[工学]第15章 二极管及三极管.ppt

返回,电工学,南京师范大学能源与机械工程学院,卫明,电子技术 部分,Tel:MpFax:E_mail: N,电子技术的发展 1.元件 2.制式 1906年 真空三极管(德福雷斯、弗莱明) 1948年 晶体三极管 1960年 集成电路 内容及要求 掌握元件的工作原理，并能正确地选择和使用； 掌握基本单元电路的工作原理及各元件的作用；了解局部电路的计算，元件参数的选择及电路的调试方法； 掌握集成运放和数字集成电路的工作原理、逻辑功能，调试方法。,主要内容包括：,半导体基础知识 二极管的工作原理、分析方法 三极管的工作原理、分析方法 场效应管的工作原理、分析方法 ,基本放大器 差分放大器 集成运算放大器 负反馈放大器 功率放大器 ,器件,放大器,本课程的学习方法,建立新概念。 确立新的分析方法。 重点在于课堂听讲，再加预习、复习。 注重实验环节，先理论分析，后实践，然后再对实验的结果进行分析。 认真作业。,绪论,传感器,压力1,压力2,温度1,温度2,. . .,. . .,放大 滤波 叠加 组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,驱动电路,. . .,. . .,驱动电路,驱动电路,驱动电路,传感器,传感器,传感器,执行机构,执行机构,执行机构,执行机构,放大 滤波 叠加 组合,数模转换电路,模数转换电路,计算机数据处理,数据选择器,数据分配器,1.1电子系统与信号,电子系统,由基本电路组成的具有特定功能的电路整体。,信号,信号是信息的载体。,声音信号传达语言、音乐或其它信息。,图像信号传达人类视觉系统能接受的图像信息。,信号源等效电路,模拟信号和数字信号,模拟信号,在时间和幅度是上都是连续变化的，在一定动态范围内可取任意值。,模拟电路,处理模拟信号的电路。,数字电路,处理数字信号的电路。,数字信号,数字信号只存在高低两种电平的相互转化。,周期性方波信号,许多周期信号的频谱都由直流分量、基波分量及无穷多项高次谐波谐波分量组成。,放大电路的基本知识,1.2放大电路的基本知识,模拟信号放大,电压放大,电流放大,互阻放大,互导放大,电压增益 放大电路等效为VCVS,电流增益 放大电路等效为CCCS,互阻增益 放大电路等效为CCVS,互导增益 放大电路等效为VCCS,转,放大电路模型,电压放大,电压放大电路模型,R0 应尽量RL，以减小信号的衰减。,R0 = 0,Ri = ,当RiRS时，才能减小信号的衰减。,电压放大 适用于信号源内阻RS较小，负载电阻RL较大的场合。,学习参考,放大电路模型,电流放大,电流放大电路模型,R0 应尽量 RL，以减小信号的衰减。,R0 = ,Ri = 0,当RiRS时，才能减小信号的衰减。,电流放大 适用于信号源内阻RS较大，负载电阻RL较小的场合。,放大电路模型,互阻放大,互阻放大电路模型,R0 应尽量 RL，以减小信号的衰减。,R0 = 0,Ri = 0,当RiRS时，才能减小信号的衰减。,互阻放大 适用于信号源内阻RS较大，负载电阻RL较大的场合。,放大电路模型,互导放大,互导放大电路模型,R0 应尽量 RL，以减小信号的衰减。,R0 = ,Ri = ,当Ri RS时，才能减小信号的衰减。,互导放大 适用于信号源内阻RS较小，负载电阻RL较小的场合。,根据信号源的性质和负载的要求选择电路模型。,放大电路模型,为了提高安全性和抗干扰能力，普遍采用隔离放大。,第15章 半导体二极管和三极管,返回,后一页,15.3 半导体二极管,15.4 稳压二极管,15.5 半导体三极管,15.2 PN结,15.1 半导体的导电特性,返回,前一页,后一页,第15章 半导体二极管和三极管,本章要求： 一、了解PN结的单向导电性、二极管的特性 和主要参数。 二、了解稳压管的稳压性能和主要参数。 三、会根据二极管的单向导电性分析含有二 极管的电路。 四、了解三极管的电流放大作用、特性和主 要参数。,对于元器件，重点放在特性、参数、技术指标和正确的使用方法，需知道但不要过分追究其内部机理。讨论器件的目的在于应用。 学会用工程的观点分析问题，也就是要根据实际情况，对器件的数学模型和电路的工作条件进行合理的近似，以便用简便的分析方法获得具有实际意义的结果。 对电路进行分析计算时，只要能满足技术指标，就不要过分追求精确的数值。 由于器件是非线性的、特性有分散性、RC的值有误差、工程上允许一定的误差、采用合理估算方法。,前一页,后一页,返回,本章学习说明:,导体、半导体和绝缘体 依单质物质导电能力的大小将它们分为： 导 体：电阻率在10-610-3/cm之间的物质； 绝缘体：电阻率在1081020/cm之间的物质； 半导体：导电能力介于两者之间的物质， 即电阻率在10-3108/cm之间的物质。 