《電子與電工技術(shù)》課件第9章

9.1半導(dǎo)體9.2晶體二極管9.3晶體三極管小結(jié)習(xí)題

第9章常用半導(dǎo)體器件9.1.1本征半導(dǎo)體與摻雜半導(dǎo)體

1.本征半導(dǎo)體

本征半導(dǎo)體是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。如圖9-1所示。在電場(chǎng)的作用下，自由電子的運(yùn)動(dòng)將形成電子電流，空位的存在而引起的電子填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)也會(huì)形成電流。電子的填補(bǔ)運(yùn)動(dòng)可以想像成一個(gè)帶正電的粒子向相反的方向運(yùn)動(dòng)，將這種想像的帶正電的粒子稱為空穴。9.1半導(dǎo)體圖9-1半導(dǎo)體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.摻雜半導(dǎo)體

摻雜半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體中摻入微量有用雜質(zhì)的半導(dǎo)

這種空穴為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體叫空穴型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱P型半導(dǎo)體。

這種自由電子為多數(shù)載流子的半導(dǎo)體叫電子型半導(dǎo)體，簡(jiǎn)稱N型半導(dǎo)體。9.1.2PN結(jié)

1.PN結(jié)的形成

在一塊純凈的半導(dǎo)體晶片上，采用特殊的摻雜工藝，在其兩側(cè)分別摻入三價(jià)元素和五價(jià)元素，使一側(cè)形成P型半導(dǎo)體，而另一側(cè)形成N型半導(dǎo)體，如圖9-2所示。由于載流子濃度的差別，N區(qū)的電子必然向P區(qū)擴(kuò)散，而P區(qū)的空穴要向N區(qū)擴(kuò)散。圖9-2PN結(jié)的形成

2.PN結(jié)的單向?qū)щ娦?/p>

PN結(jié)被加上正向電壓(UP>UN)時(shí)，外電場(chǎng)削弱內(nèi)電場(chǎng)，有利于多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)而形成較大的正向電流，PN結(jié)導(dǎo)通(稱為PN結(jié)正偏)；PN結(jié)被加上反向電壓(UP<UN)時(shí)，外電場(chǎng)與內(nèi)電場(chǎng)相助，有利于少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)，但少數(shù)載流子的數(shù)量小，形成的反向電流很小，PN結(jié)截止(稱為PN結(jié)反偏)。因此PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，如圖9-3所示。圖9-3PN結(jié)的單向?qū)щ娦?.2.1晶體二極管的結(jié)構(gòu)

晶體二極管簡(jiǎn)稱二極管，是由一個(gè)PN結(jié)加上相應(yīng)的電極及管殼封裝而成的，如圖9-4所示。P區(qū)引出的電極稱為陽極或正極，N區(qū)引出的電極稱為陰極或負(fù)極。因PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?，所以二極管也具有單向?qū)щ娦?，如圖9-5所示。9.2晶體二極管圖9-4二極管的結(jié)構(gòu)和符號(hào)圖9-5二極管單向?qū)щ娧菔倦娐?.2.2晶體二極管的伏安特性

晶體二極管的伏安特性曲線如圖9-6所示。

1.正向特性

當(dāng)正向電壓很小時(shí)，二極管基本上處于截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)正向電壓超過某一值(稱此電壓為死區(qū)電壓)時(shí)，二極管處于正向?qū)顟B(tài)。圖9-6二極管的伏安特性

2.反向截止特性

二極管被加上的反向電壓在一定范圍內(nèi)增大時(shí)，反向電流極其微小且基本不變，這就是二極管反向截止?fàn)顟B(tài)。

3.反向擊穿特性

二極管被加上的反向電壓超過某一值(稱此電壓為反向擊穿電壓)時(shí)，反向電流突然增大，二極管失去單向?qū)щ娦?，管子在正、反向電壓下都?dǎo)通。除穩(wěn)壓二極管外，二極管會(huì)因反向擊穿而損壞，使用時(shí)一定要注意。9.2.3晶體二極管的主要參數(shù)

