二極管和晶體管

1電工電子學II

陳彩蓉

crchen@21）試卷卷面：70分2）實驗+作業(yè)+出勤：30分總學時：32（16周）理論學時：26學時實驗3個，共6學時?？荚囆问剑壕唧w實驗時間另行安排3主要教學環(huán)節(jié)習題獨立完成作業(yè)，按時交作業(yè)。緊跟老師講課思路，搞清基本概念，注意解題方法和技巧。課堂教學實驗注意理論聯(lián)系實際，掌握常用儀器、儀表的使用方法，驗證與探索相結合。4課程主要內容16集成運算放大器17電子電路中的反饋18直流穩(wěn)壓電源15基本放大電路☆14半導體器件19電力電子技術（*）20門電路和組合邏輯電路21觸發(fā)器和時序邏輯電路模擬電路數(shù)字電路5電子技術的發(fā)展史信號電子電路緒論

61.電子電路的發(fā)展史。

二極管、三極管的發(fā)明：愛迪生發(fā)明了熱二極管、英國科學家弗萊明在愛迪生發(fā)明的熱二極管的基礎上發(fā)明了實用的真空二極管，1907年，美國人福斯特(L．D．Forst)發(fā)明了真空三極管,從而使電子電路技術進入了實際應用階段。1936年，黑白電視機正式問世了緒論

計算機研制成功：1946年，世界又—個奇跡出現(xiàn)了，第一臺電子計算機在美國研制成功。這臺計算機是以美國數(shù)學家馮.諾依曼(JohnVonNeumann)為首設計的。7

固態(tài)電子學時代：1947年，貝爾實驗室的布拉丁、巴丁和肖克利發(fā)明了一種點接觸晶體管。這是一種全新的固態(tài)器件，它體積小、電性能穩(wěn)定、功耗低。這項發(fā)明自從1948年公布于世起，很快就應用于通信、電視、計算機等領域，促進了電氣和電子工程技術的飛速發(fā)展緒論

集成電路誕生：1958年，利用單晶硅材料，世界上第一片集成電路(IntegratedCircuit，IC)在美國誕生，1961年福查德公司生產出了第一片商用IC。

20世紀60年代末，在大約1/4英寸見方的小硅片上可以集成68000個晶體管和數(shù)千個其它元件。今后，單片集成度將以什么樣的速度發(fā)展，摩爾定律做出的回答是：今后幾十年內，單片可集成的晶體管數(shù)目將以每14個月翻一番的速度遞增。8上一節(jié)下一節(jié)上一頁緒論

信號數(shù)字信號：模擬信號：“模擬”物理量的變化(如聲音、溫度等的變化)而所得出信號。隨時間連續(xù)變化。

周期信號和非周期信號離散的，不連續(xù)的信號。對于數(shù)字信號，我們只能考慮它的有無或出現(xiàn)次數(shù)，而對信號的大小并無嚴格的要求。

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幾種常見的模擬信號

正弦波矩齒波上數(shù)字信號10緒論

3.電子電路電子電路數(shù)字電路：模擬電路：用于傳遞和處理模擬信號的電子電路稱為模擬電路。

對數(shù)字信號進行傳遞、處理的電子電路稱為數(shù)字電路。

11第14章半導體器件14.3二極管☆14.4穩(wěn)壓二極管14.5雙極型晶體管（三極管）☆☆14.2PN結及單向導電性☆14.1半導體的導電特性12第14章二極管和晶體管本章重點討論以下幾個問題：1）半導體的導電特性；2）PN結的形成及其導電特性；3）半導體二極管的工作原理及其特性曲線、主要參數(shù)及應用；4）特殊二極管；5）晶體管的結構、工作原理、特性曲線和主要參數(shù)。學習的重點是半導體器件的工作原理、特性曲線、主要參數(shù)及其應用。1314.1半導體和本征半導體半導體的三個特性：(可做成溫度敏感元件，如熱敏電阻)。摻雜性：往純凈的半導體中摻入某些雜質，導電能力明顯改變(可做成各種不同用途的半導體器件，如二極管、三極管和晶閘管等）。光敏性：當受到光照時，導電能力明顯變化(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：當環(huán)境溫度升高時，導電能力顯著增強半導體：這中材料導電能力介于導體和絕緣體之間。1414.1.1本征半導體完全純凈的、具有晶體結構的半導體，稱為本征半導體。晶體中原子的排列方式硅單晶中的共價健結構共價健共價鍵中的兩個電子，稱為價電子。

