電工學(xué)教案半導(dǎo)體二極管和三極管ppt課件

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電工學(xué)教研室電工學(xué)教研室 第第1515章章 半導(dǎo)體二極管和三極管半導(dǎo)體二極管和三極管返回返回目目 錄錄15.1 15.1 半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之半導(dǎo)體：導(dǎo)電能力介乎于導(dǎo)體和絕緣體之 間的間的 物質(zhì)。物質(zhì)。半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性半導(dǎo)體特性：熱敏特性、光敏特性、摻雜特性 本征半導(dǎo)體就是完全純凈的半導(dǎo)體。 應(yīng)用最多的本征半導(dǎo)體為鍺和硅，它們各有四個(gè)價(jià)電子，都是四價(jià)元素.硅的原子結(jié)構(gòu)硅的原子結(jié)構(gòu) 純凈的半導(dǎo)體其所有的原子基本上整齊排列，形成晶體結(jié)構(gòu)，所以半導(dǎo)體也稱為晶體 晶體管名稱的由來 本征半導(dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)中

2、的共價(jià)健結(jié)構(gòu)15.1.1 15.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體SiSiSiSi共價(jià)鍵共價(jià)鍵價(jià)電子價(jià)電子15.1.1 15.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 共價(jià)鍵中的電子在獲得一定能量后，即可掙脫原子核的束縛，成為自由電子同時(shí)在共價(jià)鍵中同時(shí)在共價(jià)鍵中留下一個(gè)空穴。留下一個(gè)空穴?？昭昭⊿iSiSiSi自在自在電子電子熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象熱激發(fā)與復(fù)合現(xiàn)象 由于受熱或光照產(chǎn)生自由電子和空穴的現(xiàn)象- 熱激發(fā)15.1.1 15.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體 自由電子在運(yùn)動(dòng)中遇到空穴后，兩者同時(shí)消失，稱為復(fù)合現(xiàn)象 溫度一定時(shí)，本征半導(dǎo)體中的自由電子空穴對(duì)的數(shù)目基本不變。溫度愈高，自由電子空穴對(duì)數(shù)目越多。SiSiS

3、iSi自由電子空穴半導(dǎo)體導(dǎo)電方式半導(dǎo)體導(dǎo)電方式 在半導(dǎo)體中，同時(shí)存在著電子導(dǎo)電和空穴導(dǎo)電，這是半導(dǎo)體導(dǎo)電方式的最大特點(diǎn)，也是半導(dǎo)體和金屬在導(dǎo)電原理上的本質(zhì)差別。載流子載流子自由電子和空穴自由電子和空穴 因?yàn)?，溫度愈高，載流子數(shù)目愈多，導(dǎo)電性能也就愈好，所以，溫度對(duì)半導(dǎo)體器件性能的影響很大。15.1.1 15.1.1 本征半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體SiSiSiSi價(jià)電子空穴 當(dāng)半導(dǎo)體兩端當(dāng)半導(dǎo)體兩端加上外電壓時(shí)，自加上外電壓時(shí)，自由電子作定向運(yùn)動(dòng)由電子作定向運(yùn)動(dòng)形成電子電流；而形成電子電流；而空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于空穴的運(yùn)動(dòng)相當(dāng)于正電荷的運(yùn)動(dòng)正電荷的運(yùn)動(dòng)15.1.2 N15.1.2 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P

4、型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體N型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中在硅或鍺的晶體中摻入微量的磷或摻入微量的磷或其它五價(jià)元素）。其它五價(jià)元素）。 自由電子是多數(shù)自由電子是多數(shù)載流子，空穴是載流子，空穴是少數(shù)載流子。少數(shù)載流子。 電子型半導(dǎo)體或N型半導(dǎo)體SiSiP+Si多余電子15.1.2 N15.1.2 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 在硅或鍺晶體中在硅或鍺晶體中摻入硼或其它摻入硼或其它三價(jià)元素）。三價(jià)元素）。 空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。 空穴型半導(dǎo)體或P型半導(dǎo)體。SiSiB-Si空穴15.1.2 N15.1.2 N型半導(dǎo)體和型半導(dǎo)體和P P型半導(dǎo)體型半導(dǎo)體 不

