半导体二极管及半导体三极管放大电路.ppt

电工电子技术 半导体器件认识及检测 主要教学内容 电 工 电 子 电工技术 电子技术 模拟电子技术 数字电子技术 电路原理 电机及控制 电工电子技术 半导体器件认识及检测 模拟电子技术教学内容 l第一章 半导体二极管和整流电路 l第二章 半导体三极管和基本放大电路 l第三章 集成运算放大器 l第四章 正弦振荡电路 l第五章 直流电源稳压、调压电路 核心：放大电路 电工电子技术 半导体器件认识及检测 数字电子技术教学内容 l第六章 逻辑门电路和组合逻辑电路 l第七章 触发器和时序逻辑电路 l第八章 脉冲信号的产生与整形 l第九章 a/d转换器和d/a转换器 核心：逻辑电路的分析和设计方法 常用数字芯片的使用 电工电子技术 半导体器件认识及检测 教学参考书 模拟电子技术基础高教出版社 华成英、童诗白 数字电子技术基础高教出版社 阎石 电子技术基础 高教出版社 康华光 电工电子技术 半导体器件认识及检测 第一章：半导体二极管和整流电路 第一节：半导体二极管 第二节：整流电路 第三节：滤波电路 第四节：稳压管和简单的稳压电路 电工电子技术 半导体器件认识及检测 能力目标： 掌握二极管的单向导电性。 能够识别常用半导体二级管的种类 。 第一节： 半导体二极管 掌握检测二极管质量的技能及选用二极 管的基本方法。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 导 体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金 属一般都是导体。 绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡 皮、陶瓷、塑料和石英。 半导体：另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘 体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化镓 和一些硫化物、氧化物等。 半导体的导电特性 电工电子技术 半导体器件认识及检测 半导体的导电机理不同于其它物质，所以它具 有不同于其它物质的特点。例如： 当受外界热和光的作用时，它的导电能 力明显变化 - 热敏特性、光敏特性。 往纯净的半导体中掺入某些杂质，会使 它的导电能力明显改变 - 掺杂特性。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 本征半导体 一、本征半导体的结构特点 ge si 通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体 。 现代电子学中，用的最多的半导体是硅(si)和锗(ge)，它 们的最外层电子（价电子）都是四个。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。 在硅和锗晶体中，原子按四角形系统构成晶体 点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而相邻四 个原子位于四面体的顶点，每个原子与其相邻的原 子之间形成共价键，共用一对价电子。 硅和锗的晶 体结构： 电工电子技术 半导体器件认识及检测 硅和锗的共价键结构 共价键共 用电子对 +4+4 +4+4 +4表示除 去价电子 后的原子 电工电子技术 半导体器件认识及检测 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，常温下束缚电子很难脱离共价键成 为自由电子，因此本征半导体中的自由电子很少， 所以本征半导体的导电能力很弱。 共价键形成后，每个 原子最外层电子是八个， 构成稳定结构。 共价键有很强的结合力， 使原子规则排列，形成晶体。 +4+4 +4 +4 电工电子技术 半导体器件认识及检测 二、本征半导体的导电机理 在绝对0度（t=0k）和没有外界激发时,价 电子完全被共价键束缚，本征半导体中没有可以 运动的带电粒子（即载流子），它的导电能力为 0，相当于绝缘体。 在常温下，由于热激发，使一些价电子获 得足够的能量而脱离共价键的束缚，成为自由电 子，同时共价键上留下一个空位，称为空穴。 1.载流子、自由电子和空穴 电工电子技术 半导体器件认识及检测 +4+4 +4+4 自由电子 空穴 束缚电子 自由电子、空穴成对出现自由电子、空穴成对出现 电工电子技术 半导体器件认识及检测 2.本征半导体的导电机理 +4+4 +4+4 在其它力的作用下， 空穴可吸引附近的电子 来填补，其结果相当于 空穴的迁移，而空穴的 迁移相当于正电荷的移 动，因此可认为空穴是 载流子。 本征半导体中存在数量相等的两种载流子： 自由电子和空穴。 自由电子：在晶格中运动；空穴：在共价键中运动 电工电子技术 半导体器件认识及检测 温度越高，载流子的浓度越高，本征半导 体的导电能力越强，温度是影响半导体性能温度是影响半导体性能 的一个重要的外部因素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。 本征半导体中电流由两部分组成： 1. 自由电子移动产生的电流。 2. 空穴移动产生的电流。