《极管三极管》PPT课件.ppt

(14-1),电工学II多媒体教案,宁夏大学机械工程学院,(14-2),第14章 半导体二极管和三极管,14.1 半导体的基本知识 14.2 PN结 14.3 半导体二极管 14.4 稳压二极管 14.5 半导体三极管 14.6 光电器件,(14-3),半导体的特点,半导体的优点（与电子真空管相比） 1、体积小，重量轻； 2、耗电省； 3、成本低。,缺点： 1、受温度影响大； 2、参数离散。,(14-4),14.1 半导体的导电特性,导体、半导体和绝缘体,1、很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体。,2、有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,3、导电特性处于导体和绝缘体之间的物质，称为半导体，如锗、硅、砷化镓和一些硫化物、氧化物等。,(14-5),一种物质的导电性能取决于它的载流子密度 （浓度）。,(14-6),（1）通过一定的工艺过程，可以将半导体制成晶体。,（2）完全纯净的、结构完整的半导体晶体，称为本征半导体。,（3）在硅和锗晶体中，原子按四角形系统组成每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,14.1.1 本征半导体,特点：,(14-7),本征半导体的结构特点,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和锗，它们的最外层电子（价电子）都是四个。,(14-8),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，原子按四角形系统组成晶体点阵，每个原子都处在正四面体的中心，而四个其它原子位于四面体的顶点，每个原子与其相临的原子之间形成共价键，共用一对价电子。,(14-9),硅和锗的共价键结构,共价键共 用电子对,+4表示除去价电子后的原子,(14-10),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。,形成共价键后，每个原子的最外层电子是八个，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。,(14-11),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着，本征半导体中没有可以运动的带电粒子，它的导电能力为0。,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。比如：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,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。,(14-12),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、热激发,(14-13),本征半导体的导电机理,(14-14),本征半导体的导电机理,空穴吸引邻近价电子来填补，这样的结果相当于空穴的迁移，因此可以认为空穴是载流子。,空穴导电：,(14-15),2、自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。,3、在一定温度下，电子空穴对的产 生和复合达到动态平衡，于是半导体中 的载流子数目便维持一定。,特点：1、半导体有两种载流子： 自由电子和空穴,(14-16),温度越高，载流子的浓度越高。因此本征半导体的导电能力越强，温度是影响半导体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。,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。,(14-17),N型半导体,多余电子,磷原子,掺杂浓度为百万分之一：电子浓度增加：,14.1.2 掺杂半导体,在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。,(14-18),N型半导体,N型半导体中的载流子是什么？,结论：1、掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度 。 2、自由电子浓度远大于空穴浓度。 多数载流子（多子） 自由电子 少数载流子（少子） 空穴。,(14-19),空穴,P型半导体,硼原子,(14-20),特点：,1、P型半导体：本征半导体中掺入三价元素。,2、P型半导体中 多子 空穴， 少子 电子。,(14-21),杂质半导体的示意表示法,杂质型半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。,(14-22),14.2 PN结,一、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。,(14-23),P型半导体,N型半导体,扩散的结果是使空间电荷区逐渐加宽，空间电荷区越宽。,内电场越强，就使漂移运动越强，而漂移使空间电荷区变薄。,(14-24),所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡，相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚度固定不变。,(14-25),空间电荷区,N型区,P型区,电位V,V0,(14-26),1、空间电荷区中没有载流子。,2、空间电荷区中内电场阻碍都是多子的扩散运动，促进少子的漂移运动。