[工学]14章二极管和晶体管.doc

河南科技大学教案用纸课程名称:电子技术 任课教师:第十四章二极管和晶体管 计划学时:5学时教学目的和要求:一、理解PN结的单向导电性，晶体管的电流分配和电流放大作用；二、了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和特性曲线，理解主要参数的意义； 三、会分析含有二极管的电路。四、了解一些特殊二极管。重点:二极管及晶体管的工作原理。难点:晶体管的输出特性及非线性失真的产生。思考题:14.3.2、14.3.5、14.4.1、14.4.2、14.5.1、14.5.3、14.5.4河南科技大学教案首页第十四章二极管和晶体管 二极管和晶体管是最重要的半导体器件，它们的基本结构、工作原理、特性和参数是学习电子技术和分析电子电路的基础，而PN结又是构成各种半导体器件的基础。14.1半导体的导电特性1、什么是半导体？ 导电特性介于导体和绝缘体之间的物质称半导体。如硅、锗、硒以及大多数金属氧化物和硫化物，瓷器、木材等也是。2、半导体的导电特性：半导体的导电能力在不同条件下有很大差别。热敏性：当环境温度升高时，导电能力会显著增强(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。光敏性：当受到光照时，导电能力明显变化 (可做成各种光敏元件，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等)。掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，导电能力明显改变(可做成各种不同用途的半导体器件，如二极管、三极管和晶闸管等)。一、本征半导体1、完全纯净的、具有晶体结构的半导体，称为本征半导体。晶体中原子的排列方式如图所示：硅单晶中的硅原子通过共价健结构与周围的四个硅原子结合在一起，共价键中的两个电子，称为价电子。2、本征半导体的导电机理:价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子（带负电），同时共价键中留下一个空位，称为空穴（带正电）。这一现象称为本征激发。温度愈高，晶体中产生的自由电子便愈多。在晶体内部，空穴会吸引相邻原子的价电子来填补，而在该原子中出现一个空穴，其结果相当于空穴的运动（相当于正电荷的移动）。当半导体两端加上外电压时，在半导体中将出现两部分电流： (1)自由电子作定向运动电子电流；(2)价电子递补空穴空穴电流。自由电子和空穴都称为载流子。自由电子填充空穴，成对消失，称为复合。自由电子和空穴成对地产生的同时，又不断复合。在一定温度下，载流子的产生和复合达到动态平衡，半导体中载流子便维持一定的数目。注意：(1) 本征半导体中载流子数目极少,其导电性能很差；(2) 温度愈高，载流子的数目愈多,半导体的导电性能也就愈好。所以，温度对半导体器件性能影响很大。二、N型半导体和P型半导体在本征半导体中掺入微量的杂质（某种元素）,形成杂质半导体。掺入五价元素磷：磷原子取代硅原子位置后，与周围四个硅原子形成共价键，多余一个电子，极易成为自由电子。因此，掺杂后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体或N型半导体。在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。掺入三价元素硼:由于硼原子取代硅原子位置后，与周围三个硅原子形成共价键，与另一个硅原子的共价键中少一个电子，成为空穴。掺杂后空穴数目大量增加，空穴导电成为这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。在P型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。14.2PN结及其单向导电性一、PN结的形成：利用特殊的半导体制造工艺，将P型半导体和N型半导体制做在同一块半导体晶片上，则在P型半导体与N型半导体的交界处形成的一种特殊结构，称PN结。由于P型半导体与N型半导体中电荷浓度的不同，形成了多子的扩散运动和少子的漂移运动，即N区的自由电子向P区扩散（剩下正离子），在P区与空穴复合，而P区的空穴向N区扩散（剩下负离子），在N区与自由电子复合，这样，交界面处形成正负离子的空间电荷区，也叫耗尽层，形成由N区指向P区的电场，称内电场。内电场的作用，又会导致少子的漂移运动。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，PN结形成。二、PN结的单向导电性1、PN 结加正向电压（正向偏置）在P区接电源的正极、N区接电源的负极，称正向偏置。在正向偏置作用下，外电场与内电场反向，内电场被削弱，多子的扩散加强，形成较大的扩散电流。为防止电流过大烧毁PN结，线路上要串限流电阻。PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，称PN结处于导通状态。2、PN结加反向电压（反向偏置）将P区接电源的负极、N区接电源的正极，称反向偏置。在反向偏置作用下，外电场与内电场同向，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。PN 结加反向电压时，PN结变宽，反向电流较小，反向电阻较大，PN结处于截止状态。温度越高少子的数目越多，因此反向电流将随温度增加。14.3二极管一、基本结构将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为二极管。按结构分，二极管有点接触型、面接触型和平面型三种。点接触型：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。面接触型：结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。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。二极管符号如图所示：二、伏安特性：二极管具有单向导电性，其导电性能可以用伏安特性来表示，它是指二极管两端的电压U与流经二极管的电流I之间的关系。二极管的伏安特性可分为三个段：正向特性段：正向电压较小时，外电场不足以克服PN结的内电场，正向电流几乎为零，只有外电压超过一定值后，才有明显的正向电流，该电压值称死区电压。硅管约为0.5伏，锗管约为0.1伏。当正向电压大于死区电压后，正向电流增长很快。二极管的正向导通电压：硅0.60.8V，锗0.20.3V。反向特性段：在反向电压作用下，少数载流子形成反向饱和电流，由于少子数目很少，所以反向电流是很小的。温度升高时，少子增多，反向电流增大。反向击穿特性段：当反向电压增大到一定数值，反向电流剧增，这是由于外加电压在PN结中形成很强的电场，产生大量的电子、空穴，引起反向电流急剧增加，这种现象叫反向击穿。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。三、主要参数二极管的特性除用伏安特性来表示外，还可用一些数据来表示，这写数据就是二极管的参数。1.最大整流电流IOM二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。