半导体二极管和三极管（13）

.,1,第7章 半导体二极管和三极管,1.理解PN结的单向导电性。 2.了解半导体二极管的基本类型、伏安特性和主要参数，了解二极管的整流作用、钳位作用和限幅作用。 3.了解稳压二极管的主要特性及其稳压作用。 4.了解双极型晶体管的基本类型、特性曲线和主要参数，理解晶体管的三种工作状态。,基本要求：,.,2,第7章 半导体二极管和三极管,.,3,1.半导体的导电特性,1.物质的导电性,自然界中的物质按照导电能力可分为导体、绝缘体与半导体。,导体：导电能力良好的物体，如银、铜、铁等。,绝缘体：不能导电或导电能力很差的物体，如橡胶、陶瓷、玻璃、塑料等。,半导体：导电性能介于导体和绝缘体之间的物体。,.,4,1.半导体的导电特性,典型的半导体元素有硅Si和锗Ge，此外，还有化合物半导体砷化镓GaAs等。,硅原子,锗原子,硅和锗最外层轨道上的四个电子称为价电子。,.,5,1.半导体的导电特性,半导体的导电能力随环境的变化而变化的特性,(可做成温度敏感元件，如热敏电阻)。,掺杂性：往纯净的半导体中掺入某些杂质，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）。,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)。,热敏性：当环境温度升高时，导电能力显著增强,.,6,1.半导体的导电特性,2.本征半导体,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,硅单晶中的共价健结构,共价键中的两个电子，称为价电子。,.,7,1.半导体的导电特性,本征半导体的导电机理,价电子,空穴,自由电子,价电子在获得一定能量（温度升高或受光照）后，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）。,本征激发：,温度愈高，晶体中产生的自由电子、空穴愈多。,.,8,1.半导体的导电特性,(5) 当半导体两端加上外电压时，载流子定向运动 （漂移运动），在半导体中将出现两部分电流 自由电子作定向运动 电子电流 价电子递补空穴 空穴电流,结论：,(1) 半导体有两种载流子:（负）电子、（正）空穴。,(2) 自由电子和空穴成对地产生，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。,(3) 载流子的数量少，故导电性能很差。,(4) 载流子的数量受温度影响较大，温度高数量就多。所以，温 度对半导体器件性能影响很大。,.,9,1.半导体的导电特性,.,10,1.半导体的导电特性,3.杂质半导体,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。,多余电子,磷原子,在常温下即可变为自由电子,失去一个电子变为正离子,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。,掺入五价元素,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。,.,11,1.半导体的导电特性,硼原子,接受一个电子变为负离子,空穴,因三价杂质原子在与硅原子形成共价键时，缺少一个价电子而在共价键中留下一个空穴。 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。,掺入三价元素,无论N型或P型半导体都是中性的，对外不显电性。,.,12,1.半导体的导电特性,(1) N 型半导体（电子型半导体） 形成：向本征半导体中掺入少量的 5 价元素 特点：（a）含有大量的电子多数载流子 （b）含有少量的空穴少数载流子,(2) P 型半导体（空穴型半导体） 形成：向本征半导体中掺入少量的 3 价元素 特点：（a）含有大量的空穴多数载流子 （b）含有少量的电子少数载流子,.,13,1.半导体的导电特性,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,思考题：,.,14,1.半导体的导电特性,4 PN结,多子的扩散运动,少子的漂移运动,浓度差,P型半导体,N型半导体,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。,空间电荷区也称PN结,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。,形成空间电荷区,.,15,1.半导体的导电特性,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,PN 结正偏,.,16,1.半导体的导电特性,（2）PN结加反向电压（反向偏置）,P接负、N接正,PN 结反偏,.,17,1.半导体的导电特性,PN结加正向电压时，PN结变窄，正向电流较大，正向电阻较小，PN结处于导通状态。,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。,结论,PN结具有单向导电性。,.,18,2.半导体二极管,1 基本结构,两层半导体 一个PN结,.,19,2.半导体二极管,(1)点接触型,(2)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。,.,20,2.半导体二极管,2 伏安特性,二极管电流与电压之间的关系,半导体二极管的伏安特性,正向：死区（ OA 段）: 硅管约 0.5 V， 锗管约 0.2 V； 正向导通区: 硅管约 0.7 V，锗管约0.3 V,温度增加，曲线左移,反向：截止区（ OB 段）: I 近似为 0； 击穿区: 管子被击穿,温度增加，曲线下移,.,21,2.半导体二极管,2 伏安特性,二极管电流与电压之间的关系,半导体二极管的伏安特性,(a) 近似特性 (b) 理想特性,.,22,2.半导体二极管,3 主要参数,(1)IOM：最大整流电流,(2)UR ：最高反向工作电压,(3)IRm ：最大反向电流,二极管长期使用时，允许流过二极管的最大正向平均电流。,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。,指二极管加最高反向工作电压时的反向电流。反向电流越小，说明管子的单向导电性越好。,.,23,2.半导体二极管,4 二极管的单向导电性,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二极管被击穿，失去单向导电性。,4. 二极管的反向电流受温度的影响，温度愈高反向电流愈大。