5、論N型半導(dǎo)體還是P型半導(dǎo)體，雖然它們都有一種載流子占多數(shù)，但是整個(gè)晶體仍然是不帶電的。 15.2 PN結(jié)15.2.1 PN15.2.1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成自由電子PN空穴PN結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的結(jié)是由擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)形成的15.2.1 PN15.2.1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成自由電子PN 空間電荷區(qū)內(nèi)電場(chǎng)方向空穴15.2.1 PN15.2.1 PN結(jié)的形成結(jié)的形成擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)和漂移運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡擴(kuò)散強(qiáng)擴(kuò)散強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)漂移運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng)兩者平衡兩者平衡PNPN結(jié)寬度基本穩(wěn)定結(jié)寬度基本穩(wěn)定外加外加電壓電壓平衡平衡破壞破壞擴(kuò)散強(qiáng)擴(kuò)散強(qiáng)漂移強(qiáng)漂移強(qiáng)PNPN結(jié)導(dǎo)通結(jié)導(dǎo)通P

6、NPN結(jié)截止結(jié)截止15.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 外加正向電壓使PN結(jié)導(dǎo)通PNPN結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過結(jié)呈現(xiàn)低阻導(dǎo)通狀態(tài)，通過PNPN結(jié)的電流結(jié)的電流基本是多子的擴(kuò)散電流基本是多子的擴(kuò)散電流正向電流正向電流+變窄PN內(nèi)電場(chǎng) 方向外電場(chǎng)方向RI15.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦? 外加反向電壓使PN結(jié)截止 PN結(jié)呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，通過PN結(jié)的電流是少子的漂移電流 -反向電流特點(diǎn): 受溫度影響大原因: 反向電流是靠熱激發(fā)產(chǎn)生的少子形成的+ - 變 寬PN內(nèi)電場(chǎng) 方向外電場(chǎng)方向RI=015.2.2 PN結(jié)的單向?qū)щ娦越Y(jié)結(jié) 論論 PN結(jié)具有單向?qū)щ娦越Y(jié)具有單向?qū)щ娦?（1） PN結(jié)加正向電壓時(shí)，處在

7、導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，結(jié)加正向電壓時(shí)，處在導(dǎo)通狀態(tài)，結(jié)電阻很低，正向電流較大。正向電流較大。（2PN結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，結(jié)加反向電壓時(shí)，處在截止?fàn)顟B(tài)，結(jié)電阻很高，反向電流很小。反向電流很小。15.3 15.3 半導(dǎo)體二極管半導(dǎo)體二極管15.3.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)15.3.2 伏安特性伏安特性15.3.3 伏安特性的折線化伏安特性的折線化15.3.4 二極管的主要參數(shù)二極管的主要參數(shù)15.3.1 基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)陰極引線鋁合金小球金銻合金底座N型硅陽極引線面接觸型面接觸型引線外殼觸絲N型鍺片點(diǎn)接觸型點(diǎn)接觸型表示符號(hào)表示符號(hào)15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性正向O

8、0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓 半導(dǎo)體二極管的伏安特性是非線性的。正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-50 -25I/A-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓 死區(qū)電壓： 硅管：0.5伏左右，鍺管： 0.1伏左右。 正向壓降： 硅管：0.7伏左右，鍺管： 0.2 0.3伏。15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性1 正向特性正向特性反向電流：反向電流：反向飽和電流：反向飽和電流：反向擊穿電壓反向擊穿電壓UBR）15.3.2 15.3.2 伏安特性伏安特性正向O 0.4 0.8 U/VI/mA80604020-

9、50 -25I/A-20-40反向死區(qū)電壓擊穿電壓2 反向特性反向特性15.3.4 伏安特性的折線化U0U0US15.3.4 15.3.4 主要參數(shù)主要參數(shù)1 最大整流電流最大整流電流IOM： 二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。二極管長(zhǎng)時(shí)間使用時(shí)，允許流過的最大正向平均電流。2 反向工作峰值電壓反向工作峰值電壓URWM: 保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓。3 反向峰值電流反向峰值電流IRM: 二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。二極管上加反向工作峰值電壓時(shí)的反向電流值。15.3.5 15.3.5 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 主要利用二極管

