電工學(xué)簡明教程秦曾煌第9章二極管和晶體管課件

第9章二極管和晶體管第9章二極管和晶體管9.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性9.2

二極管9.3

穩(wěn)壓二極管9.4

晶體管9.5

光電器件自由電子9.1

半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。9.1.1本征半導(dǎo)體空穴共價鍵SiSiSiSi本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的形成用得最多的半導(dǎo)體是硅或鍺,它們都是四價元素。將硅或鍺材料提純并形成單晶體后，便形成共價鍵結(jié)構(gòu)。在獲得一定能量(熱、光等)后，少量價電子即可掙脫共價鍵的束縛成為自由電子，同時在共價鍵中就留下一個空位，稱為空穴。自由電子和空穴總是成對出現(xiàn),同時又不斷復(fù)合。在外電場的作用下，自由電子逆著電場方向定向運動形成電子電流。帶正電的空穴吸引相鄰原子中的價電子來填補，而在該原子的共價鍵中產(chǎn)生另一個空穴?？昭ū惶钛a和相繼產(chǎn)生的現(xiàn)象，可以看成空穴順著電場方向移動，形成空穴電流?？梢娫诎雽?dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電?？昭ㄒ苿臃较?/p>

電子移動方向

外電場方向SiSiSiSiSiSiSi外電場的作用下電子、空穴的移動9.1.2N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體1．N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入五價元素磷，當某一個硅原子被磷原子取代時，磷原子的五個價電子中只有四個用于組成共價鍵，多余的一個很容易掙脫磷原子核的束縛而成為自由電子。因而自由電子的數(shù)量大大增加，是多數(shù)載流子，空穴是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為N型半導(dǎo)體。SiSiSiSiSiSiSiP多余價電子本征半導(dǎo)體中由于載流子數(shù)量極少，導(dǎo)電能力很低。如果在其中摻入微量的雜質(zhì)(某種元素)將使其導(dǎo)電能力大大增強。SiSiSiSiSiSiSi2.P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入三價元素硼，在組成共價鍵時將因缺少一個電子而產(chǎn)生一個空位，相鄰硅原子的價電子很容易填補這個空位，而在該原子中便產(chǎn)生一個空穴，使空穴的數(shù)量大大增加，成為多數(shù)載流子，電子是少數(shù)載流子，將這種半導(dǎo)體稱為P型半導(dǎo)體。

空位B空穴價電子填補空位2．PN結(jié)的單向?qū)щ娦?1)外加正向電壓內(nèi)電場方向E外電場方向RIP區(qū)N區(qū)外電場驅(qū)使P區(qū)的空穴進入空間電荷區(qū)抵消一部分負空間電荷N區(qū)電子進入空間電荷區(qū)抵消一部分正空間電荷空間電荷區(qū)變窄

擴散運動增強，形成較大的正向電流P區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向ER外電場方向IR2．外加反向電壓外電場驅(qū)使空間電荷區(qū)兩側(cè)的空穴和自由電子移走少數(shù)載流子越過PN結(jié)形成很小的反向電流多數(shù)載流子的擴散運動難于進行空間電荷區(qū)變寬9.2

二極管9.2.1基本結(jié)構(gòu)將PN結(jié)加上相應(yīng)的電極引線和管殼，就成為半導(dǎo)體二極管。按結(jié)構(gòu)分，有點接觸型和面接觸型兩類。a點接觸型b面接觸型N型鍺正極引線負極引線PN結(jié)底座鋁合金小球引線觸絲N型鍺外殼N型硅c平面型P型硅負極引線SiO2保護層正極引線金銻合金表示符號正極負極9.2.2伏安特性

二極管和

PN

結(jié)一樣，具有單向?qū)щ娦?，由伏安特性曲線可見，當外加正向電壓很低時，電流很小，幾乎為零。正向電壓超過一定數(shù)值后，電流很快增大，將這一定數(shù)值的正向電壓稱為死區(qū)電壓。通常，硅管的死區(qū)電壓約為