1.最大整流電流IF

它是指管子長(zhǎng)期工作時(shí)，允許流過二極管的最大正向平均電流，超過IF時(shí)，二極管的PN結(jié)將因過熱而燒斷。

2.最高反向工作電壓URM

它是保證二極管不被反向擊穿而規(guī)定的反向工作峰值電壓，一般為反向擊穿電壓的1/3~1/2。

3.反向峰值電流IR

它是二極管加上反向工作電壓時(shí)的反向飽和電流。這個(gè)電流愈小，二極管的單向?qū)щ娦杂?。溫度升高時(shí)，IR將增大，使用時(shí)應(yīng)注意溫度對(duì)反向電流的影響。

4.最高工作頻率fmax

它主要由PN結(jié)電容的大小來決定，超過此值，二極管的單向?qū)щ娦詫⒆儾?，甚至?xí)蜗驅(qū)щ娦浴?.2.4晶體二極管的簡(jiǎn)易測(cè)試

二極管具有單向?qū)щ娦?，一般帶有色環(huán)的一端表示負(fù)極。二極管是非線性元件，用不同萬用表、使用不同擋次測(cè)量的結(jié)果都不同，用R×100擋測(cè)量時(shí)，通常小功率鍺管正向電阻在200～600Ω之間，硅管在900Ω～2kΩ之間，利用這

一特性可以區(qū)別出硅、鍺兩種二極管。9.2.5特殊二極管

1.穩(wěn)壓二極管的工作特性

穩(wěn)壓二極管簡(jiǎn)稱穩(wěn)壓管，其電路符號(hào)如圖9-7(a)所示，特性曲線如圖9-7(b)所示。圖9-7穩(wěn)壓管的圖形符號(hào)及伏安特性

2.穩(wěn)壓二極管的主要參數(shù)

(1)穩(wěn)定電壓UZ。

(2)穩(wěn)定電流IZ。

(3)動(dòng)態(tài)電阻rZ。

(4)溫度系數(shù)α。9.3.1晶體三極管的結(jié)構(gòu)和分類

晶體三極管的結(jié)構(gòu)及圖形符號(hào)如圖9-8所示。它有三個(gè)區(qū)：發(fā)射區(qū)、基區(qū)、集電區(qū)，每個(gè)區(qū)分別引出一個(gè)電極，分別為發(fā)射極E、基極B、集電極C。發(fā)射區(qū)與基區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為發(fā)射結(jié)，基區(qū)與集電區(qū)之間形成的PN結(jié)稱為集電結(jié)。9.3晶體三極管圖9-8晶體三極管結(jié)構(gòu)示意圖和符號(hào)9.3.2晶體三極管的電流分配和放大作用

三極管加上圖9-9(a)所示的條件，使三極管發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，則三極管便具有電流放大作用。圖9-9電流分配三極管的電流分配如圖9-9(b)所示，發(fā)射區(qū)發(fā)射電子形成IE，基區(qū)復(fù)合電子形成IB，集電區(qū)收集電子形成IC。實(shí)驗(yàn)中，改變RB的大小可使基極電流IB隨之改變，測(cè)量IB、IC

及IE的數(shù)值如表9-1所示。表9-1晶體管電流測(cè)試數(shù)據(jù)把集電極電流與基極電流之比定義為晶體三極管的直流電流放大系數(shù)，其表達(dá)式為

把集電極電流的變化量與基極電流的變化量之比定義為晶體三極管的交流電流放大系數(shù)β，其表達(dá)式為9.3.3晶體三極管的伏安特性和主要參數(shù)

1.伏安特性

(1)輸入特性。

輸入特性曲線表示UCE一定時(shí)，IB與UBE之間的關(guān)系，如圖9-10(a)所示。硅管導(dǎo)通時(shí)發(fā)射結(jié)壓降UBE一般為0.6~0.7V，鍺管導(dǎo)通時(shí)發(fā)射結(jié)壓降UBE一般為0.2~0.3V。圖9-10伏安特性

(2)輸出特性。

輸出特性曲線表示IB一定時(shí)，IC與UCE之間的關(guān)系，當(dāng)改變IB時(shí)，可得一組輸出特性曲線，如圖9-10(b)所示。

①放大區(qū)。

條件：發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏。

②截止區(qū)。

條件：兩個(gè)PN結(jié)均反偏。

③飽和區(qū)。

條件：兩個(gè)PN結(jié)均正偏。

【例9-1】

在放大電路中，如果測(cè)得如圖9-11所示各管腳的電壓值，問各三極管分別工作在什么狀態(tài)？

解圖(a)：UB＞UE，UB＞UC，兩個(gè)PN結(jié)均正偏，三極管工作在飽和狀態(tài)。

圖(b):UB＞UE，UB＜UC，發(fā)射結(jié)正偏，集電結(jié)反偏，三極管工作在放大狀態(tài)。

圖(c)：UB＜UE，UB＜UC，兩個(gè)PN結(jié)均反偏，三極管工作在截止?fàn)顟B(tài)。圖9-11例9-1

2.主要參數(shù)