常见的半导体有锗Ge、硅Si及大多数金属氧化物和硫化物。,15.1 半导体的导电特性,物质的对外不呈电特性中性,自由电子的杂乱无章运动热骚动,导体中的电流电子电流,导体和绝缘体导电性能的差别是其内部自由电子浓度的差形成的,半导体的特性：,(可制成温度敏感元件，如热敏电阻),掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使其 导电能力明显提高。,光敏性：当受到光照时，其导电能力明显变化。 (可制成各种光敏元件，如光敏电阻、 光敏二极管、光敏三极管、光电池等)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强。,前一页,后一页,返回,导电特性随外部条件的变化而变化,导电能力与掺杂浓度成正比,15.1.1 本征半导体,完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,硅(14-2,8,4)和锗(32-2,8,18,4)的晶体结构,前一页,后一页,返回,硅和锗的共价键结构,共价键中的两个电子被紧紧束缚在共价键中，称为束缚电子。,前一页,后一页,返回,自由电子,空穴,束缚电子,在常温下，由于热激发，只有少数价电子能获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自由电子(带负电)，同时共价键上留下一个空位，称为空穴(带正电？)。,本征半导体的导电机理,这一现象称为本征激发。,前一页,后一页,返回,带电粒子：自由电子、空穴。 载流子？,本征半导体的导电机理,在某种力的作用下，空穴吸引临近的共价键中的电子来填补，其结果相当于空穴的迁移。,空穴的迁移相当于正电荷的移动，因此可以认为空穴是载流子。,在常温下束缚电子很难挣脱共价键而成为自由电子，因此本征半导体中的自由电子和空穴很少，所以本征半导体的导电能力很弱。,当半导体外加电压时，在电场的作用下将出现两部分电流： 1）自由电子作定向移动 电子电流 2）价电子递补空穴 空穴电流,前一页,后一页,返回,空穴的移动实质上是邻近共价键中束缚电子的迁移,复合、动态平衡,本征半导体的导电机理,本征半导体中存在数量相等的两种载流子，即自由电子和空穴(对)。,温度越高，载流子的浓度越高，本征半导体的导电能力越强。温度是影响半导体导电性能的一个重要的外部因素，这是半导体的一大特点。,本征半导体的导电能力取决于载流子的浓度。,跳转,前一页,后一页,返回,15.1.2 N型半导体和P型半导体,N 型半导体,多余电子,磷原子,掺入五价元素,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,返回,前一页,后一页,掺杂元素的载流子浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。 自由电子称为多数载流子（多子）， 空穴称为少数载流子（少子）。,施主杂质,前一页,后一页,P 型半导体,掺杂物的载流子浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，空穴浓度远大于自由电子浓度。 空穴称为多数载流子（多子）， 自由电子称为少数载流子（少子）。,硼原子,空穴,掺入三价元素,接受一个电子变为负离子,返回,受主杂质,杂质半导体的示意表示法,前一页,后一页,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,返回,1. 在杂质半导体中多子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,2. 在杂质半导体中少子的数量与 （a. 掺杂浓度、b.温度）有关。,3. 当温度升高时，少子的数量 （a. 减少、b. 不变、c. 增多）。,a,b,c,4. 在外加电压的作用下，P 型半导体中的电流 主要是 ， N 型半导体中的电流主要是 （a. 电子电流、b.空穴电流）,b,a,前一页,后一页,返回,15.2 PN 结,15.2.1 PN结的形成,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,空间电荷区 耗尽层、阻挡层,内电场越强，漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,扩散的结果使空间电荷区变宽。