0.5V。導(dǎo)通時的正向壓降，硅管約為

0.6~0.7V。

604020–0.02–0.0400.40.8–25–50I/mAU/V正向特性硅管的伏安特性死區(qū)電壓擊穿電壓U(BR)反向特性

在二極管上加反向電壓時，反向電流很小。但當反向電壓增大至某一數(shù)值時，反向電流將突然增大。這種現(xiàn)象稱為擊穿，二極管失去單向?qū)щ娦?。產(chǎn)生擊穿時的電壓稱為反向擊穿電壓

U(BR)。–25–50鍺管的伏安特性鍺管死區(qū)電壓為

0.1V，導(dǎo)通時的正向壓降為

0.2~0.3V。–0.02I/mAU

/V0.20.451015–0.010死區(qū)電壓9.2.3主要參數(shù)1．最大整流電流IOM

最大整流電流是指二極管長時間使用時，允許流過二極管的最大正向平均電流。2．反向工作峰值電壓

URWM

它是保證二極管不被擊穿而給出的反向峰值電壓，一般是反向擊穿電壓的一半或三分之二。3．反向峰值電流IRM

它是指二極管上加反向工作峰值電壓時的反向電流值。

[例1]

在圖中，輸入電位VA=+3V，VB=0V，電阻R接負電源–12V。求輸出端電位VY。

[解]

因為VA

高于VB

，所以DA優(yōu)先導(dǎo)通。如果二極管的正向壓降是

0.3V，則

VY=+2.7V。當DA導(dǎo)通后，DB

因反偏而截止。

在這里，DA起鉗位作用，將輸出端電位鉗制在

+2.7V。

二極管的應(yīng)用范圍很廣,主要都是利用它的單向?qū)щ娦?。它可用作整流、檢波、限幅、元件保護以及在數(shù)字電路中作為開關(guān)元件。DA

–12VYVAVBDBR9.2.5

穩(wěn)壓二極管是一種特殊的面接觸型半導(dǎo)體硅二極管。其表示符號如下圖所示。穩(wěn)壓二極管工作于反向擊穿區(qū)。從反向特性曲線上可以看出，反向電壓在一定范圍內(nèi)變化時，反向電流很小。當反向電壓增高到擊穿電壓時，反向電流突然劇增，穩(wěn)壓二極管反向擊穿。此后，電流雖然在很大范圍內(nèi)變化，但穩(wěn)壓二極管兩端的電壓變化很小。利用這一特性，穩(wěn)壓二極管在電路中能起穩(wěn)壓作用。I/mAU/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ9.3

穩(wěn)壓二極管穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流穩(wěn)壓范圍

穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)有下面幾個：1．穩(wěn)定電壓UZ4．穩(wěn)定電流

IZ

3．動態(tài)電阻

rZ2．電壓溫度系數(shù)U5．最大允許耗散功率PZMI/mAU/VOUZIZIZM+正向

+反向UZIZ穩(wěn)定電壓穩(wěn)定電流最大穩(wěn)定電流穩(wěn)壓范圍9.3.3作業(yè)9.4

晶體管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)N集電極C發(fā)射極E基極BNPPN2．PNP型三極管

CBET符號9.4.2電流分配和放大原理9.4.2電流分配和放大原理9.4.2電流分配和放大原理我們通過實驗來說明晶體管的放大原理和其中的電流分配，實驗電路采用共發(fā)射極接法，發(fā)射極是基極電路和集電極電路的公共端。實驗中用的是NPN

型管，為了使晶體管具有放大作用，電源EB

和EC

的極性必須使發(fā)射結(jié)上加正向電壓(正向偏置)，集電結(jié)加反向電壓(反向偏置)。mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100

設(shè)

EC=6V；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都發(fā)生變化，測量結(jié)果如下表：基極電路集電極電路mAAVVmAICECIBIERB+UBE+UCEEBCEB3DG100IB/mA

