电子电路中常用的元.ppt

2020年2月14日星期五 电工电子技术 之电子技术 2020年2月14日星期五 半导体二极管和三极管是最常用的半导体器件 它们的基本结构 工作原理 特性和参数是学习电子技术和分析电子线路必不可少的基础 而PN结又是构成各种半导体器件的共同基础 因此 本章从讨论半导体的导电特性和PN结的基本原理 特别是它的单向导电性 开始 然后介绍二极管和三极管 为以后的学习打下基础 第十章电子电路中常用的元件 2020年2月14日星期五 第十章电子电路中常用的元件 10 1 半导体的基本知识 10 2 PN结 10 5 半导体三极管 10 3 半导体二极管 10 4 稳压二极管 2020年2月14日星期五 一 什么叫半导 Semiconductors 10 1 半导体的基本知识 导电能力介于导体与绝缘体之间的物体 都是半导体 二 半导体的导电特性 1 温度特性 2 光照特性 3 电磁特性 利用这些特性可做成不同类型的传感器 很多半导体的导电能力在不同条件下有很大的差别 如 硅 锗 硒 砷化镓以及大多数金属氧化物和硫化物等都是半导体 2020年2月14日星期五 三 本征半导体 K层L层M层N层Si1s22s22p63s23p2Ge1s22s22p63s23p63d104s24p2 用得最多的半导体是锗和硅 Si 14 Ge 32 8 2 18 4 都是四价元素 它们的化学性质是一样的 但要注意 Si和Ge的最外层的4个电子所受到束缚力是不一样的 Si的束缚力大 Ge的束缚力小 2020年2月14日星期五 所有物质根据原子的排列形式可分为晶体和非晶体 本征半导体就是完全纯净的 具有晶体结构的半导体 三 本征半导体 我们将半导体提纯以后 所有的原子基本上都是整齐排列在一起 这种结构称为晶体结构 所以我们也常把半导体称为晶体 2020年2月14日星期五 自由电子 空穴 电子空穴对 2020年2月14日星期五 电子电流 空穴电流 电子和空穴称为载流子 I 2020年2月14日星期五 四 N型半导体 电子半导体 Negative负的字头 多数载流子 少数载流子 特点 两种载流子导电 导电能力加强 2020年2月14日星期五 五 P型半导体 Positive正 多数载流子 少数载流子 特点 两种载流子导电 导电能力加强 2020年2月14日星期五 10 2PN结 一 PN结的形成 P N 空间电荷区 1 浓度差引起载流子的扩散运动 2 扩散运动形成PN结 阻挡层或耗尽层 扩散运动首先在交界面附近进行 由于多子的扩散与复合 就在交界面附近留下了带正电离子 受到晶格的束缚不能参入导电 从而出现了一个带正电和负电的空间电荷区 这一电荷区我们称为PN结 由于PN结中没有导电离子 所以又叫阻挡层或耗尽层 不对称结 浓度高的结窄 对称结 2020年2月14日星期五 二 PN结的单向导电特性 1 加正向偏置 导通 P N 扩散大于漂移2 加反向偏置 截止 P N 漂移大于扩散反向饱和电流基本不变 E311 2020年2月14日星期五 三 PN结的击穿 1 齐纳击穿 击穿电压低 4伏以下 浓度高时 PN结窄 在同样电压下 反向电场很强 从而破坏共价键的结构 把电子拉出来 2 雪崩击穿 击穿电压高 6伏以上 浓度低时 PN结宽 电子在PN结中被加速 当遇到价电子时 就可以把其撞出来 4伏 6伏 两种情况都可能电击穿 2020年2月14日星期五 10 3半导体二极管 一 基本结构和符号 1 点接触型2 面接触型3 符号 二 伏安特性二极管的正向偏置和反向偏置与PN结相同 只多了二条引出线 正向扩散电流大 反向漂移电流小 2020年2月14日星期五 三 主要参数 1 最大整流电流IOM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 一般是U BR 的一半或三分之二 3 反向峰值电流IRM二极管反向峰值电压时反向电流值 2020年2月14日星期五 四 主要应用 1 整流2 限幅3 箝位4 检波 2020年2月14日星期五 二极管电路的分析方法如下 设二极管支路为开路即断开二极管 求二极管两端的电压U 如U大于死区电压则二极管导通 且U 死区电压 如U小于死区电压则二极管截止 与二极管串联支路上无电流 例 P13 例15 1 15 2自已看 自学 2020年2月14日星期五 例题 例 电路如图所示 已知E 5V ui 10sin tV 二极管的正向压降可忽略不计 试画出uo的波形 ui u0 解 2020年2月14日星期五 