Si

Si

Si

Si價電子15

Si

Si

Si

Si價電子

價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（帶負電），同時共價鍵中留下一個空位，稱為空穴（帶正電）。本征半導體的導電機理這一現(xiàn)象稱為本征激發(fā)?？昭囟扔?，晶體中產生的自由電子便愈多。自由電子

在外電場的作用下，空穴吸引相鄰原子的價電子來填補，而在該原子中出現(xiàn)一個空穴，其結果相當于空穴的運動（相當于正電荷的移動）。☆16本征半導體的導電機理

當半導體兩端加上外電壓時，在半導體中將出現(xiàn)兩部分電流

(1)自由電子作定向運動電子電流

(2)價電子遞補空穴空穴電流注意：

(1)本征半導體中載流子數(shù)目極少,其導電性能很差；(2)溫度愈高，載流子的數(shù)目愈多,半導體的導電性能也就愈好。自由電子和空穴都稱為載流子。自由電子和空穴成對地產生的同時，又不斷復合。在一定溫度下，載流子的產生和復合達到動態(tài)平衡，半導體中載流子便維持一定的數(shù)目。17第14章二極管和晶體管14.1.2N

型半導體和P

型半導體圖14.1.5磷原子的結構圖14.1.6硅晶體中摻磷出現(xiàn)自由電子本征半導體中摻入5價的元素形成N

型半導體。N

型半導體中，自由電子是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子。

Si

Si

Si

Sip+多余電子磷原子失去一個電子變?yōu)檎x子18第14章二極管和晶體管圖14.1.7硼原子的結構圖14.1.8硅晶體中摻硼出現(xiàn)空穴本征半導體中摻入3價的元素形成P

型半導體。P

型半導體中，空穴是多數(shù)載流子，自由電子是少數(shù)載流子。

Si

Si

Si

SiB–硼原子接受一個電子變?yōu)樨撾x子空穴19思考1.當溫度升高時，少數(shù)載流子的數(shù)量（a.減少、b.不變、c.增多）。c2.在外加電壓的作用下，P型半導體中的電流主要是

，N型半導體中的電流主要是。（a.電子電流、b.空穴電流）ba3。N型半導體中自由電子多于空穴，而P型半導體的空穴多于自由電子，是否N型半導體帶負電，而P型半導體帶正電？無論N型或P型半導體都是中性的，對外不顯電性。2014.2PN結多數(shù)載流子的擴散運動內電場少數(shù)載流子的漂移運動濃度差P型半導體N型半導體內電場越強，漂移運動越強，而漂移使空間電荷區(qū)變薄。擴散的結果使空間電荷區(qū)變寬。PN結：P型半導體和N型半導體的交界面處形成的一個特殊的薄層。

擴散和漂移這一對相反的運動最終達到動態(tài)平衡，空間電荷區(qū)的厚度固定不變。－－－－－－－－－－－－－－－－++++++++++++++++++++++++－－－－－－－－形成空間電荷區(qū)21擴散運動空間電荷區(qū)削弱內電場漂移運動內電場動態(tài)平衡－－－－－－－－－－－－－－－－P內電場電荷區(qū)空間擴散運動漂移運動N2214.2.2PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–23外電場方向與內電場方向相反空間電荷區(qū)(耗盡層)變薄擴散＞漂移導通電流很大,呈低阻態(tài)。－－－－－－－－－－－－－－－－PN內電場外電場

加正向電壓（正偏）P（+）N（－）少數(shù)載流子形成的電流，可忽略。2414.2.2PN結的單向導電性1.PN結加正向電壓（正向偏置）PN結變窄P接正、N接負外電場IF內電場被削弱，多數(shù)載流子的擴散加強，形成較大的擴散電流。

PN結加正向電壓時，PN結變窄，正向電流較大，正向電阻較小，PN結處于導通狀態(tài)。內電場PN－－－－－－－－－－－－－－－－－－+++++++++++++++++++–252.PN結加反向電壓（反向偏置）外電場與內電場相同耗盡層加厚漂移＞擴散少數(shù)載流子形成反向電流IR，很小，呈高阻態(tài)。N－－－－－－－－－－－－－－－－P內電場外電場

