电工学PPT电子课件教案-第15章 半导体二极管和三极管.ppt

第15章 半导体二极管和三极管,15.1 半导体的导电特性,15.2 pn结,15.3 半导体二极管,15.4 稳压管,15.5 半导体三极管,本章要求: 1.理解pn结的单向导电性； 2. 了解二极管、稳压管和晶体管的基本构造、工作原理和主要特性曲线，理解主要参数的意义； 3. 理解晶体管的电流分配和放大作用。,end,第15章 半导体二极管和三极管,15.1 半导体的导电特性,半导体：导电能力介乎于导体和绝缘体之 间的 物质。,半导体特性：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,本征半导体就是完全纯净的半导体。,应用最多的本征半导体为锗和硅，它们各有四个价电子，都是四价元素。,硅的原子结构,15.1.1 本征半导体,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体 晶体管名称的由来,本征半导体晶体结构中的共价健结构,15.1.1 本征半导体,自由电子与空穴,15.1.1 本征半导体,共价键中的电子在获得一定能量后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中 留下一个空穴。,热激发与复合现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象- 热激发,15.1.1 本征半导体,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,半导体导电方式,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点，也是半导体和金属在导电原理上的本质差别。,载流子,自由电子和空穴,因为，温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好，所以，温度对半导体器件性能的影响很大。,15.1.1 本征半导体,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,15.1.2 n型半导体和p型半导体,n型半导体,在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）。,自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,电子型半导体或n型半导体,15.1.2 n型半导体和p型半导体,p型半导体,在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或p型半导体。,15.1.2 n型半导体和p型半导体,不论n型半导体还是p型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,end,在n型半导体和p型半导体的结合面上形成如下物理过程:,因浓度差,空间电荷区 形成内电场,内电场促使少子漂移,内电场阻止多子扩散,多子的扩散和少子的漂移 达到动态平衡，pn结形成。,多子的扩散运动,由杂质离子形成 空间电荷区,p区,n区,空间电荷区,内电场,15.2.1 pn结的形成,15.2 pn结,15.2.2 pn结的单向导电性,1 外加正向电压使pn结导通,pn结呈现低阻导通状态，通过pn结的电流基本是多子的扩散电流正向电流,15.2.2 pn结的单向导电性,2 外加反向电压使pn结截止,pn结呈现高阻状态，通过pn结的电流是少子的漂移电流 -反向电流,特点: 受温度影响大 原因: 反向电流是靠热激发产生的少子形成的,15.2.2 pn结的单向导电性,结 论,pn结具有单向导电性,（1） pn结加正向电压时，处在导通状态，结电阻很低，正向电流较大。,（2）pn结加反向电压时，处在截止状态，结电阻很高，反向电流很小。,end,15.3 半导体二极管,15.3.1 基本结构 15.3.2 伏安特性 15.3.3 伏安特性的折线化 15.3.4 二极管的主要参数,结面积小结电容小，适用于高频（几百兆赫）工作，不能通过很大的电流。用于小电流的整流和高频时的检波、混频等,结面积大，能通过较大的电流，但结电容也大，只能在较低的频率下工作。,15.3.2 伏安特性,半导体二极管的伏安特性是非线性的。,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管： 0.1伏左右。 正向压降： 硅管：0.7伏左右，锗管： 0.2 0.3伏。,15.3.2 伏安特性,1 正向特性,反向电流：小功率硅管一般小于0.1ua,锗管通常为几十微安 反向饱和电流： 反向击穿电压u（br） 一般几十伏以上（高反压管可达几千伏 ) 硅材料pn结，ubr在7v以上为雪崩击穿，4v以下为齐纳击穿,15.3.2 伏安特性,2 反向特性,15.3.2 伏安特性的折线化,15.3.3 主要参数,1 最大整流电流iom： 二极管长时间使用时，允许流过的最大正向平均电流。,2 反向工作峰值电压urwm: 保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压。,3 反向峰值电流irm: 二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,含二极管电路的分析方法,确定二极管的工作状态,根据工作状态用不同的模型代替二极管,在等效后的线性电路中作相应的分析,若二极管工作在截止 状态则可等效为断开的开关,若二极管工作在导通 状态则可等效为导通的开关,或电压为uon的电压源,15.3.4 应用举例,主要利用二极管的单向导电性。可用于整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,如何判断二极管的工作状态,？