電工電子學(xué)半導(dǎo)體二極管課件

電子技術(shù)課程：模擬電子技術(shù)：數(shù)字電子技術(shù)：以放大電路分析為主，重在分析電路的外部特性，例如放大倍數(shù)，輸入輸出阻抗等以門電路和觸發(fā)器為基本，重在分析組合邏輯電路和時序邏輯電路的功能學(xué)習(xí)方法：抓住電路的宏觀特征第9章二極管和晶體管9.2二極管9.3穩(wěn)壓二極管9.4晶體管9.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性半導(dǎo)體具有不同于其它物質(zhì)的特點。例如：當(dāng)受外界熱和光作用時，導(dǎo)電能力明顯變化。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?！?.1半導(dǎo)體的導(dǎo)電特性依照導(dǎo)電性能，可以把材料分為導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體。導(dǎo)體有良好的導(dǎo)電能力，常見的有銅、鋁等金屬材料；

絕緣體基本上不能導(dǎo)電，常見的有玻璃、陶瓷等材料；

半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能介于導(dǎo)體和絕緣體之間，常見的有硅(Si)、鍺(Ge)、砷化鎵(GaAs)等材料。9.1.1

本征半導(dǎo)體一、本征半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)特點Si用的最多的半導(dǎo)體是硅和鍺，它們的最外層電子（價電子）都是四個。本征半導(dǎo)體：完全純凈的、晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。共價鍵：共用電子對+4+4+4+4+4表示除去價電子后的原子形成共價鍵后，每個原子的最外層電子是八個，構(gòu)成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。束縛電子在熱力學(xué)溫度零度和沒有外界激發(fā)時,本征半導(dǎo)體不導(dǎo)電。+4+4+4+4+4+4+4+4+4自由電子空穴復(fù)合在常溫下自由電子和空穴的形成成對出現(xiàn)成對消失+4+4+4+4+4+4+4+4+4外電場方向空穴導(dǎo)電的實質(zhì)是共價鍵中的束縛電子依次填補(bǔ)空穴形成電流。空穴移動方向

電子移動方向

價電子填補(bǔ)空穴自由電子能導(dǎo)電空穴能導(dǎo)電半導(dǎo)體中兩種載流子:自由電子和空穴本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于載流子的濃度。9.1.2

N半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中摻入某些微量的雜質(zhì)，就會使半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能發(fā)生顯著變化。其原因是摻雜半導(dǎo)體的某種載流子濃度大大增加。P型半導(dǎo)體：空穴濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體：自由電子濃度大大增加的雜質(zhì)半導(dǎo)體。+4+4+4+4+4+4+4+41.N型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中摻入少量五價元素磷原子+4+5多余價電子自由電子正離子N型半導(dǎo)體中的載流子:1、自由電子。2、空穴。多數(shù)載流子少數(shù)載流子

N型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖少數(shù)載流子多數(shù)載流子正離子在N型半導(dǎo)中,電子是多數(shù)載流子,

空穴是少數(shù)載流子。+4+4+4+4+4+4+4空穴2.P型半導(dǎo)體在硅或鍺的晶體中

摻入少量的三價元素,形成P型半導(dǎo)體

+4+4硼原子填補(bǔ)空位+3負(fù)離子P型半導(dǎo)體中的載流子是:1、自由電子。2、空穴。多數(shù)載流子少數(shù)載流子

P型半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖電子是少數(shù)載流子負(fù)離子空穴是多數(shù)載流子P型半導(dǎo)體－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－N型半導(dǎo)體++++++++++++++++++++++++擴(kuò)散運動內(nèi)電場E漂移運動空間電荷區(qū)PN結(jié)§9.1.3PN結(jié)及其單向?qū)щ娦詢?nèi)電場阻止擴(kuò)散，有利于漂移1.PN結(jié)正向偏置_PN結(jié)加正向電壓、正向偏置：P區(qū)加正、N區(qū)加負(fù)電壓內(nèi)電場方向ERIP區(qū)N區(qū)空間電荷區(qū)變窄