,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,空间电荷区也称 PN 结,前一页,后一页,返回,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,因浓度差,多子的扩散运动,由杂质离子形成空间电荷区,空间电荷区形成内电场,PN结的形成过程,动态平衡:PN结的宽度不变,前一页,后一页,二、 PN结的单向导电性,PN 结变窄,P接正、N接负,U,P,N,IF,内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。,PN结正向电阻较小，正向电流较大，PN结处于导通状态。,返回,2. PN 结加反向电压（反向偏置）,U,P,N,内电场被加强，少子的漂移加强，由于少子数量很少，形成很小的反向电流。,IR,PN 结变宽,P接负、N接正,PN结反向电阻较大，反向电流很小，PN结处于截止状态。,温度越高少子的数量越多，反向电流将随温度增加,前一页,后一页,返回,PN 结的单向导电性,1、PN 结加正向电压(正向偏置，P 接正、N 接负)时， PN 结处于正向导通状态，PN 结正向电阻较小，正向电流较大。,2、PN 结加反向电压(反向偏置，P接负、N 接正)时， PN 结处于反向截止状态，PN 结反向电阻较大，反向电流很小。,前一页,后一页,返回,15.3 半导体二极管,15.3.1 基本结构,（a）点接触型,1. 结构 ：按结构可分三类,(b)面接触型,结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波和变频等高频电路。,结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。,前一页,后一页,(c)平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,返回,15.3 半导体二极管,二极管的结构示意图,2. 符号：,阳极,阴极,VD,前一页,后一页,返回,15.3.1 伏安特性,前一页,后一页,硅管0.5V, 锗管0.1V。,反向击穿 电压U(BR),导通压降,死区电压,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,非线性,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,硅0.60.8V,取0.7V 锗0.20.3V,取0.3V,返回,15.3.2 主要参数,1、最大整流电流 IF,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,2、反向工作峰值电压 URM,是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是二极管反向击穿电压UBR的一半或三分之二。二极管击穿后单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。,3、反向峰值电流 IR,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流大，说明管子的单向导电性差， IR受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小(nA级) ，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍(A级) 。,前一页,后一页,返回,(4) 正向压降VF,在规定的正向电流下，二极管的正向电压降。硅二极管约0.60.8V；锗二极管约0.20.3V。,(5) 直流电阻(静态电阻)RD,二极管正向导通时，其两端的电压降与通过的电流的比值。此值随通过的电流的增加而下降，可见二极管是一个非线性的元件。,(6)动态电阻(交流电阻)rD,二极管正向导通后，在工作点处对小信号呈现出的电阻值。,二极管的单向导电性,前一页,后一页,1. 二极管加正向电压(正向偏置，阳极接正、阴极接负)时，二极管处于正向导通状态，二极管正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压(反向偏置，阳极接负、阴极接正)时，二极管处于反向截止状态，二极管反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压时,二极管被击穿，失去单向导电性。,4.二极管两端所加反向电压小于反向击穿电压时,二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大;温度不变时该电流基本不变。