,3、P中的电子和N中的空穴（都是少子），数量有限，因此由它们形成的电流很小即漂移电流很小，nA级。,请注意,4、扩散与漂移达到动态平衡时即形成PN结。,(14-27),二、 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、N区加负电压。,(14-28),1、PN 结正向偏置,P,N,+,_,内电场被削弱，多子的扩散加强能够形成较大的扩散电流。,(14-29),PN结加上反向电压、反向偏置的意思都是： P区加负、N区加正电压。,(14-30),2、PN 结反向偏置,N,P,+,_,内电场被被加强，多子的扩散受抑制。少子漂移加强，但少子数量有限，只能形成较小的反向电流。,R,E,(14-31),3、结论： PN结具有单向导电特性,(1)、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,相当于开关闭合,(2)、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,相当于开关打开,(14-32),14.3 半导体二极管,一、基本结构,PN结加上管壳和引线，就成为半导体二极管。,点接触型二极管,(14-33),二极管实际结构,(14-34),死区电压 硅管0. 5V,锗管0.2V。,导通压降: 硅管0.60.8V,锗管0.20.3V。,反向击穿电压U(BR),I,U,(14-35),600,400,200, 0.1, 0.2,0,0.4,0.8,50,100,I / mA,U / V,正向特性,反向击 穿特性,硅管的伏安特性,+ U ,I,U=f（I）,二、伏安特性,(14-36),正向特性：二极管加正向电压,反向特性：二极管加反向电压,对于理想二极管,(14-37),三、主要参数,A.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。,B. 反向击穿电压U(BR),二极管反向击穿时的电压值。击穿时反向电流剧增，二极管的单向导电性被破坏，甚至过热而烧坏。手册上给出的最高反向工作电压URWM一般是U(BR)的一半。,(14-38),C. 反向峰值电流 IRM,指二极管加反向峰值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，因此反向电流越小越好。反向电流受温度的影响，温度越高反向电流越大。硅管的反向电流较小，锗管的反向电流要大几十到几百倍。,(14-39),四、二极管电路的分析方法,A. 对直流信号，用图解法作出工作点,uD,(14-40),B.大交流信号:,相当电子开关,二极管的应用是主要利用它的单向导电性包括整流、限幅、钳位等。,(14-41),例1：下图中，已知VA=3V， VB=0V， DA 、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解： DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后, DB因反偏而截止, 起隔离作用, DA起钳位作用, 将Y端的电位钳制在+2.7V。,+ 0.3V,(14-42),钳位作用：,(14-43),D,E 3V,R,ui,uo,uR,uD,例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui = 6 sin t V, E= 3V,试画出 uo波形 。, t, t,ui / V,uo /V,6,0,0,2,uR？,(14-44),整流、削波作用：,2E,E,通,通,(14-45), t,6,0,2,例3：双向限幅电路, t,0,D,E 3V,R,D,E 3V,ui,uo,uR,uD,ui / V,uo /V,(14-46),（1）微变电阻 rD,uD,显然，rD是对Q附近的微小变化量的电阻。,下面介绍两个交流参数（又称动态参数）。,RD= UD / ID,(14-47),(14-48),PN结高频小信号时的等效电路：,势垒电容和扩散电容的综合效应,（2）二极管的极间电容,(14-49),万用表测试二极管,(14-50),14.4 稳压二极管,一、工作区域,U,UZ,IZ,稳压误差,曲线越陡，电压越稳定。,-,(14-51),三、稳压二极管的参数,（1）稳定电压 UZ,（3）动态电阻,二、工作特点：,（1）在反向击穿区处于稳压状态；,（2）工作在其它区域与一般二极管相同。,(14-52),（4）稳定电流IZ、最大、最小稳定电流Izmax、 Izmian。,（5）最大允许功耗,(14-53),例1：已知ui = 10 sin t V, UZ= 5.5V（稳压值）， 正向压降为0 .7V，试画出 uo波形 。,DZ,UZ,R,ui,uo,uR, t, t,ui / V,uo /V,10,0,0,2,解：,(14-54),负载电阻,要求当输入电压由正常值发生20%波动时，负载电压基本不变。,例2：稳压管的技术参数:,解：令输入电压达到上限时，流过稳压管的电流为Izmax 。,求：电阻R和输入电压 ui 的正常值。,方程1,(14-55),令输入电压降到下限时，流过稳压管的电流为Izmin 。,方程2,联立方程1、2，可解得：,(14-56),N型硅,N+,P型硅,（a） 平面型,14.5 半导体三极管,一、基本结构,(14-57),三极管的实际结构,(14-58),1. NPN 型三极管,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,N,集电极C,基极B,发射极E,三极管的结构 分类和符号,P,(14-59),集电区,集电结,基区,发射结,发射区,C,B,E,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2. PNP型三极管,(14-60),基区：较薄，1um以下，掺杂浓度低,集电区：面积较大,发射区：掺 杂浓度较高,结构特点,(14-61),EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,二、 三极管的电流控制作用,三极管具有电流控 制作用的外部条件 :,（1）发射结正向偏置 （加正向电压）；,（2）集电结反向偏置 （加反向电压）。