半导体二极管和三极管.ppt

,电工学下篇,主讲：陈松柏,第10章基本放大电路,第11章运算放大器,第13章门电路和组合逻辑电路,第9章二极管和晶体管,退出,电工学下篇,第14章触发器和时序逻辑电路,9.2半导体二极管,9.3稳压管,9.4半导体三极管,9.1半导体的导电特性,退出,第9章半导体二极管和三极管,本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,9.1.1本征半导体,自由电子,用得最多的半导体是硅或锗,它们都是四价元素。,自由电子和空穴总是成对出现，同时又不断复合。,9.1半导体的导电特性,在外电场的作用下，本征半导体中电流的形成？,可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。,空穴移动方向,电子移动方向,外电场方向,电子电流。,空穴电流。,载流子数量大大增加,所以，半导体器件是温度敏感元件,自由电子,施主原子,自由电子的数量大大增加，是多数载流子，空穴是少数载流子，将这种半导体称为N型半导体。,掺入五价元素磷，情况会怎样？,9.1.2N型半导体和P型半导体,如何增强半导体导电能力？,参入微量的杂质(某种元素),在硅或锗的晶体中掺入三价元素硼：称为P型半导体,P型半导体中，空穴的数量大大增加，成为多数载流子，电子是少数载流子；,受主原子,空穴,9.1.3PN结及其单向导电性,1.PN结的形成,P区,N区,N区的电子向P区扩散并与空穴复合,当扩散和漂移达到平衡时，就形成了一定厚度的PN结,2.PN结的单向导电性,(1)外加正向电压,内电场方向,R,P区,N区,外电场驱使P区的空穴进入空间电荷区抵消一部分负空间电荷,N区电子进入空间电荷区抵消一部分正空间电荷,扩散运动增强，形成较大的正向电流,P区,N区,内电场方向,R,2.外加反向电压,外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子移走,少数载流子越过PN结形成很小的反向电流,多数载流子的扩散运动难于进行,返回,9.2.1基本结构,将PN结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。,点接触型,9.2半导体二极管,9.2.2基本外形,普通二极管,发光二极管,9.2.3伏安特性,通常，硅管的死区电压约为0.5V，锗管约为0.1V。导通时的正向压降，硅管约为0.60.7V，锗管约为0.20.3V。,60,40,20,0.02,0.04,0,0.4,0.8,25,50,I/mA,U/V,正向特性,硅管的伏安特性,反向特性,二极管具有单向导电性！,9.2.4主要参数,1.最大整流电流IOM最大整流电流是指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。,2.反向工作峰值电压URWM它是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的一半或三分之二。,3.反向峰值电流IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。,例1在图中二极管为锗管，输入电位VA=+3V，VB=0V，电阻R接负电源12V。求输出端电位VY。,DA、DB的导通截止情况？,在这里，DA起钳位作用，将输出端电位钳制在+2.7V。,二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。,返回,解,如果二极管的正向压降是0.3V，则VY=+2.7V。,稳压管是一种特殊的面接触型半导体硅二极管。其表示符号如下图所示。,9.3稳压管,稳压管工作于反向击穿区！,稳压管的主要参数有下面几个：,4.稳定电流IZ,3.动态电阻rZ,2.电压温度系数U,5.最大允许耗散功率PZM,如：2CW59的稳压值为1011.8V,2CW59的电压温度系数为0.095%/度,稳压管的动态电阻越小稳压效果越好,如：2CW59的最大电流值为25mA,如：2CW59的最大耗散功率为0.25W,使用稳压管需要注意的几个问题：,图1.2.13稳压管电路,1.外加电源的正极接管子的N区，电源的负极接P区，保证管子工作在反向击穿区；,2.稳压管应与负载电阻RL并联；,3.必须限制流过稳压管的电流IZ，不能超过规定值，以免因过热而烧毁管子。,例1图中通过稳压管的电流IZ等于多少？R是限流电阻，其值是否合适？,IZIZM，电阻值合适。,解,试估算电阻的最小值？