10 4 稳压二极管 稳压管是一种特殊的面接触型二极管 它在电路中常用作稳定电压的作用 故称为稳压管 稳压管的图形符号 稳压管的伏安特性 稳压管的伏安特性曲线与普通二极管类似 只是反向曲线更陡一些 2020年2月14日星期五 一 稳压管的使用 稳压管工作于反向击穿区 常见电路如下 在电路中稳压管是反向联接的 当Ui大于稳压管的击穿电压时 稳压管被击穿 电流将增大 电阻R两端的电压增大 在一定的电流范围内稳压观两端的电压基本不变 输出电压Ui等于Uz 2020年2月14日星期五 二 稳压管的主要参数 1 稳定电压Uz指稳压管正常工作时的端电压 其数值具有分散性 2 稳定电流IZ正常工作的参考电流值 低于此值稳压效果差 在不超过额定功率的前提下 高于此值稳压效果好 即工作电流越大稳压效果越好 2020年2月14日星期五 3 动态电阻rZ稳压管子端电压和通过其电流的变化量之比 稳压管的反向伏安特性曲线越陡 则动态电阻越小 稳压效果越好 4 最大允许耗散功耗PZM保证稳压管不发生热击穿的最大功率损耗 其值为稳定电压和允许的最大电流乘积 2020年2月14日星期五 5 电压温度系数 U 说明稳压值受温度影响的参数 如 稳压管2CW18的电压温度系数为0 095 C假如在20 C时的稳压值为11V 当温度升高到50 C时的稳压值将为 特别说明 稳压管的电压温度系数有正负之别 因此选用6V左右的稳压管 具有较好的温度稳定性 2020年2月14日星期五 10 5 半导体三极管 半导体三极管 晶体管 是最重要的一种半导体器件 广泛应用于各种电子电路中 一 基本结构 晶体管最常见的结构有平面型和合金型两种 平面型都是硅管 合金型主要是锗管 它们都具有NPN或PNP的三层两结的结构 因而又有NPN和PNP两类晶体管 其三层分别称为发射区 基区和集电区 并引出发射极 E 基极 B 和集电极 C 三个电极 三层之间的两个PN结分别称为发射结和集电结 本节介绍晶体管的结构 特性及参数的内容 E312 2020年2月14日星期五 2020年2月14日星期五 半导体三极管有两个PN结 在性能上有质的变化 主要表现在放大作用上 下面我们来一组实验数据 各区的特点 放大元件结构特点 发射区浓度高基区薄而且浓度低集电区面积大 2020年2月14日星期五 二 电流分配和放大原理 NPN型和PNP型晶体管的工作原理相似 本章只讨论前者 为了了解晶体管的放大原理和其中电流的分配 我们先做一个实验 实验电路如图所示 把晶体管接成两个电路 1 基极电路 2 集电极电路 发射极是公共端 因此这种接法称为晶体管的共发射极接法 2020年2月14日星期五 如果用的是NPN型晶体管 电源EB和EC的极性必须照图中那样接法 使发射结上加上正向电压 正向偏置 由于EB EC 集电结上加的是反向电压 反向偏置 晶体管才能起到放大作用 二 电流分配和放大原理 外部条件 2020年2月14日星期五 通过实验及测量结果 得 1 IC 或IE 比IB大得多 如表中第三 四列数据 2020年2月14日星期五 4 要使晶体管起放大作用 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置 具有放大作用的外部条件 这就是晶体管的电流放大作用 IB的微小变化可以引起IC的较大变化 第三列与第四列的电流增量比 3 当IB 0 基极开路 时 IC也很小 约为1微安以下 2020年2月14日星期五 晶体管加上一定的电压为什么就会有放大作用呢 要了解这个问题 就要从晶体管的内部运动规律来解释 2020年2月14日星期五 1 发射区向基区扩散电子 内部载流子运动规律 发射结处于正向偏置 掺杂浓度较高的发射区向基区进行多子扩散 放大作用的内部条件 基区很薄且掺杂浓度很低 2 电子在基区的扩散和复合 基区厚度很小 电子在基区继续向集电结扩散 但有少部分与空穴复合而形成IBE IB 非平衡少数载流子的扩散 电流放大作用原理 2020年2月14日星期五 3 集电区收集扩散电子 集电结为反向偏置使内电场增强 对从基区扩散进入集电结的电子具有加速作用而把电子收集到集电区 形成集电极电流 ICE IC 由电流分配关系示意图可知发射区向基区注入的电子电流IE将分成两部分ICE和IBE 它们的比值为 它表示晶体管的电流放大能力 称为电流放大系数 2020年2月14日星期五 在晶体管中 不仅IC比IB大很多 当IB有微小变化时还会引起IC的较大变化 根据晶体管放大的外部条件 发射结必须正向偏置 集电结必须反向偏置 