章二极管和晶体管课件

电子技术 主讲 谷树忠 电话辅导地点 一教601室 辅导时间 12 20 13 20 1半导体的导电性 第14章二极管和晶体管 2PN结及其单向导电性 3二极管 4稳压二极管 5晶体管 14 1 1本征半导体 半导体是硅和锗 它们的最外层电子 价电子 都是四个 14 1半导体的导电特性 1 4 半导体的基础知识 导体 半导体和绝缘体 导体 自然界中很容易导电的物质称为导体 金属一般都是导体 电阻率10 6 10 3 绝缘体 有的物质几乎不导电 称为绝缘体 如橡皮 陶瓷 塑料和石英 电阻率109 1020 半导体 另有一类物质的导电特性处于导体和绝缘体之间 称为半导体 如锗 硅 砷化镓和一些硫化物 氧化物等 电阻率10 3 109 1 5 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 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 完全纯净的 结构完整的半导体晶体 称为本征半导体 本征半导体的导电能力很弱 1 7 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 1 8 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 1 本征半导体的结构 由于热运动 具有足够能量的价电子挣脱共价键的束缚而成为自由电子 自由电子的产生使共价键中留有一个空位置 称为空穴 自由电子与空穴相碰同时消失 称为复合 共价键 一定温度下 自由电子与空穴对的浓度一定 温度升高 热运动加剧 挣脱共价键的电子增多 自由电子与空穴对的浓度加大 1 10 自由电子 空穴 束缚电子 二 本征半导体的导电机理 1 11 在其它力的作用下 空穴吸引附近的电子来填补 这样的结果相当于空穴的迁移 而空穴的迁移相当于正电荷的移动 因此可以认为空穴是载流子 本征半导体中存在数量相等的两种载流子 即自由电子和空穴 1 12 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 即载流子 它的导电能力为0 相当于绝缘体 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 载流子 自由电子和空穴 14 1 2N型半导体和P型半导体 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 N型半导体 主要载流子为电子 电子半导体 P型半导体 主要载流子为空穴 空穴半导体 N型半导体 多余电子 磷原子 硅原子 硅或锗 少量磷 N型半导体 空穴 P型半导体 硼原子 硅原子 空穴被认为带一个单位的正电荷 并且可以移动 硅或锗 少量硼 P型半导体 杂质半导体的示意表示法 1 17 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 例如 当受外界热和光的作用时 它的导电能力明显变化 热敏性或光敏性 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 掺杂性 14 2 1PN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 2PN结及其单向导电性 P型半导体 N型半导体 空间电荷区 PN结处载流子的运动 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 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 2 2PN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 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 PN结正向偏置 内电场减弱 使扩散加强 扩散 飘移 正向电流大 P N PN结反向偏置 N P 内电场加强 使扩散停止 有少量飘移 反向电流很小 反向饱和电流很小 A级 1 基本结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 14 3二极管 1 26 半导体二极管 半导体二极管的几种常见结构 PN结加上管壳和引线 就成为半导体二极管 二极管的几种外形 1 27 二极管的几种常见结构 2 伏安特性 导通压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 反向击穿电压U BR 3 主要参数 1 最大整流电流 I0M 二极管长时间使用时 所允许通过的最大正向平均电流 2 反向工作峰值电压 URWM IRM 一般取反向击穿电压的一半或三分之二 3 反向峰值电流 二极管加反向工作峰值电压时的反向电流值 例1 二极管 死区电压 0 5V 正向压降 0 7V 硅二极管 理想二极管 死区电压 0 正向压降 0反向电阻为无穷大 二极管半波整流 例2 二极管的应用 设RC时间常数很小 uo C 14 4稳压二极管 当稳压二极管工作在反向击穿状态下 当工作电流IZ在Izmax和Izmin之间时 其两端电压近似为常数 正向同二极管 稳定电流 稳定电压 3 主要参数 正常工作时管子两端的电压 一般稳压值高于6V的为正的温度系数 低于6V的为负的温度系数 6V左右的稳压管受温度的影响较小 稳压管的稳定电流是一个参考值 一般给出最大稳定电流 2 电压温度系数 例 稳压二极管的应用 稳压二极管技术数据为 稳压值UZW 10V Izmax 12mA Izmin 2mA 负载电阻RL 2k 输入电压ui 12V 限流电阻R 200 若负载电阻变化范围为1 5k 4k 是否还能稳压 UZW 10Vui 12VR 200 Izmax 12mAIzmin 2mARL 2k 1 5k 4k iL uo RL UZ RL 10 2 5 mA i ui UZ R 12 10 0 2 10 mA iZ i iL 10 5 5 mA RL 1 5k iL 10 1 5 6 7 mA iZ 10 6 7 3 3 mA RL 4k iL 10 4 2 5 mA iZ 10 2 5 7 5 mA 14 5晶体管 三极管 14 5 1基本结构 NPN型 PNP型 三极管符号 基区 较薄 掺杂浓度低 集电区 面积较大 发射区 掺杂浓度较高 发射结 集电结 14 5 2电流分配和放大原理 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IB 多数扩散到集电结 EB RB Ec 从基区扩散来的电子漂移进入集电结而被收集 形成IC 要使三极管能放大电流 必须使发射结正偏 集电结反偏 静态电流放大倍数 静态电流放大倍数 动态电流放大倍数 动态电流放大倍数 IB IB IB 14 5 3特性曲线 IB与UBE的关系曲线 同二极管 1 输入特性 死区电压 硅管0 5V 工作压降 硅管UBE 0 7V 2 输出特性 IC与UCE的关系曲线 IC mA Q Q 输出特性 IC mA 当UCE大于一定的数值时 IC只与IB有关 IC IB 且 IC IB 此区域称为线性放大区 此区域中UCE UBE 集电结正偏 IB IC UCE 0 3V称为饱和区 此区域中 IB 0 IC ICEO UBE 死区电压 称为截止区 输出特性三个区域的特点 1 放大区IC IB 且 IC IB BE结正偏 BC结反偏 2 饱和区IC达饱和 IC与IB不是 倍的关系 IB IC BE结正偏 BC结正偏 即UCE UBE UCE 0 3V UBE 0 7V 3 截止区UBE 死区电压 IB 0 IC ICEO 0 ICEO穿透电流 很小 A级 例 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 USB 2V IB 0 IC 0 Q位于截止区 USB 2V IB USB UBE RB 2 0 7 70 0 019mAIC IB 50 0 019 0 95mA ICS 2mA Q位于放大区IC最大饱和电流ICS USC UCE RC 12 0 6 2mA 50 USC 12V RB 70k RC 6k 当USB 2V 2V 5V时 晶体管的静态工作点Q位于哪个区 USB 5V IB USB UBE RB 5 0 7 70 0 061mAIC IB 50 0 061 3 05mA ICS 2mA Q位于饱和区 实际上 此时IC和IB已不是 的关系 1 50 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 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 1 电流放大倍数 和 晶体管的主要参数 1 51 例 UCE 6V时 IB 40 A IC 1 5mA IB 60 A IC 2 3mA 在以后的计算中 一般作近似处理 1 52 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 1 53 B E C N N P ICBO进入N区 形成IEP 根据放大关系 由于ICBO的存在 必有电流 ICBO 集电结反偏有ICBO 3 集 射极反向截止电流ICEO 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 1 54 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 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