管的值的下降，當(dāng)值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流即為 ICM,當(dāng)集射極之間的電壓UCE 超過(guò)一定的數(shù)值時(shí)，三極管就會(huì)被擊穿。手冊(cè)上給出的數(shù)值是25C、基極開(kāi)路時(shí)的擊穿電壓U(BR) CEO,6