加反向電壓（反偏）P（－）N（+）PN結加反向電壓時，PN結變寬，反向電流較小，反向電阻較大，PN結處于截止狀態(tài)。26將PN結加上相應的電極引線和管殼，就成為二極管。按結構分，二極管有點接觸型、面接觸型和平面型三類。（1）點接觸型(一般為鍺管)二極管適用于高頻和小功率工作；（2）面接觸型(一般為硅管)二極管一般用作整流；（3）平面型二極管可用作大功率整流管和數(shù)字電路中的開關管。二極管的符號14.3半導體二極管27(a)(b)(c)(a)點接觸型；(b)面接觸型；(c)平面型。14.3半導體二極管2814.3.2伏安特性硅管0.5V,鍺管0.1V。反向擊穿電壓U(BR)導通壓降

外加電壓大于死區(qū)電壓二極管才能導通。外加電壓大于反向擊穿電壓二極管被擊穿，失去單向導電性。正向特性反向特性特點：非線性硅0.6~0.8V鍺0.2~0.3VUI死區(qū)電壓PN+–PN–+反向電流在一定電壓范圍內保持常數(shù)。291.最大整流電流IOM2.反向工作峰值電壓URWMURWM

一般為反向擊穿電壓的一半或三分之二。3.反向峰值電流IRMIRM

是二極管加上反向工作峰值電壓時的反向電流值。14.3.3主要參數(shù)允許流過二極管的最大正向平均電流。30二極管的單向導電性1.二極管加正向電壓（陽極接正、陰極接負）時，二極管處于正向導通狀態(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（陽極接負、陰極接正）時，二極管處于反向截止狀態(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，失去單向導電性。310t0tEEt1t2時,二極管截止,（0～t1與t2以后）時,二極管導通,（t1～t2）練習3233電路如圖，求：UAB例：

取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。在這里，二極管起鉗位作用。D6V12V3kBAUAB+–V陽

=－6VV陰=－12VV陽>V陰二極管導通若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB=－6V34兩個二極管的陰極接在一起取B點作參考點，斷開二極管，分析二極管陽極和陰極的電位。V1陽=－6V，V2陽=0V，V1陰=V2陰=－12V二極管上壓降：UD1=6V，UD2=12V∵

UD2>UD1

∴D2優(yōu)先導通，D1截止。若忽略管壓降，二極管可看作短路，UAB

=0V例2:D1承受反向電壓為－6V流過D2

的電流為求：UABBD16V12V3kAD2UAB+–35穩(wěn)壓二極管：工作在反向擊穿狀態(tài)的一種特殊的面接觸型半導體硅二極管。它在電路中和適當?shù)碾娮枧浜夏軌蚱鸬椒€(wěn)壓的作用。穩(wěn)壓二極管的表示符號+_14.4穩(wěn)壓二極管36注意：穩(wěn)壓二極管的反向擊穿是可逆的。2.伏安特性穩(wěn)壓管正常工作時加反向電壓使用時要加限流電阻穩(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。14.4穩(wěn)壓二極管UZIZIZMUZIZUIO37穩(wěn)壓二級管的主要參數(shù)1.穩(wěn)定電壓UZ2.電壓溫度系數(shù)穩(wěn)定工作時管子兩端的電壓，同一型號的穩(wěn)壓二極管的UZ

有一定的分散性。比如2CW59的UZ為10～11.8V。溫度每升高一度，UZ

升高的百分比。，則，則14.5雙極型晶體管☆384.動態(tài)電阻rZrZ

越小，穩(wěn)壓性能越好。3.穩(wěn)定電流IZ最大穩(wěn)定電流IZM14.5雙極型晶體管☆39例14.4.1計算下圖中通過穩(wěn)壓二極管的電流IZ