,EB,RB,IB,(14-62),IC,N,P,N,三极管的电流控制原理,VCC,RC,VBB,RB,C,B,E,(14-63),由于基区很薄,掺杂浓度又很小,电子在基区扩散的数量 远远大于复合的数量。所以：,IC IB,同样有: IC IB,所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。,电流关系： IE=IB+IC,IC=IB,直流电流放大系数,(14-64),EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,三极管具有电流控 制作用的外部条件 :,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:,公 共 端,EB,RB,IB,IE,UBE 0,UBC 0,即 VC VB VE,(14-65),EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,三极管具有电流控 制作用的外部条件 :,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于PNP型三极管应满足:,公 共 端,EB,RB,IB,IE,即 VC VB VE,UBC 0,UBE 0,(14-66),电流放大原理,EB,RB,Ec,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。,1,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。,(14-67),EB,RB,Ec,集电结反偏，有少子形成的反向电流ICBO。,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。,2,多子的运动,少子的运动,(14-68),IB=IBE-ICBOIBE,3,ICE与IBE之比称为电流放大倍数,(14-69),4,(14-70),NPN型三极管,PNP型三极管,(14-71),三、特性曲线,(14-72),1、输入特性,工作压降： 硅管UBE0.60.7V,锗管UBE0.20.3V。,死区电压，硅管0.5V，锗管0.2V。,(14-73),2、输出特性,IC(mA ),此区域满足IC=IB称为线性区（放大区）。,当UCE大于一定的数值时，IC只与IB有关，IC=IB。,(14-74),此区域中UCEUBE,集电结正偏，IBIC，UCE0.3V称为饱和区。,(14-75),此区域中 : IB=0,IC=ICEO,UBE 死区电压，称为截止区。,(14-76),共发射极接法放大电路,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足: VC VB VE 且IC= IB,对于PNP型三极管应满足: VC VB VE 且IC= IB,（一）放大状态,条 件,特 征,输出特性三个区域的特点:,(14-77),（二） 饱和状态,集电结、发射结均反向偏置，即UBE 0,（1） IB增加时，IC基本不变， 且IC UC / RC,（2） UCE 0,晶体管C、E之间相当于短路,（三） 截止状态,即UCE UBE,（1） IB=0、 IC 0,（2） UCE EC,晶体管C、E之间相当于开路,共发射极接法放大电路,条 件,特 征,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,条件,特 征,(14-78),四、 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。,共射直流电流放大倍数：,1.电流放大倍数和 ,(14-79),工作于动态的三极管，真正的信号是叠加在直流上的交流信号。基极电流的变化量为IB，相应的集电极电流变化为IC，则交流电流放大倍数为：,(14-80),60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求, , ,设UCE=6V, IB由40A加为60A 。,IC / mA,UCE /V,IB =40A,6,(14-81),例：UCE=6V时：IB=40A, IC=1.5mA； IB=60 A, IC=2.3mA。,在以后的计算中，一般作近似处理：=,(14-82),2.集-基极反向截止电流ICBO,ICBO是集电结反偏由少子的漂移形成的反向电流，受温度的变化影响。,(14-83),3.集-射极反向截止电流ICEO,(14-84),B,E,C,N,N,P,ICBO进入N区，形成IBE。,根据放大关系，由于IBE的存在，必有电流 IBE。,集电结反偏有ICBO,(14-85),4.集电极最大电流ICM,集电极电流IC上升会导致三极管的值的下降，当值下降到正常值的三分之二时的集电极电流即为ICM。,所以集电极电流应为：IC= IB+ICEO,而ICEO受温度影响很大，当温度上升时，ICEO增加很快，所以IC也相应增加。三极管的温度特性较差。,(14-86),5.集-射极反向击穿电压,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。,(14-87),6.集电极最大允许功耗PCM,集电极电流IC流过三极管，所发出的焦耳热为：,PC=ICUCE