10、的單向?qū)щ娦浴？捎糜谡鳌z波、限幅、元件保護(hù)以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。 例: 圖中電路，輸入端A的電位VA=+3V，B的電位VB=0V，求輸出端Y的電位VY。電阻R接負(fù)電源-12V。VY=+2.7V解：解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，優(yōu)先導(dǎo)通， DA導(dǎo)通導(dǎo)通后，后， DB上加的是反向上加的是反向電壓，因而截止。電壓，因而截止。DA起鉗位作用，起鉗位作用， DB起隔離作用。起隔離作用。-12VAB+3V0VDBDAY15.4 15.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管 一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。它在電路中與適當(dāng)數(shù)值的電阻配合后能起穩(wěn)定電壓的作用。 1 1 穩(wěn)壓管表示符號(hào)：穩(wěn)壓管表示符號(hào)： 正向+-反向+-IZUZ2

11、 2 穩(wěn)壓管的伏安特性：穩(wěn)壓管的伏安特性：3 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理：穩(wěn)壓管穩(wěn)壓原理： 穩(wěn)壓管工作于反向擊穿區(qū)。穩(wěn)壓管擊穿時(shí)，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓管在電路中能起穩(wěn)壓作用。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。穩(wěn)壓管的反向特性曲線比較陡。反向擊穿 是可逆的。 U/VI/mA0IZIZMUZ 15.4 15.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管4 主要參數(shù)主要參數(shù)（2電壓溫度系數(shù)電壓溫度系數(shù) U（1穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電壓 UZ穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。穩(wěn)壓管在正常工作下管子兩端的電壓。說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)說明穩(wěn)壓管受溫度變化影響的系數(shù)15.4 15.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管（3動(dòng)

12、態(tài)電阻動(dòng)態(tài)電阻（4 4穩(wěn)定電流穩(wěn)定電流（5 5最大允許耗散功率最大允許耗散功率 rZ穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值穩(wěn)壓管端電壓的變化量與相應(yīng)的電流變化量的比值IZPZM管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。管子不致發(fā)生熱擊穿的最大功率損耗。 PZM=UZIZM15.4 15.4 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管例題例題+_UU0UZR穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓作用當(dāng)當(dāng)UUZ大于時(shí)大于時(shí),穩(wěn)壓管擊穿穩(wěn)壓管擊穿RUUIZZ此時(shí)此時(shí)選選R，使，使IZIZM15.5 15.5 半導(dǎo)體三極管半導(dǎo)體三極管15.5.1 15.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)15.5.1 15.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)15.5.2 15.5

13、.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理15.5.3 15.5.3 特性曲線特性曲線15.5.4 15.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù) 構(gòu)造構(gòu)造平面型平面型 合金型合金型 NPN PNP15.5.1 15.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)發(fā)射結(jié)集電結(jié)BNNP發(fā)射區(qū)基區(qū) 集電區(qū)ECNNPBECCEB發(fā)射結(jié)集電結(jié)BPPN發(fā)射區(qū)基區(qū) 集電區(qū)ECPPNBECCEB15.5.1 15.5.1 基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)15.5.2 15.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理AmAmAIBICIERBEC+_EBBCE3DG6共發(fā)射極接法15.5.2 15.5.2 電流分配和放大原理電流分配和放大原理晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)

14、晶體管電流測(cè)量數(shù)據(jù)IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05由此實(shí)驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果可得出如下結(jié)論：由此實(shí)驗(yàn)及測(cè)量結(jié)果可得出如下結(jié)論： （1） IE=IC+IB 符合基爾霍夫電流定律。符合基爾霍夫電流定律。 （2） IE和和IC比比IB 大的多。大的多。 （3當(dāng)當(dāng)IB=0將基極開路時(shí)，將基極開路時(shí)， IE=ICEO， ICEO0,UBC0,UBC=UBE-UCE,UBE1 15.5.3 15.5.3 特性曲線特性曲線2 輸出特性曲線輸出