等于多少？R

是限流電阻，其值是否合適？解：如果穩(wěn)壓二極管處于正常工作狀態(tài)，則管子上的壓降為12V，所以此時R

上的電壓為因此，電流為因為。所以，限流電阻的阻值是合適的。14.5雙極型晶體管☆4014.5雙極型晶體管☆14.5.1基本結構NNP基極發(fā)射極集電極NPN型BECBECPNP型PPN基極發(fā)射極集電極符號：BECIBIEICBECIBIEICNPN型三極管PNP型三極管41基區(qū)：最薄，摻雜濃度最低發(fā)射區(qū)：摻雜濃度最高發(fā)射結集電結BECNNP基極發(fā)射極集電極結構特點：集電區(qū)：面積最大結構：三區(qū)，兩結，三層4214.5.2電流分配和放大原理晶體管電流放大的實驗電路(共發(fā)射極接法)14.5雙極型晶體管☆43發(fā)射結正偏、集電結反偏☆

發(fā)射結正偏UBE>0集電結反偏UBC<0

1.三極管放大的外部條件14.5雙極型晶體管☆NPN型三極管442.各電極電流關系及電流放大作用IB(mA)IC(mA)IE(mA)00.020.040.060.080.10<0.0010.701.502.303.103.95<0.0010.721.542.363.184.05結論:1）三電極電流關系IE=IB+IC2）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為晶體管的電流放大作用。

實質:是CCCS器件。453.三極管內部載流子的運動規(guī)律BECNNPEBRBECIEIBEICEICBO

基區(qū)空穴向發(fā)射區(qū)的擴散可忽略。發(fā)射結正偏，發(fā)射區(qū)電子不斷向基區(qū)擴散，形成發(fā)射極電流IE。從基區(qū)擴散來的電子作為集電結的少子，漂移進入集電結而被收集，形成ICE。集電結反偏，有少子形成的反向電流ICBO。

進入P區(qū)的電子少部分與基區(qū)的空穴復合，形成電流IBE，多數(shù)擴散到集電結。46晶體管電流放大作用的原理圖ICICEICBOIBIBEIEIC=ICE+ICBOICEIB=IBE-ICBOIBEICE與IBE之比稱為共發(fā)射極電流放大倍數(shù)14.5雙極型晶體管☆47圖14.5.6電流方向和發(fā)射結與集電結的極性(起放大作用時)(a)NPN型晶體管；(b)PNP型晶體管三極管極性及類型判別14.5雙極型晶體管☆4814.5.3特性曲線特性曲線用來表示晶體管各極電壓與電流之間的關系。14.5雙極型晶體管☆491.輸入特性曲線輸入特性曲線是UCE為常數(shù)時IB和UBE之間的關系。對于硅管而言，的輸入特性曲線變化不大。硅管的死區(qū)電壓約為

晶體管導通后，其發(fā)射結電壓UBE變化范圍很小NPN硅管:NPN型鍺管UBE0.2~0.3V14.5雙極型晶體管☆輸入特性曲線是UCE為常數(shù)時IB和UBE之間的關系。對于硅管而言，的輸入特性曲線變化不大。502．輸出特性曲線定義(1)截止區(qū)外部特征：三極管相當于開路。外部（偏置）條件：發(fā)射結反向偏置，集電結反向偏置。外部特征：三極管相當于短路。外部（偏置）條件：發(fā)射結正向偏置，集電結正向偏置。:是IB為常數(shù)時,Ic和UCE之間的關系。(2)飽和區(qū)IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O飽和區(qū)截止區(qū)14.5雙極型晶體管☆放大區(qū)51（3）放大區(qū)外部（偏置）條件：③

電流恒定①電流放大②電流控制電壓在很大范圍內變化，電流幾乎不變iB大iC也大，iB等于0

iC也等于0－－iB控制iC發(fā)射結正向偏置，集電結反向偏置。IB=020A40A60A80A100A36IC(mA)1234UCE(V)912O放大區(qū)14.5雙極型晶體管☆52放大截止飽和圖14.5.10晶體管三種工作狀態(tài)的電壓和電流14.5雙極型晶體管☆53例14.5.1在下圖的電路中當輸入電壓分別取3V，1V和-1V時，試問晶體管處于何種工作狀態(tài)？解：飽和時集電極電流和此IC

對應的IB

剛剛能使晶體管處于飽和狀態(tài)。將這一大小的IB

命名為，則14.5雙極型晶體管☆54(1)當UI=3V時此時，晶體管處于