与所加反向电压的大小几乎无关.,返回,二极管物理模型,二极管模型,正向偏置时： 管压降为0，电阻也为0。,反向偏置时： 电流为0，电阻为。,当iD1mA时， vD=0.7V。,1. 理想模型,2. 恒压降模型,3. 折线模型（实际模型）,4. 小信号模型,15.3.3二极管电路分析举例,分析方法：将二极管断开，分析二极管两端电位 的高低或所加电压UD的正负。,若 V阳 V阴或 UD为正(0.7V)，二极管导通(正向偏置) 若 V阳 V阴或 UD为负(0.7V)，二极管截止(反向偏置),前一页,后一页,返回,电路如图，求：UAB,V阳 =6 V V阴 =12 V V阳 V阴 二极管导通 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 6V 否则， UAB低于6V一个管压降，为6.3或6.7V,例1：,后一页,取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,跳转,返回,两个二极管的阴极接在一起 求：UAB 取 B 点作参考点，断开二极管，分析二极管阳极和阴极的电位。,V1阳 =6 V，V2阳 =0 V ，V1阴 = V2阴 = 12 V UD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 VD2 优先导通， VD1截止。 若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V,VD1承受反向电压为6 V,流过VD2的电流为,例2:,前一页,后一页,返回,例3：图示电路中，若二极管的导通压降为0V，则输出电压UA的值为多少?,解：断开D1、D2，则： D1上所加电压为+4V, D2上所加电压为+3V, 所以，D1管优先导通.,D1管导通后， UA=(3-(-1)/(1k+1k)x1k+(-1)=1V,D2上所加电压为+1V, 所以，D2管也导通。,D2管导通后， VA=2V, D1管仍导通.,ui 8V 二极管导通，可看作短路 uo = 8V ui 8V 二极管截止，可看作开路 uo = ui,已知： 二极管是理想的，试画出 uo 波形。,参考点,8V,例4,二极管的用途： 整流、检波、限幅、箝位、开关、元件保护、温度补偿等。,前一页,后一页,D,8V,R,uo,ui,+,+,返回,例5：画出理想二极管电路的传输特性（VoVI）。,解： VI25V，D1、D2均截止。, VI 25V且V0100V时， D1导通，D2截止。,VI137.5V，D1、D2均导通。,VO=25V,VO=100V,137.5,15.4 稳压二极管,前一页,后一页,1. 符号,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,2. 伏安特性,稳压管正常工作时在PN结上加反向电压,使用时要加限流电阻,+ ,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,返回,例：稳压管的稳压过程。,RL,Io,IR,Vo,IZ,IR,Vo,3. 主要参数,前一页,后一页,(1)稳定电压UZ 稳压管正常工作(反向击穿)时管子两端的电压。,(2)电压温度系数(6V 0) 环境温度每变化1C引起稳压值变化的百分数。,(3)动态电阻,(4)稳定电流IZ 、最大稳定电流 IZM,(5)最大允许耗散功率 PZM = UZ IZM,愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,返回,光电(光敏)二极管,反向电流随光照强度的增加而上升。,符号,前一页,后一页,返回,暗电流0.2uA，光电流几十uA,发光二极管LED,有正向电流流过时，发出一定波长范围的光，目前的发光管可以发出从红外到可见波段的光，它的电特性与一般二极管类似，正向电压较一般二极管高(1.53V)，电流为几 几十mA,符号,前一页,后一页,返回,二极管、稳压管型号的含义： P441附录,二极管外形举例,2AP,2CP,2CZ54,2CZ13,2CZ30,半导体器件的型号组成,半导体二极管的命名方法 半导体器件的型号由五个部分组成,如图所示。其型号组成部分的符号及其意义见相关手册。如2AP9,“2”表示电极数为2,“A”表示N型锗材料,“P”表示普通管,“9”表示序号。,万用表简易测试二极管示意图 (a)电阻小；(b)电阻大,将万用表置于R100或R1k()档(R1档电流太大，用R10k()档电压太高，都易损坏管子)。,二极管使用注意事项 二极管使用时，应注意以下事项： (1) 二极管应按照用途、参数及使用环境选择。 (2) 使用二极管时，正、负极不可接反。通过二极管的电流，承受的反向电压及环境温度等都不应超过手册中所规定的极限值。 (3) 更换二极管时，需用同类型或高一级的代替。 (4) 二极管的引线弯曲处距离外壳端面应不小于2mm，以免造成引线折断或外壳破裂。,15.5 半导体三极管,15.5 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,后一页,前一页,返回,后一页,前一页,集电区：面积最大,基区：最薄，掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,返回,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,型号：,3A、3C是PNP,3B、3D是NPN,3A、3B是锗管,3C、3D是硅管,后一页,前一页,返回,15.5.2 电流放大原理,1. 三极管放大的外部条件,发射结正偏、集电结反偏,PNP VBVE VCVB,从电位的角度看： NPN 发射结正偏 VBVE,集电结反偏 VCVB,后一页,前一页,返回,IC,后一页,前一页,返回,2. 各电极电流关系及电流放大作用,结论,1）三个电极的电流关系 IE = IB + IC 2） IC IE ， IC IB 3） IC IB,把基极电流的微小变化能够引起集电极电流较大变化的特性称为晶体管的电流放大作用。 实质:用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化，是CCCS器件。,后一页,前一页,返回,3. 三极管内部载流子的运动规律,基区空穴向发射区的扩散可忽略。,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入基区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电区而被收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,后一页,前一页,返回,3. 三极管内部载流子的运动规律,IC=ICE+ICBOICE,后一页,前一页,IB=IBE-ICBOIBE,返回,ICE 与IBE 之比称为共发射极直流电流放大倍数,集射极穿透电流 温度 ICEO,常用公式,后一页,前一页,返回,15.5.3 特性曲线,指管子各电极电压与电流的关系曲线，是管子内部载流子运动的外部表现，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,为什么要研究特性曲线： 1）直观地分析管子的工作状态 2）合理地选择偏置电路的参数，设计性能良好的电路,重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线,后一页,前一页,返回,实验线路,输入回路,输出回路,发射极是输入、输出回路的公共端,EB,IC,mA,A,UCE,UBE,RB,IB,EC,共发射极电路,后一页,前一页,返回,1. 输入特性,特点: 1.非线性,死区电压： 硅管0.5V， 锗管0.1V。,工作压降： 硅UBE 0.60.8 锗UBE 0.20.3V。,后一页,前一页,返回,2. UCE1V时,左 右位置基本不变,3. UCE=0V时,集 电结为正向导通 的二极管,2. 输出特性,IB=0,20A,40A,60A,80A,100A,当UCE 大于一定的数值时，IC只与IB有关，即IC=IB。,后一页,前一页,此区域满足IC=IB 称为线性区(放大区)，具有恒流特性。,返回,UCEUBE,集电结正偏，IBIC/ ，称为饱和区。 深度饱和时硅管UCES0.3V,此区域中IC受UCE的影响较大,后一页,前一页,返回,此区域中: IB= 0,IC =ICEO, UBE 死区电压，称为截止区。,后一页,前一页,跳转,为可靠截止，常取发射结零偏压或反偏压。,返回,输出特性可划分为三个区，分别代表晶体 管的三种工作状态。,1）放大区(线性区，具有恒流特性)放大状态 IC =IB ，发射结正偏、集电结反偏。,3）截止区（晶体管处于截止状态）开关断开 IB=0，IC=ICEO0，UBE 死区电压 发射结反偏或零偏、集电结反偏。,2）饱和区(管子处于饱和导通状态)开关闭合 IBIC/ ， UCEUBE, 发射结正偏，集电结正偏。,后一页,前一页,返回,15.5.4 主要参数,前面的电路中，三极管的发射极是输入输出的公共点，称为共射接法。相应地还有共基、共集接法。,直流电流放大系数：,1. 电流放大系