15、特性曲線CICECB| )U(If 晶體管的輸出特性曲線是一組曲線。UCE/V13436912IC/mA10080604020AIB=00215.5.3 15.5.3 特性曲線特性曲線晶體管的輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：晶體管的輸出特性曲線分為三個(gè)工作區(qū)：（1放大區(qū)放大區(qū)（2截止區(qū)截止區(qū)（3飽和區(qū)飽和區(qū)（1放大區(qū)線性區(qū)）放大區(qū)線性區(qū)）132436912IC/mA10080604020AIB=00放大區(qū)UCE/V 輸出特性曲線的近似水平部分。輸出特性曲線的近似水平部分。 B_CII 發(fā)射結(jié)處于正向偏置；集電結(jié)處于反向偏置15.5.3 15.5.3 特性曲線特性曲線（2截止區(qū)截止區(qū)IB=0曲線以下

16、的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)曲線以下的區(qū)域?yàn)榻刂箙^(qū)IB=0 時(shí)，時(shí)，IC=ICEO0.001mA 對(duì)NPN型硅管而言，當(dāng)UBE0.5V時(shí)，即已開始截止，為了截止可靠，常使UBE小于等于零。132436912IC/mA10080604020AIB=00截止區(qū)UCE/V（3飽和區(qū)飽和區(qū) 當(dāng)UCEUBE時(shí)，集電結(jié)處于正向偏置，晶體管工作處于飽和狀態(tài) 在飽和區(qū)，IB的變化對(duì)IC的影響較小，兩者不成比例13436912IC/mA10080604020AIB=002飽和區(qū)UCE/V15.5.3 15.5.3 特性曲線特性曲線15.5.4 15.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù)1 電流放大系數(shù)電流放大系數(shù) ,_：靜態(tài)電流直流放大

17、系數(shù)BC_II ：動(dòng)態(tài)電流交流放大系數(shù)BCII注意：注意： ,_兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行兩者的含義是不同的，但在特性曲線近于平行等距并且等距并且ICEO較小的情況下，兩者數(shù)值較為較小的情況下，兩者數(shù)值較為接近。在估算時(shí)，常用接近。在估算時(shí)，常用_近似關(guān)系近似關(guān)系（1）（2）對(duì)于同一型號(hào)的晶體管，對(duì)于同一型號(hào)的晶體管，值有差別，常用晶體管的值有差別，常用晶體管的值在值在20-100之間。之間。15.5.4 15.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù)2 2 集集基極反向截止電流基極反向截止電流ICBOICBOICBO=IC|IE=0 ICBO受溫度的影響大。在室溫下，小功率鍺管的ICBO約為幾

18、微安到幾十微安，小功率硅管在一微安以下。ICBO越小越好。EC A+_T+_ICB015.5.4 15.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù)3 集集射極反向截止電流射極反向截止電流ICEOICEO=IC|IB=0穿透電流穿透電流ICEO與與ICBO的的關(guān)系：關(guān)系：CEOB_CBOCBOB_CCBO_CBOCBO_CEOCBOCBOCEO0ICBOBCBOCEBEC_III)I(II)I(1IIIIII|IIIIIIBICBO愈愈大，大，_愈高的管子，穩(wěn)定性愈差。因而，在選管子愈高的管子，穩(wěn)定性愈差。因而，在選管子時(shí)，要求時(shí)，要求ICBO盡可能小些，而盡可能小些，而_以不超過以不超過100100為宜。為宜。15.5.4 15.5.4 主要參數(shù)主要參數(shù)4 4 集電極最大允許電流集電極最大允許電流ICMICM集電極電流集電極電流IC超過一定值時(shí)，晶體管的超過一定值時(shí)，晶體管的_值要下降。當(dāng)值要下降。當(dāng)_值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流。值下降到正常值的三分之二時(shí)的集電極電流。 在使用晶體管時(shí)，IC超過ICM并不一定會(huì)使晶