參數(shù)可以反映三極管的性能，是正確選用三極管的依據(jù)。(1)直流電流放大系數(shù)和交流電流放大系數(shù)β。

(2)穿透電流ICEO。

(3)集電極最大允許電流ICM。

(4)集電極最大允許耗散功率PCM。

(5)反向擊穿電壓U(BR)CEO。

反向擊穿電壓U(BR)CEO是指基極開路時(shí)，加于集電極與發(fā)射極之間的最大允許電壓。9.3.4晶體管的簡(jiǎn)易測(cè)試

1.用萬用表判斷晶體管的管型和電極

(1)找出基極(B極)。用萬用表R×100Ω或R×1kΩ電阻擋隨意測(cè)量晶體管的兩極，直到指針擺動(dòng)較大為止。

(2)C極和E極的判別。根據(jù)(1)中測(cè)量已確定了B極，且為PN(PNP)，再使用萬用表R×1kΩ擋進(jìn)行測(cè)量。

2.晶體管質(zhì)量判別

通過檢測(cè)以下三個(gè)方面來判斷晶體管的質(zhì)量，只要有一個(gè)方面達(dá)不到要求，即為壞管。

(1)判斷發(fā)射結(jié)BE和集電結(jié)BC是否正常，按普通二極管好壞的判別方法進(jìn)行。

(2)用測(cè)量CE漏電電阻的大小來判斷，測(cè)量時(shí)對(duì)于NPN(PNP)型晶體管，萬用表的黑(紅)表筆接C極，紅(黑)表筆接E極，B極懸空，這時(shí)的RCE越大越好，一般應(yīng)大于50kΩ，硅管應(yīng)大于500kΩ才可使用。

(3)檢測(cè)晶體管有無放大能力。

(1)半導(dǎo)體有自由電子和空穴兩種載流子，有光敏、熱敏和摻雜特性。

(2)PN結(jié)具有單向?qū)щ娦裕篜N結(jié)被加上正向電壓(UP>UN)而導(dǎo)通，被加上反向電壓(UP<UN)而截止。

(3)二極管的兩個(gè)電極分別是陽極(正極)、陰極(負(fù)極)，它的內(nèi)部就是一個(gè)PN結(jié)，正向偏置導(dǎo)通，反向偏置截止。

(4)三極管的三個(gè)電極分別是發(fā)射極、基極、集電極。它內(nèi)部有二個(gè)PN結(jié)：發(fā)射結(jié)、集電結(jié)。小結(jié)

9-1電路如圖9-12所示，已知輸入正弦電壓為ui(t)=5sinωt，畫出輸出波形。

9-2試求圖9-13所示電路的輸出電壓Uo，忽略二極管的正向壓降。

9-3已知圖9-14所示電路中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為10V，求輸出電壓值Uo及流過穩(wěn)壓管的電流IZ。習(xí)題圖9-12題9-1圖圖9-13題9-2圖圖9-14題9-3圖

9-4在電路板中測(cè)得四個(gè)放大三極管電極的電位如圖9-15所示，判斷這四個(gè)三極管的電極名稱(E、B、C)，判斷它們是PNP型還是NPN型，是硅管還是鍺管。

9-5測(cè)得三極管兩個(gè)電極的電流及流動(dòng)方向如圖9-16所示，求另一個(gè)電極的電流及流動(dòng)方向，并判斷各電極名稱(E、B、C)，判斷它們是PNP型還是NPN型。圖9-15題9-4圖圖9-16題9-5圖

9-6在電路板中測(cè)得五個(gè)三極管的各電極電位如圖9-17所示，判斷各三極管的工作狀態(tài)。

9-7能否用1.5V的干電池，以正向接法直接加至二極管的兩端？試分析這樣做會(huì)出現(xiàn)什么問題。

9-8圖9-18所示電路，VD1、VD2為理想二極管，則a、o端的電壓為多少伏？

9-9圖9-19所示電路中，硅穩(wěn)壓管VDZ1的穩(wěn)定電