內(nèi)電場被削弱，多子的擴(kuò)散加強(qiáng)能夠形成較大的擴(kuò)散電流。二、PN結(jié)的單向?qū)щ娦訮區(qū)N區(qū)內(nèi)電場方向ER空間電荷區(qū)變寬外電場方向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(kuò)散運動難于進(jìn)行伏安特性PN結(jié)的單向?qū)щ娦裕。?！一、基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)加上管殼和引線，就成為半導(dǎo)體二極管。引線外殼線觸絲線基片點接觸型PN結(jié)面接觸型PN二極管符號：§9.2半導(dǎo)體二極管600400200–0.1–0.200.40.8–50–100I/mAU/V正向特性反向擊穿特性硅管的伏安特性反向特性死區(qū)電壓I/mAU

/V0.40.8–40–80246–0.1–0.2鍺管的伏安特性正向特性反向特性0二、伏安特性導(dǎo)通壓降:硅管0.6~0.7V導(dǎo)通壓降:鍺管0.2~0.3V3.反向峰值電流

IRM1.最大整流電流

IOM：最大正向平均電流2.

反向工作峰值電壓URWM理想二極管：死區(qū)電壓=0，正向壓降=0RLuiuouiuott例1：二極管半波整流D3VRuiuouRuD例2：下圖是二極管限幅電路，D為理想二極管，

ui

=6sintV,E=3V,試畫出

uo波形。t

t

ui

/Vuo

/V6330022–6例3：下圖中，已知VA=3V，VB=0V，DA

、DB為鍺管(導(dǎo)通壓降0.3V)，求輸出端Y的電位,并說明二極管的作用。解：DA優(yōu)先導(dǎo)通，則VY=3–0.3=2.7VDA導(dǎo)通后,DB因反偏而截止,起隔離作用,DA起鉗位作用,將Y端的電位鉗制在+2.7V。DA

–12VYABDBR§9.3

穩(wěn)壓二極管+-穩(wěn)壓二極管的參數(shù):（1）穩(wěn)定電壓

UZ（2）動態(tài)電阻UIIZmUZIZ曲線越陡，動態(tài)電阻愈小，電壓越穩(wěn)定。UZ（3）.最大穩(wěn)定電流IZmax

穩(wěn)壓二極管是利用PN結(jié)反向擊穿后具有穩(wěn)壓特性制作的二極管，其除了可以構(gòu)成限幅電路之外，主要用于穩(wěn)壓電路。例：設(shè)DZ1的穩(wěn)定電壓為6V，DZ2的穩(wěn)定電壓為12V，設(shè)穩(wěn)壓管的正向壓降為0.7V，則輸出電壓UO

等于（

）。(a)18V(b)6.7V(c)30V(d)12.7V二極管的單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)正向偏置，近似短路，有0.2～0.6的壓降PN結(jié)反向偏置，處于高阻狀態(tài)，類似斷路穩(wěn)壓管的反向穩(wěn)壓性：小結(jié)：作業(yè)：P264-2669.2.4(a)(b)、9.2.6、9.3.3、N型硅BECN+P型硅基區(qū)：較薄，摻雜濃度低集電區(qū)：面積較大發(fā)射區(qū)：摻雜濃度較高9.4.1半導(dǎo)體三極管的結(jié)構(gòu)9.4半導(dǎo)體三極管1.NPN型三極管集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)NN集電極C基極B發(fā)射極EPECB符號三極管的結(jié)構(gòu)分類和符號集電區(qū)集電結(jié)基區(qū)發(fā)射結(jié)發(fā)射區(qū)

CBEN集電極C發(fā)射極E基極BNPPN2.PNP型三極管CEB9.4.2

三極管的電流控制作用三極管具有電流控制作用的外部條件

:（1）發(fā)射結(jié)正向偏置；（2）集電結(jié)反向偏置。對于NPN型三極管應(yīng)滿足:UBE

>0UBC

<

0即

VC>

VB>

VE對于PNP型三極管應(yīng)滿足:UEB>0UCB

<0即

VC

<VB

<

VEUBEEBRBIB

UCEECRCIC發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子IEIB電子在基區(qū)擴(kuò)散與復(fù)合集電區(qū)收集電子