,稳压管二极管的基本外形,与普通二极管对比，其体积一般要大一些！,具体判别要根据其型号为准！,9.4.1基本结构,返回,9.4半导体三极管,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,P,不论平面型或合金型，都分成NPN或PNP三层，因此又把晶体管分为NPN型和PNP型两类。,掺杂浓度高,掺杂浓度低，很薄,集电区,集电结,基区,发射结,发射区,N,集电极C,发射极E,基极B,N,P,P,N,2.PNP型三极管,小功率三极管,3.三极管的外形,大功率三极管,以NPN型三极管为例讨论,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。,9.4.2三极管的放大作用和载流子的运动,有放大作用吗？,三极管内部结构要求：,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。,掺杂浓度低，很薄,掺杂浓度高,三极管中载流子运动过程,1.发射形成发射极电流IE(基区多子数目较少，空穴电流可忽略)。,2.复合和扩散电子到达基区，少数与空穴复合形成基极电流Ibn，复合掉的空穴由VBB补充。,多数电子在基区继续扩散，到达集电结的一侧。,三极管中载流子运动过程,3.收集集电结反偏，有利于收集基区扩散过来的电子而形成集电极电流Icn。其能量来自外接电源VCC。,另外，集电区和基区的少子在外电场的作用下将进行漂移运动而形成反向饱和电流，用ICBO表示。,设EC=6V，改变可变电阻RB，则基极电流IB、集电极电流IC和发射极电流IE都发生变化，测量结果如下表：,晶体管电流测量数据,(2)IC和IE比IB大得多。从第三列和第四列的数据可得,这就是晶体管的电流放大作用。称为共发射极静态电流(直流)放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的少量变化IB可以引起集电极电流较大的变化IC。,式中，称为动态电流(交流)放大系数,结论：,(3)当IB=0(将基极开路)时，IC=ICEO，表中ICEO0.001mA=1A。,下图给出了起放大作用时NPN型和PNP型晶体管中电流实际方向和发射结与集电结的实际极性。,1.输入特性曲线,输入特性曲线是指当集射极电压UCE为常数时，曲线IB=f(UBE)。,死区，硅管0.60.7V锗管0.20.3V,9.4.3特性曲线,2.输出特性曲线,输出特性曲线是指当基极电流IB为常数时，曲线IC=f(UCE)。在不同的IB下，可得出不同的曲线，所以晶体管的输出特性曲线是一组曲线。,晶体管有三种工作状态，因而输出特性曲组分为三个工作区,(1)放大区,放大区,在放大区，。放大区也称为线性区，因为IC和IB基本成正比的关系。,(2)截止区,IB=0的曲线以下的区域称为截止区。晶体管截止时：UBE0,IC0，UCEUCC。,(3)饱和区,当UCE0)，晶体管工作于饱和状态。在饱和区，IC和IB不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，UCE0，ICUCC/RC。,截止区,晶体管的三种工作状态如下图所示,发射结处于正向偏置集电结处于反向偏置,发射结处于反向偏置！,发射结处于正向偏置集电结处于正向偏置！,晶体管除了有放大作用外，还有开关作用,等效电路,等效电路,晶体管结电压的典型值,1.电流放大系数，,在输出特性曲线近于平行等距并且ICEO较小的情况下,可近似认为，但二者含义不同。,2.集基极反向截止电流ICBO,ICBO是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。,3.集射极反向截止电流ICEO,ICEO是当基极开路(IB=0)时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。,9.4.4主要参数,4.集电极最大允许电流ICM,当值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流ICM。,5.集射反相击穿电压U(BR)CEO,6.集电极最大允许耗散功率PCM,基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集射反相击穿电压U(BR)CEO。,当晶体管因受热而引起的参数变化不超过允许值时，集电极所消耗的最大功率，称为集电极最大允许耗散功率PCM。,由ICM、U(BR)CEO、PCM三者共同确定晶体管的安全工作区。,返回,常用三极管参数包含三极管的封装，极