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 n 型半导体和p 型半导体 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，会使半导 体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体 的某种载流子的浓度大大增加。 p 型半导体：空穴浓度大大增加的杂质半导体，也 称为（空穴半导体）。 n 型半导体：自由电子浓度大大增加的杂质半导体 ，也称为（电子半导体）。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 一、n 型半导体 +4 +5 +4 +4 多余 电电子 磷原子 在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）五价元素磷（或锑）， 晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最 外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成 共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚， 很容易被激发而成为 自由电子，这样磷原 子就成了不能移动的 带正电的离子。每个 磷原子给出一个电子 ，称为施主原子。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 n 型半导体中的载流子是什么？ 1.由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。 2.本征半导体中成对产生的电子和空穴。 因掺杂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）。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 二、p 型半导体 在硅或锗晶体中掺入少量三价元素硼三价元素硼，晶体点 阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外 层有三个价电子，与相邻的半导体原 子形成共价键时，产生一 个空位。这个空位可能吸 引束缚电子来填补，使得 硼原子成为不能移动的带 负电的离子。由于硼原子 接受电子，所以称为受主 原子。 p 型半导体中空穴是多子，电子是少子。 +4+4 +3+4 空位 硼原子 空穴 电工电子技术 半导体器件认识及检测 三、杂质半导体的示意表示法 p 型半导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + n 型半导体 杂质型半导体中多子和少子的移动都可形成电 流，但由于数量关系，起导电作用的主要是多子， 受温度影响较小。 一般近似认为多子与杂质浓度相等。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 pn 结的形成 在同一片半导体基片上，分别制造p 型 半导体和 n 型半导体，经过载流子的扩散 ，在它们的交界面处就形成了pn 结。 pn 结及其单向导电性 电工电子技术 半导体器件认识及检测 p型半导体 n型半导导体 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 扩散运动 内电场e 漂移运动 扩散的结果是使空间 电荷区逐渐加宽。 内电场越强，漂移 运动就越强，而漂 移的结果使空间电 荷区变薄。 当扩散和漂移这一对相 反的运动最终达到平衡 时，空间电荷区的厚度 固定不变。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 空间 电荷区 n 型区p 型区 电位v v0 电工电子技术 半导体器件认识及检测 1.空间电荷区中几乎没有载流子。 2.空间电荷区中内电场阻碍p 中的空穴、n 区 中的电子（都是多子）向对方运动（扩散运 动）。 3.p 区中的电子和n 区中的空穴（都是少子）， 数量有限，因此由它们形成的电流很小。 注意: 电工电子技术 半导体器件认识及检测 pn 结 的单向导电性 pn 结加上正向电压、正向偏置的意思都是： p 区加正电压、n 区加负电压。 pn 结加上反向电压、反向偏置的意思都是： p区加负电压、n 区加正电压。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 + + + + re 一、pn 结加正向电压 内电场 外电场 变薄 pn + _ 内电场被削弱，多 子扩散加强，能够形 成较大的正向电流。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 二、pn 结加反向电压 + + + + 外电场 变厚 np + _ re 内电场被加强，多 子扩散受到抑制，少 子漂移加强，但因少 子数量有限，只能形 成较小的反向电流。 内电场 电工电子技术 半导体器件认识及检测 pn 结的单向导电性： 1、加正向电压时，pn结处于导通状态， 呈低电阻，正向电流较大。 2、加反向电压时，pn结处于截止状态， 呈高电阻， 反向电流很小。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 二极管 一、基本结构：pn 结加上管壳和引线。 结面结面 积小、积小、 结电容结电容 小、正小、正 向电流向电流 小。