電子流向電源正極形成ICICNPN電源負(fù)極向發(fā)射區(qū)補(bǔ)充電子形成

發(fā)射極電流IE

三極管的電流控制原理EB正極拉走電子，補(bǔ)充被復(fù)合的空穴，形成IBVCCRCVBBRB發(fā)射結(jié)正偏擴(kuò)散強(qiáng)E區(qū)多子（自由電子）到B區(qū)B區(qū)多子（空穴）到E區(qū)穿過發(fā)射結(jié)的電流主要是電子流形成發(fā)射極電流IEIE是由擴(kuò)散運動形成的1發(fā)射區(qū)向基區(qū)擴(kuò)散電子，形成發(fā)射極電流IE。2電子在基區(qū)中的擴(kuò)散與復(fù)合，形成基極電流IBE區(qū)電子到基區(qū)B后，有兩種運動擴(kuò)散IEC復(fù)合IEB同時基區(qū)中的電子被EB拉走形成IBIEB=IB時達(dá)到動態(tài)平衡形成穩(wěn)定的基極電流IBIB是由復(fù)合運動形成的3集電極收集電子，形成集電極電流IC集電結(jié)反偏阻礙C區(qū)中的多子（自由電子）擴(kuò)散，同時收集E區(qū)擴(kuò)散過來的電子有助于少子的漂移運動，有反向飽和電流ICBO形成集電極電流IC為了反映擴(kuò)散到集電區(qū)的電流ICE與基區(qū)復(fù)合電流IBE之間的比例關(guān)系，定義共發(fā)射極直流電流放大系數(shù)為2907APNP雙極性晶體管

大功率達(dá)林頓晶體管

三極管的伏安特性反映了三極管電極之間電壓和電流的關(guān)系。要正確使用三極管必須了解其伏安特性。輸入特性輸出特性9.4.3

特性曲線9.4.3

特性曲線ICmAAVVUCEUBERBIBECEB

實驗線路輸出回路輸入回路IB

=f(UBE)UCE=常數(shù)IB=

常數(shù)IC

=f

(UCE)一、輸入特性UCE1VIB(A)UBE(V)204060800.40.8UCE=0.5V二、輸出特性IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域滿足IC=IB稱為線性區(qū)（放大區(qū)）。當(dāng)UCE大于一定的數(shù)值時，IC只與IB有關(guān)，IC=IB。IB=

常數(shù)IC

=f

(UCE)IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中UCEUBE,集電結(jié)正偏，IB>IC，稱為飽和區(qū)。UCE=0IC(mA)1234UCE(V)36912IB=020A40A60A80A100A此區(qū)域中:IB=0,UBE<死區(qū)電壓，稱為截止區(qū)。發(fā)射結(jié)反偏UCE=VCC小結(jié)：三極管的三種工作狀態(tài)集電結(jié)，發(fā)射結(jié)均正偏，三極管處于飽和狀態(tài)集電結(jié)，發(fā)射結(jié)均反偏，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)集電結(jié)正偏，發(fā)射結(jié)反偏，三極管處于放大狀態(tài)9.4.4、主要參數(shù)三極管的發(fā)射極是輸入輸出的公共點，稱為共射接法，相應(yīng)地還有共基、共集接法。共射直流電流放大倍數(shù)：基極電流的變化量為IB，相應(yīng)的集電極電流變化為IC，則交流電流放大倍數(shù)為：1.電流放大倍數(shù)和2.集電極最大允許功耗PCM集電極電流IC

流過三極管，所發(fā)出的焦耳熱為：PC=ICUCE必定導(dǎo)致結(jié)溫上升，所以PC

有限制。PCPCMICUCEICUCE=PCM安全工作區(qū)ICM集電極最大電流U(BR)CEO集-射極反向擊穿電壓3.集-基極反向截止電流ICBOAICBOICBO是集電結(jié)反偏由少子的漂移形成的反向電流，受溫度的變化影響大。4.集-射極反向截止電流ICEOICEO受溫度影響很大，三極管的溫度特性較差。場效應(yīng)管是利用電場效應(yīng)來