则 对于NPN型晶体管 且 对于PNP型晶体管 且 2020年2月14日星期五 4 集电极反向电流ICBO 平衡少子产生 结论 IE ICE IBEIC ICE ICBO IB IBE ICBO ICE IBE IC ICBO IB ICBO IC IB 双极型晶体管 因为两种载流子参加导电 2020年2月14日星期五 例 测得工作在放大电路中几个晶体管三个电极的电位U1 U2 U3分别为 1 U1 3 5V U2 2 8V U3 12V 2 U1 3V U2 2 8V U3 12V 3 U1 6V U2 11 3V U3 12V 4 U1 6V U2 11 8V U3 12V试判断它们是NPN型还是PNP型 是硅管还是锗管 并确定e b c 解 1 U1b U2e U3cNPN硅 2 U1b U2e U3cNPN锗 3 U1c U2b U3ePNP硅 4 U1c U2b U3ePNP锗 2020年2月14日星期五 三 特性曲线 晶体管的特性曲线是表示一只晶体管各电极电压与电流之间关系的曲线 是应用晶体管和分析放大电路的重要依据 最常用的是共发射极接法的输入特性曲线和输出特性曲线 实验测绘是得到特性曲线的方法之一 特性曲线的测量电路见右图 用晶体管特性图示仪也可直接测量及显示晶体管的各个特性曲线 2020年2月14日星期五 1 输入特性曲线 输入特性曲线当UCE为常数时的IB与UBE之间的关系曲线 参见右图 对硅管来说 当UCE 1V时 集电结已经处于反向偏置 发射结正向偏置所形成电流的绝大部分将形成集电极电流 但IB与UBE的关系依然与PN结的正向特性类似 当UCE更小 IB才会明显增加 硅管的死区电压为0 5V 锗管的死区电压不超过0 2V 放大状态时 硅NPN管UBE 0 6 0 7V 锗PNP管UBE 0 2 0 3V 3DG6的输入特性曲线 2020年2月14日星期五 2 输出特性曲线 输出特性曲线是在IB为常数时 IC与UCE之间的关系曲线 在不同的下 可得到不同的曲线 即晶体管的输出特性曲线是一组曲线 见下图 当IB一定时 UCE超过约1V以后就将形成IC 当UCE继续增加时 IC的增加将不再明显 这是晶体管的恒流特性 当IB增加时 相应的IC也增加 曲线上移 而且IC比IB增加得更明显 这是晶体管的电流放大作用 2020年2月14日星期五 通常将晶体管的输出特性曲线分为三个工作区 1 放大区 特性曲线进于水平的区域 在放大区 也称线性区 此时发射结正向偏置 集电结反向偏置 2 截止区 IB 0曲线以下的区域 IB 0时IC ICEO 对于硅管当UBE 0 5V时即开始截止 为了可靠截止常使UBE 0 即截止时两个PN结都反向偏置 2020年2月14日星期五 3 饱和区 当UCE UBE时 集电结处于正向偏置 晶体管工作于饱和状态 在饱和区 IB的变化对IC影响较小 失去放大作用 即 饱和时 晶体管的发射结处于正偏 集电结也处于正偏 2020年2月14日星期五 工作在三种状态的外部条件 1 放大区 发射结正偏 集电结反偏 2 截止区 发射结反偏 集电结反偏 3 饱和区 发射结正偏 集电结正偏 2020年2月14日星期五 四 主要参数 晶体管的特性不仅可用特性曲线表示 还可用一些数据进行说明 即晶体管参数 它是设计电路和选用器件的依据 1 电流放大系数 当晶体管接成共发射极时 静态 直流 时的IC与IB的比值称为共发射极静态 直流 放大系数 当晶体管工作在动态时 电流增量 IC与 IB的比值称为动态 交流 放大系数 2020年2月14日星期五 说明 1 静态电流放大系数和动态电流放大系数的意义不同 但大多数情况下近似相等 可以借用进行定量估算 2 晶体管的输出特性曲线是非线性的 只有在曲线的等距平直部分才有较好的线性关系 IC与IB成正比 也可认为是基本恒定的 3 由于制造工艺的原因 晶体管的参数具有一定的离散性 即使是同一型号的晶体管 也不可能具有完全相同的参数 常用晶体管的 值在20 100之间 近年来由于生产工艺的提高 值在100 300之间的晶体管也具有很好的特性 2020年2月14日星期五 ICBO是当发射极开路时 C B间PN结反向偏置的截止电流 它受温度影响很大 在室温下锗管的ICBO约为10 A数量级 硅管的ICBO在1 A以下数量级 3 集 射极反向截止电流ICEO ICEO是当基极开路时 集电结反偏和发射结正偏时C E间通过的集电极电流 常称为穿透电流 尽管基极开路 由于集电结反偏仍有ICBO形成 它将通过发射结到发射