,步骤,1、假设二极管截止，即将二极管断开。,2、计算二极管两端的电压 ud=v阳-v阴,3、判断：若 ud0，则二极管工作于导通状态 若 ud0，则二极管工作于截止状态,例：图示电路中，分析当ua与ub分别为0与3v的不同组合时，二极管d1、d2的状态，并求u0的值。,解：,（1）当ua=ub=0时,设d1、d2截止，则等效电路为,由电路，有 ud1=0-（-5）=50 ud2=0-（-5）=50,则d1、d2处于导通状态，电路可等效为,所以，u0=0,（2）当ua=ub=3v时,设d1、d2截止，则等效电路为,由电路，有 ud1=3-（-5）=80 ud2=3-（-5）=80,则d1、d2处于导通状态，电路可等效为,所以，u0=3v,（3）当ua=3v，ub=0时,设d1、d2截止，则等效电路为,由电路，有 ud1=3-（-5）=80 ud2=0-（-5）=50,则d1、d2处于导通状态，电路可等效为,所以，u0=3v,出现矛盾！即d1、d2不可能同时导通！,合理的情况是：d1导通，d2截止。,（4）当ua=0，ub=3v时,所以，u0=3v,同理可得：d1截止，d2导通。,end,综上所述： 当ua、ub中有一个为3v时，输出uo为3v,“或”逻辑,15.4 稳压管,一种特殊的面接触型半导体硅二极管。它在电路中与适当数值的电阻配合后能起稳定电压的作用。,1 稳压管表示符号：,iz,uz,2 稳压管的伏安特性：,3 稳压管稳压原理：,稳压管工作于反向击穿区。稳压管击穿时，电流虽然在很大范围内变化，但稳压管两端的电压变化很小。利用这一特性，稳压管在电路中能起稳压作用。,稳压管的反向特性曲线比较陡。,反向击穿 是可逆的。,15.4 稳压管,4 主要参数,（2）电压温度系数,稳压管在正常工作下管子两端的电压。,说明稳压管受温度变化影响的系数,15.4 稳压管,（3）动态电阻,（4）稳定电流,（5）最大允许耗散功率,rz,稳压管端电压的变化量与相应的电流变化量的比值,iz,pzm,管子不致发生热击穿的最大功率损耗。 pzm=uzizm,15.4 稳压管,例题,稳压管的稳压作用,当uuz时,稳压管击穿,此时,选r，使izizm,end,15.5 半导体三极管,15.5.1 基本结构,15.5.1 基本结构 15.5.2 电流分配和放大原理 15.5.3 特性曲线 15.5.4 主要参数,结构,15.5.1 基本结构,15.5.1 基本结构,15.5.2 电流分配和放大原理,共发射极接法,15.5.2 电流分配和放大原理,晶体管电流测量数据,由此实验及测量结果可得出如下结论： （1） ie=ic+ib 符合基尔霍夫电流定律。 （2） ie和ic比ib 大的多。 （3）当ib=0（将基极开路）时， ie=iceo， iceo0.001ma,用载流子在晶体管内部的运动规律来解释上述结论。,15.5.2 电流分配和放大原理,外部条件：发射结加正向电压；集电结加反向电压。 ube0,ubc0,ubc=ube-uce,ubeuce,15.5.2 电流分配和放大原理,发射结正偏,扩散强,e区多子（自由电子）到b区,b区多子（空穴）到e区,穿过发射结的电流主要是电子流,形成发射极电流ie,ie是由扩散运动形成的,1 发射区向基区扩散电子，形成发射极电流ie。,15.5.2 电流分配和放大原理,2 电子在基区中的扩散与复合，形成基极电流ib,e区电子到基区b后，有两种运动,同时基区中的电子被eb拉走形成,ib,ieb=ib时达到动态平衡,形成稳定的基极电流ib,ib是由复合运动形成的,15.5.2 电流分配和放大原理,3 集电极收集电子，形成集电极电流ic,集电结反偏,阻碍c区中的多子（自由电子）扩散，同时收集e区扩散过来的电子,有助于少子的漂移运动，有反向饱和电流icbo,形成集电极电流ic,15.5.2 电流分配和放大原理,15.5.3 特性曲线,用来表示该晶体管各极电压和电流之间相互关系、反映晶体管的性能，是分析放大电路的重要依据。,以共发射极接法时的输入特性和输出特性曲线为例。,15.5.3 特性曲线,1输入特性曲线：,死区电压： 硅管：0.5伏左右，锗管0.1伏左右。 正常工作时，发射结的压降： npn型硅管ube=0.60.7v; pnp型锗管ube=-0.2-0.3v。,15.5.3 特性曲线,2 输出特性曲线,晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,15.5.3 特性曲线,晶体管的输出特性曲线分为三个工作区：,（1）放大区 （2）截止区 （3）饱和区,（1）放大区（线性区）,输出特性曲线的近似水平部分。,特点：,等效：,条件：e结正偏、c结反偏,15.5.3 特性曲线,（2）截止区,ib=0曲线以下的区域为截止区,ib=0 时，ic=iceo0.001ma,对npn型硅管而言，当ube0.5v时，即已开始截止，为了截止可靠，常使ube小于等于零。,特点：ib=0，ic=0,等效：,条件：e结反偏,（3）饱和区,当uceube时，集电结处于正向偏置，晶体管工作处于饱和状态,在饱和区，ib的变化对ic的影响较小，两者不成比例,15.5.3 特性曲线,条件：e结正偏、c结正偏,等效：,特点：uce=uces0，icib,例1:测得各晶体管在无信号输入时,三个电极相对于”地”的电压如图所示。问哪些管子工作于放大状态,哪些处于截止、饱和状态，哪些管子已经损坏？,-2.7v,截止,放大,饱和,放大,15.5.3 特性曲线,饱和,放大,已损坏,倒置,15.5.3 特性曲线,15.5.4 主要参数,注意：,15.5.4 主要参数,2 集基极反向截止电流icbo,icbo=ic|ie=0,icbo受温度的影响大。在室温下，小功率锗管的icbo约为几微安到几十微安，小功率硅管在一微安以下。icbo越小越好。,15.5.4 主要参数,3 集射极反向截止电流iceo,iceo=ic|ib=0,穿透电流iceo与icbo的关