用小。用 于于检波检波 和变频和变频 等高频等高频 电路电路。 结面积结面积 大、正大、正 向电流向电流 大、结大、结 电容大电容大 ，用于，用于 工频大工频大 电流整电流整 流电路流电路 。 用于集成用于集成 电路制作电路制作 工艺中。工艺中。 pnpn结结结结 面积可大面积可大 可小，用可小，用 于于高频整高频整 流和开关流和开关 电路中电路中。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 外加电压大于死区电外加电压大于死区电 压，二极管才能导通。压，二极管才能导通。 外加电压大于反向击外加电压大于反向击 穿电压时，二极管被击穿电压时，二极管被击 穿，失去单向导电性。穿，失去单向导电性。 p n + u i 硅管硅管0.5v0.5v 锗管锗管0 0.1v.1v 反向击穿 电压u(br) 导通压降 正向特性 反向特性 硅硅0 0.60.8v.60.8v 锗锗0 0.2.20.3v0.3v 死区电压 p n + 反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。 二、伏安特性：非线性 电工电子技术 半导体器件认识及检测 三、主要参数 1. 最大整流电流 if 二极管长时间使用时，允许流过二极管的最大正 向平均电流。超过后会引起pn结过热而损坏 2. 反向工作峰值电压ur 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般 是反向击穿电压u(br)的一半。点接触型d 管为数十 伏，面接触型d管可达数百伏。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 3. 反向峰值电流 ir 指二极管加反向峰值工作电压时的反向电流。反 向电流越大，说明二极管的单向导电性越差。 反向电流受温度影响，温度越高反向电流越大。 硅管的反向电流较小（ v阴 导通 v阳 5v ：uo = 5v 电工电子技术 半导体器件认识及检测 例：已知：管子为锗管，va = 3v，vb = 0v。 试求：vy = ? 先判二极管谁导通，导通后二极管 起嵌位作用，两端压降为定值。 因：va vb 故：da优先导通 db截止 锗管导通压降为0.3v 则：vy = 2.7v 解： 多个二极管时时，压压差大者优优先导导通 ！ 电工电子技术 半导体器件认识及检测 例：二极管的应用 - 检波 uo t t t ui ur uo 电工电子技术 半导体器件认识及检测 第二节 整流电路 1. 半波整流 to 23 u2 to 23 uo to 23 id= io t o 23 ud rl 220 v + u u2 id + ud 电工电子技术 半导体器件认识及检测 v3 rl v4 v2 v1 u1 u2 + uo io rl v4 v3v2 v1 + uo u2 u1 2.桥式整流 输入正半周 （1）工作原理 （2）波形 输入负半周 to t o to t o 23 23 im 2 2 3 3 uo u2 ud id= io + uo 电工电子技术 半导体器件认识及检测 （3） 参数估算 整流输出电压平均值 二极管平均电流 二极管最大反向压 to to to to 23 23 im 2 2 3 3 uo u2 ud id = io 电工电子技术 半导体器件认识及检测 （4） 简化画法 + uo rl io + u2 （5） 整流桥 把四只二极管封装 在一起称为整流桥 电工电子技术 半导体器件认识及检测 io + uo= uc rl v1v4 v3v2 + u 二、滤波电路 1. 电容滤波 v 导通时给 c 充电，v 截止时 c 向 rl 放电； 电路和工作原理 滤波后 uo 的波形变得平缓，平均值提高。 电容 充电 电容 放电 c 电工电子技术 半导体器件认识及检测 波形及输出电压 当 rl = 时： o t uo 2 当 rl 为有限值时： 通常取 uo = 1.2u2rc 越大 uo 越大 rl = 为获得良好滤波效果，一般取： (t 为输入交流电压的周期) 电工电子技术 半导体器件认识及检测 例 8-1 单相桥式电容滤波整流，交流电源频率 f = 50 hz， 负载电阻 rl = 40 ，要求直流输出电压 uo = 20 v，选择整流 二极管及滤波电容。 解 1. 选二极管 选二极管应满足：if (2 3) id 可选：2cz55c(if = 1 a，urm = 100 v)或 1 a、100 v 整流桥 电流平均值： 承受最高反压： 2. 选滤波电容 可选： 1 000 f，耐压 50 v 的电解电容。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 2.其他形式滤波 电感滤波 rl l + u2 整流后的输出电压： 直流分量被电感 l 短路 交流分量主要降在 l 上 电感越大，滤波效果越好 型滤波 l c1 rl + u2 c2 c1、c2 对交流容抗小 l 对交流感抗很大 负载电流小时 电工电子技术 半导体器件认识及检测 三、整流滤波电路的参数关系 输出电压 均值uo 流过二极管 电流均值 id 二极管 最高反压 urm 半波整流0.45u2io 全波整流0.9u20.5io 桥式整流 0.9u20.5io 1. 1. 整流 2. 2. 电容滤波 当当: :uo 1.2u2 电工电子技术 半导体器件认识及检测 符号 稳压管进入稳压 工作状态时，工作于 反向击穿区！ 