00.020.040.060.080.10IC/mA<0.0010.701.502.303.103.95IE/mA<0.0010.721.542.363.184.05晶體管電流測量數(shù)據(jù)結(jié)論：符合基爾霍夫定律(2)

IC

和IE

比IB

大得多。從第三列和第四列的數(shù)據(jù)可得：(1)這就是晶體管的電流放大作用。稱為共發(fā)射極靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)。電流放大作用還體現(xiàn)在基極電流的少量變化

IB可以引起集電極電流較大的變化

IC。式中，稱為動態(tài)電流(交流)放大系數(shù)。

(3)

當IB=0(將基極開路)時，IC=ICE0，表中ICE0<0.001mA=1A。

(4)要使晶體管起放大作用，發(fā)射結(jié)必須正向偏置，發(fā)射區(qū)才可向基區(qū)發(fā)射電子；而集電結(jié)必須反向偏置,集電區(qū)才可收集從發(fā)射區(qū)發(fā)射過來的電子。下圖給出了起放大作用時晶體管中電流實際方向和發(fā)射結(jié)與集電結(jié)的實際極性。NPN型晶體管+UBE

CTEBIEIBIC+UCE

CTE+UBE

IBIEICB+UCEPNP型晶體管對于

NPN型晶體管應(yīng)滿足：

UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于

PNP型晶體管應(yīng)滿足：

UEB>0UCB

<0即

VC

<VB<

VE1.輸入特性曲線

輸入特性曲線是指當集-射極電壓

UCE為常數(shù)時，輸入電路(基極電路)中，基極電流

IB

與基-射極電壓

UBE

之間的關(guān)系曲線

IB

=f(UBE)。00.40.8IB

/AUBE/VUCE

≥

1V604020803DG100

晶體管的輸入特性也有一段死區(qū)，只有在發(fā)射結(jié)外加電壓大于死區(qū)電壓時，才會產(chǎn)生

IB。9.4.3特性曲線2．輸出特性曲線

輸出特性曲線是指當基極電流IB

為常數(shù)時，輸出電路(集電極電路)中集電極電流

IC

與集-射極電壓

UCE

之間的關(guān)系曲線IC

=f(UCE)。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。晶體管有三種工作狀態(tài)，因而輸出特性曲組分為三個工作區(qū)ICEC=UCCIBRB+UBE+UCEEBCEB共發(fā)射極電路IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=003691243212.31.5放大區(qū)2．輸出特性曲線IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=003691243212.31.5放大區(qū)(1)放大區(qū)輸出特性曲線的近于水平部分是放大區(qū)。在放大區(qū)，。放大區(qū)也稱為線性區(qū)，因為IC

和IB

成正比的關(guān)系。對NPN型管而言，應(yīng)使UBE

>0，UBC

<

0，此時，UCE

>UBE。飽和區(qū)截止區(qū)(2)截止區(qū)

IB=0的曲線以下的區(qū)域稱為截止區(qū)。IB=0時，IC=ICEO(很小)。對NPN型硅管，當

UBE<

0.5V時，即已開始截止，但為了使晶體管可靠截止，常使

UBE

≤

0，截止時集電結(jié)也處于反向偏置(UBC

<

0)，此時，IC

0，UCE

UCC。(3)飽和區(qū)

當

UCE

<

UBE

時，集電結(jié)處于正向偏置(UBC

>

0)，晶體管工作于飽和狀態(tài)。在飽和區(qū)，IC

和IB

不成正比。此時，發(fā)射結(jié)也處于正向偏置，UCE

0

，IC

UCC/RC。IC

/mAUCE

/V100μA80μA60μA40μA20μAIB=0O3691243212.31.5放大區(qū)當晶體管飽和時，UCE

0，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的接通，其間電阻很小；當晶體管截止時，IC

0

，發(fā)射極與集電極之間如同一個開關(guān)的斷開，其間電阻很大，可見，晶體管除了有放大作用外，還有開關(guān)作用。晶體管的三種工作狀態(tài)如下圖所示。+