点接触型的最大整流电流在几十毫安以下，面接触型的最大整流电流大。当电流超过允许值时，将由于PN结过热而烧坏管子。2.反向工作峰值电压URWM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IRM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。IRM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，锗管的反向电流较大，为硅管的几十到几百倍。总结：二极管的单向导电性二极管加正向电压（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。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。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。二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。四、二极管电路分析举例 定性分析：判断二极管的工作状态导通与截止。若二极管是理想的，正向导通时正向管压降为零，反向截止时二极管相当于断开。否则，正向管压降硅0.60.7V锗0.20.3V。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( 正向偏置 )，则二极管导通；若 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在这里，二极管起钳位作用。 例2: 电路如右图，求：UAB解：两个二极管的阴极接在一起，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 VUD1 = 6V，UD2 =12V UD2 UD1 D2 优先导通， D1截止。若忽略管压降，二极管可看作短路，UAB = 0 V，流过 D2 的电流为，在这里，D2 起钳位作用，D1起隔离作用。D1承受反向电压为6V。例3：二极管是理想的，ui=18SINtV，试画出 uo 波形。解：二极管阴极电位为8V，当ui 8V，二极管导通，可看作短路，uo = 8V；当ui VE，集电结反偏 VCVBPNP：发射结正偏VBVE，集电结反偏VC IB ， ICIE IC IB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。3.三极管内部载流子的运动规律：由于发射结正偏，发射区的自由电子进入基区，基区的空穴浓度低，只有少部分电子与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数自由电子扩散到集电结，从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。同时，集电区的少子空穴向基区漂移，形成电流ICBO，这个电流很小，但受温度影响大。总结：三极管内部载流子的运动规律IC = ICE+ICBO ICEIB = IBE- ICBO IBEICE 与 IBE 之比称为共发射极电流放大倍数： 若IB =0, 则 ICICE0，称集射极穿透电流, 当温度升高时，ICEO增大。忽略ICEO，有。三、特性曲线晶体管的特性区线即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我们重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线，来看测量晶体管特性的实验线路：发射极是输入回路、输出回路的公共端。1、输入特性曲线：是指当集-射极电压UCE为常数时，输入电路中基极电流IB与基-射极电压UBE之间的关系曲线。，特点:非线性。对硅管而言，当UCE1V时，集电结已反向偏置，而基区又薄，可以把从发射区扩散到基区的电子几乎全部拉入集电区，此后，UCE对IB就不再有影响，就是说，UCE1V后的特性曲线是重合的。与二极管特性曲线一样，晶体管输入特性曲线也有一段死区，只有当发射结外加电压大于死区电压时，才有电流IB。正常工作时发射结电压：NPN型硅管UBE 0.60.7V，PNP型锗管UBE 0.2 -0.3V。2、输出特性曲线： 是指当基极电流IB为常数时，输出电路（集电极电路）中集电极电流IC与集-射极电压UCE之间的关系曲线，。输出特性曲线通常分三个工作区：(1)放大区：在放大区有IC=IB ，也称为线性区，具有恒流特性。在放大区，发射结处于正向偏置、集电结处于反向偏置，晶体管工作于放大状态。（2）截止区：IB 0 以下区域为截止区，有 IC 0 。在截止区发射结处于反向偏置，集电结处于反向偏置，晶体管工作于截止状态。（3）饱和区：当UCEUBE时，晶体管工作于饱和状态（输出特性曲线上升段附近）。在饱和区，IB IC，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。此时，UCE0，。深度饱和时，硅管UCES0.3V，锗管UCES0.1V。四、主要参数：晶体管的特性除用特性曲线表示外，还可用一些数据表示，表示晶体管特性的数据称为晶体管的参数，晶体管的参数也是设计电路、选用晶体管的依据。1. 电流放大系数，：当晶体管接成共发射极电路时，在静态时集电极电流IC与基极电流IB的比值称直流电流放大系数:。当晶体管工作在动态时，集电极电流变化量与基极电流变化量的比值称交流电流放大系数:。和的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下，两者数值接近。，常用晶体管的值在20 200之间。例：在UCE= 6 V时，在Q1 点IB=40mA，IC=1.5mA；在Q2 点IB=60mA，IC=2.3mA。解：在Q1 点，有 由 Q1 和Q2点，得在以后的计算中，一般作近似处理：=。2.集-基极反向截止电流 ICBOICBO是当发射极开路时由于集电极反向偏置，集电区和基区的少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。ICBO越小越好。 温度升高，ICBO增大。3.集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO当IB=0时，（将基极开路），集电结处于反向偏置和发射结处于正向偏置时的集电极电流ICEO，ICEO受温度的影响大。温度升高，ICEO增大，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。4. 集电极最大允许电流 ICM集电极电流 IC上升会导致三极管的b值的下降，当b值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为 ICM。5. 集-射极反向击穿电压U(BR)CEO当集射极之间的电压UCE 超过一定的数值时，三极管就会被击穿。手册上给出的数值是25C、基极开路时的击穿电压U(BR) CEO。6. 集电极最大允许耗散功耗PCMPCM取决于三极管允许的温升，消耗功率过大，温升过高会烧坏三极管。 PC P