,.,24,2.半导体二极管,5 选择二极管的一般原则,1. 要求导通后正向压降小时选锗管，要求反向电流小时选硅管。,2. 要求工作电流大时选面接触型，要求工作频率高时选点接触型。,3. 要求反向击穿电压高时选硅管。,4. 要求温度特性好时选硅管。,.,25,2.半导体二极管,二极管电路分析：先判断二极管的工作状态,导通截止,整流、限幅、钳位、开关、元件保护、温度补偿等。,分析方法：1、将二极管断开； 2、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，二极管导通 若 V阳 V阴或 UD为负，二极管截止,若二极管是理想的，正向导通时管压降为零， 反向截止时相当于开路。,6 二极管的主要应用,.,26,2.半导体二极管,例1 分析输出电压和二极管上电压的波形。假设二极管为理想二极管。,u2 正半周，VaVb， D导通，uo = u2 ；,u2 负半周，Va Vb， D 截止，uo = 0 。,二极管起整流作用,.,27,2.半导体二极管,例2 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,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。,二极管起钳位作用,.,28,3.稳压二极管,1 符号,2 伏安特性,UZ,IZ,IZM, UZ, IZ,稳压管正常工作时加反向电压,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,使用时要加限流电阻,.,29,3.稳压二极管,3 主要参数,(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,rZ愈小，曲线愈陡，稳压性能愈好。,(4) 稳定电流IZ,指稳压管工作在稳压状态的参考电流。,.,30,3.稳压二极管,4 稳压管稳压电路,(1) 稳电管正向偏置时，相当于一个普通二极管正向偏置的情况。,(2) 稳压管反向偏置时,当外加反向电压小于稳压管的稳定电压时，稳压管截止，可视为开路。,当外加反向电压大于或等于稳压管的稳定电压，并且流过稳压管的电流满足一定要求时，稳压管稳压。,.,31,3.稳压二极管,例2 稳压二极管的稳定电压UZ = 5V，正向压降忽略不计。当输入电压Ui 分别为 直流10 V、3 V、-5V时，求输出电压UO；若 ui = 10sin tV，试画出 uo 的波形。,Ui = 10V：,DZ 工作在反向击穿区，稳压，UO = UZ = 5V,Ui = 3V：,DZ 反向截止，UO = Ui = 3V,Ui = -5V：,DZ 工作在正向导通状态，UO = 0V,.,32,3.稳压二极管,ui = 10sintV：,ui正半周，当ui UZ，DZ 反向击穿，uO = 5V,当ui UZ，DZ 反向截止，uO = ui,ui负半周，DZ 正向导通，uO = 0V,5V,.,33,4.半导体三极管,1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,符号：,NPN型三极管,PNP型三极管,.,34,4.半导体三极管,结构特点：,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：面积大,集电区： 面积最大,.,35,4.半导体三极管,2 工作状态,（1）晶体管中电流的分配,三极管放大的外部条件:,发射结正偏、集电结反偏,PNP：VCVBVE,从电位的角度看： NPN：VCVBVE,.,36,4.半导体三极管,各电极电流关系及电流放大作用,结论:,三电极电流关系 ： IE = IB + IC IC IB ， IC IE 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。,动画,.,37,4.半导体三极管,（2）晶体管中载流子运动过程,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P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，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,.,38,4.半导体三极管,（2）晶体管中载流子运动过程,动画,.,39,4.半导体三极管,IC = ICE+ICBO ICE,IB = IBE- ICBO IBE,ICE 与IBE 之比称为共发射极直流电流放大倍数,若IB =0, 则 IC ICE0,.,40,4.半导体三极管,3 特性曲线,测量晶体管特性的实验线路,输入回路,输出回路,发射极是输入回路、输出回路的公共端,共发射极电路,.,41,4.半导体三极管,三极管输入特性曲线,.,42,4.半导体三极管,结论,(1) 输入特性是发射结的正向特性，它是一条非线性曲线。,(2) 只有当加在发射结的电压大于死区电压时，晶体管才会出现基极电流。,(3) 正常工作时，NPN型硅管的发射结电压UBE=0.60.7V, PNP型锗管的发射结电压UBE=-0.2-0.3V。,.,43,4.半导体三极管,三极管输出特性曲线,动画,.,44,4.半导体三极管,晶体管的工作状态,动画,.,45,4.半导体三极管,(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。,结论,（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。在饱和区，发射结处于正向偏置，集电结也处于正偏。,.,46,4.半导体三极管,4 主要参数,电流放大系数，,直流电流放大系数,交流电流放大系数,当晶体管接成发射极电路时，,注意：,和 的含义不同，但在特性曲线近于平行等距并且ICE0 较小的情况下，两者数值接近。,常用晶体管的 值在20200之间。,.,47,4.半导体三极管,例7 在UCE=6V时，在Q1点；IB=40A,IC=1.5mA； 在Q2点IB=60A, IC=2.3mA。,在Q1点，有,由Q1和Q2点，得,在以后的计算中，一般作近似处理： = 。,Q1,Q2,.,48,4.半导体三极管,集-基极反向截止电流 ICBO,ICBO是由少数载流子的漂移运动所形成的电流，受温度的影响大。 温度ICBO,集-射极反向截止电流(穿透电流)ICEO,ICEO受温度的影响大。 温度ICEO，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。