UBE>0

ICIB+UCE(a)放大

UBC<0+IC0IB=0+UCEUCC(b)截止

UBC<0++UBE≤

0

+UBE>

0

IB+UCE0

(c)飽和

UBC>0+

管型

工作狀態(tài)

飽和

放大

截止UBE/VUCE/VUBE/VUBE/V開始截止可靠截止硅管(NPN)鍺管(PNP)

0.7

0.3

0.30.1

0.6~0.70.2~0.3

0.5

0.1

≤

0

0.1晶體管結(jié)電壓的典型值當晶體管接成共發(fā)射極電路時,在靜態(tài)(無輸入信號)時集電極電流與基極電流的比值稱為靜態(tài)電流(直流)放大系數(shù)9.4.4主要參數(shù)1.電流放大系數(shù)，當晶體管工作在動態(tài)(有輸入信號)時，基極電流的變化量為IB，它引起集電極電流的變化量為IC

。IC

與IB

的比值稱為動態(tài)電流(交流)放大系數(shù)

在輸出特性曲線近于平行等距并且

ICEO

較小的情況下，可近似認為，但兩者含義不同。2.集-基極反向截止電流ICBOICBO

是當發(fā)射極開路時流經(jīng)集電結(jié)的反向電流，其值很小。3．集-射極反向截止電流ICEO

ICEO

是當基極開路(IB=0)時的集電極電流，也稱為穿透電流，其值越小越好。4．集電極最大允許電流ICM

當

值下降到正常數(shù)值的三分之二時的集電極電流，稱為集電極最大允許電流

ICM。

5．集-射反相擊穿電壓

U(BR)CEO6.集電極最大允許耗散功率PCM

基極開路時，加在集電極和發(fā)射極之間的最大允許電壓，稱為集-射反相擊穿電壓

U(BR)CEO

。

當晶體管因受熱而引起的參數(shù)變化不超過允許值時，集電極所消耗的最大功率，稱為集電極最大允許耗散功率

PCM。ICICMU(BR)CEOUCEPCMOICEO安全工作區(qū)

由

ICM

、U(BR)CEO

、PCM三者共同確定晶體管的安全工作區(qū)。單電子晶體管結(jié)構(gòu)示意圖單電子晶體管1.單電子存儲器2.電子、電流檢測和基準器件3.單電子數(shù)字集成電路C1C2CgVg量子隧穿效應(yīng)：電子與某一勢壘碰撞時，如果勢壘的厚度減薄到能夠與電子的德布羅意波長相當，那么電子具有一定的概率穿過該勢壘。庫侖阻塞效應(yīng)：如果一個庫侖島的靜電勢能能級間隔比電子運動的能量大，那么該電子就難以隧穿進入該庫侖島。晶閘管的外形(a)螺旋式；(b)平板式；(c)壓膜塑封式晶閘管的結(jié)構(gòu)與工作原理1.晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和符號(a)內(nèi)部結(jié)構(gòu)；(b)符號常用晶閘管的結(jié)構(gòu)螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實驗電路2.晶閘管的導(dǎo)通關(guān)斷實驗作業(yè)9.5

光電器件9.5.1

發(fā)光二極管pn在正向偏置下，電子和空穴發(fā)生輻射復(fù)合，發(fā)出光子，光子能量等于Eg。VCC>VD＋－第二章照明電光源發(fā)光二極管發(fā)光原理1907年，人們發(fā)現(xiàn)半導(dǎo)體PN結(jié)通電發(fā)光的現(xiàn)象，100年來LED真正產(chǎn)業(yè)化的時期是上世紀60年代，當時的LED只能發(fā)紅光，而且很暗，只可作信號指示燈，僅用于昂貴的儀器上。70年代,開發(fā)出綠光和黃光LED，開始在各種信號燈上作光源。90年代,發(fā)明