使用时要加限流电阻 稳压原理：稳压原理： 稳压管反向击穿稳压管反向击穿 以后，电流变化很以后，电流变化很 大，但其两端电压大，但其两端电压 变化很小。变化很小。 稳压二极管 uz iz izm uz iz 伏安特性 u i o 曲线越陡 电压越稳 特殊的二极管 反向击穿时，稳压 管并不一定损坏！ 电工电子技术 半导体器件认识及检测 (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 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 rz愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。 稳压二极管的主要参数: 电工电子技术 半导体器件认识及检测 例：已知：uz = 12v，izm = 18ma，r = 1.6k。 试求：iz = ? 限流电阻 r 的阻值是否合适？ 解：iz = ( 20 uz ) / r = ( 20-12 ) / 1.6x103 = 5ma 因：iz 1 w e c b e c b 电工电子技术 半导体器件认识及检测 二、三极管的放大作用 1. 三极管放大的条件（以npn型三极管为例讨论 ） c n n p e b b e c 表面看 三极管若实 现放大，必须从 三极管内部结构 和外部所加电源 的极性来保证。 不具备 放大作用 电工电子技术 半导体器件认识及检测 三极管内部结构要求： n n p e b c n n n p p p 1. 发射区高掺杂。 2. 基区做得很薄。通常只有 几微米到几十微米，而且掺杂较 少。 三极管放大的外部条件：外加电源的极性应使发射 结处于正向偏置状态，而集电结处于反向偏置状态。 3. 集电结面积大。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 实验 共射极放大电路 vbb ib ie rb vcc rc ma a t ma ib (ma)0 0.20 0.04 0.06 0.080.10 ic (ma)0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95 ie (ma)0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05 表2-1 三极管各极电流实验数据 ic 电工电子技术 半导体器件认识及检测 2. 三极管内部载流子的传输过程 1) 发射区向基区注入多子电子， 形成发射极电流 ie。i cn 多数向集电结方向扩散形成 icn。 ie 少数与空穴复合，形成 ibn 。 i bn基区空 穴来源 基极电源提供(ib) 集电区少子漂移(icbo) i cbo ib ibn ib + icbo即： ib = ibn icbo 3) 集电区收集扩散过来的载流子形成集电极电流 ic ic i c = icn + icbo 2)电子到达基区后(基区空穴运动因浓度低而忽略) 电工电子技术 半导体器件认识及检测 三、三极管的特性曲线 uce = 0v ube /v ib=f(ube) uce=常数 (2) 当uce1v时， ucb= uce - ube0，集电结已进入反偏状态，开始收 集电子，基区复合减少，在同样的ube下 ib减小，特性曲线右移。 (1) 当uce=0v时，相当于发射结的正向伏安特性曲线。 输入特性曲线 uce = 0v uce 1v ube /v + - b c e 共射极放大电路 ubb ucc ube ic ib+ - uce 电工电子技术 半导体器件认识及检测 饱和区：ic明显受uce控 制的区域，该区域内， 一般uce0.7v(硅管)。 此时，发射结正偏，集 电结正偏或反偏电压很 小。 ic=f(uce) ib=常数 输出特性曲线 输出特性曲线的三个区域: 截止区：ic接近零的 区域，相当ib=0的曲 线的下方。此时， ube小于死区电压， 集电结反偏。 放大区：ic平行于uce轴的 区域，曲线基本平行等距 。此时，发射结正偏，集 电结反偏。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 晶体管三种工作状态: (a)放大 + ube 0 ic ib + uce ubc 0 ib + uce 0 ubc 0 + npn型：集电极电位最高，发射极电位最低； pnp型：发射极电位最高，集电极电位最低。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 四、晶体三极管的主要参数 1. 电流放大系数 ic / ma uce /v 50 a 40 a 30 a 20 a 10 a ib = 0 o 2 4 6 8 4 3 2 1 直流电流放大系数 交流电流放大系数 一般为几十 几百 q 2.极间反向电流 icbo为发射极开路时集电极与基 极之间的反向饱和电流 。 iceo为基极开路时集电极与发射 极之间的穿透电流。 电工电子技术 半导体器件认识及检测 3、极限参数 (1). icm 集电极最大允许电流，超过时 值明显降低。 u(br)cbo 发射极开路时 c、b 极间反向击穿电压。 (2). pcm 集电极最大允许功率损耗 pc = ic uce。 (3). u(br)ceo 基极开路时 c、e 极间