半导体二极管三极管

1 1 本课程的性质 2 特点 3 研究内容 以器件为基础 以信号为主线 研究各种电子电路的工作原理 特点及性能指标等 4 教学目标 能够对一般性的 常用的电子电路进行分析 绪论 是一门职业基础课 非纯理论性课程 实践性很强 5 教学要求 重点掌握基本概念 基本电路的分析及计算 2 6 成绩评定标准 作业 实验 考勤40 期终考试60 7 作业及实验报告要求 1 整洁 2 画图要用尺 3 按时交作业 3 第六章常用半导体元器件 第一节半导体二极管第二节半导体三极管 4 第一节半导体二极管 根据物体导电能力 电阻率 的不同 来划分导体 绝缘体和半导体 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 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 半导体 导电能力介于导体与绝缘体之间的物体 都是半导体 典型的半导体有硅Si和锗Ge以及砷化镓GaAs等 5 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 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 6 一 本征半导体 完全纯净的 不含其他杂质且具有晶体结构的半导体称为本征半导体 硅 锗 的原子结构 简化模型 硅 锗 的原子结构及简化模型 7 本征半导体结构示意图 1 本征半导体的共价键结构 8 自由电子 空穴 2 本征半导体 空穴 共价键中的空位 本征激发 在光和热的作用下 本征半导体中的价电子挣脱共价键的束缚产生电子 空穴对的现象 T 9 结论 1 半导体中两种载流子2 本征半导体中 自由电子和空穴总是成对出现 称为电子 空穴对 且数量少 3 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电 4 本征半导体导电能力弱 并与温度有关 10 二 杂质半导体 在本征半导体中掺入某些微量元素作为杂质 可使半导体的导电性发生显著变化 掺入的杂质主要是三价或五价元素 掺入杂质的本征半导体称为杂质半导体 N型半导体 掺入五价杂质元素 如磷 的半导体 P型半导体 掺入三价杂质元素 如硼 的半导体 11 电子 多数载流子空穴 少数载流子 1 N型半导体 简化表示法 12 空穴 多数载流子电子 少数载流子 2 P型半导体 简化表示法 13 3 说明 1 掺入杂质的浓度决定多数载流子浓度 温度决定少数载流子的浓度 3 杂质半导体总体上保持电中性 2 杂质半导体载流子的数目要远远高于本征半导体 因而其导电能力大大改善 a N型半导体 b P型半导体 杂质半导体的简化表示法 4 杂质半导体的表示方法如下图所示 14 1 在杂质半导体中多子的数量与有关 2 在杂质半导体中少子的数量与有关 3 当温度升高时 少子的数量 a 减少 b 不变 c 增多 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 a 掺杂浓度 b 温度 a 掺杂浓度 b 温度 练习 15 在一块半导体单晶上一侧掺杂成为P型半导体 另一侧掺杂成为N型半导体 两个区域的交界处就形成了一个特殊的薄层 称为PN结 三 PN结及其单向导电性 16 P型 N型 PN结 空间电荷区 1 PN结的形成 1 扩散运动 电子和空穴浓度差形成多数载流子的扩散运动 17 内电场有利于少子运动 漂移 内电场阻止多子的扩散 阻挡层 2 漂移运动 在电场的作用下少数载流子的定向移动 18 多数载流子的扩散运动使空间电荷区增大 扩散电流逐渐减小 空间电荷区的宽度约为几微米 几十微米 这个空间电荷区就是PN结 19 2 PN结的单向导电性 1 PN外加正向电压 正向偏置 P接正 N接负 PN结变窄 内电场被削弱 多子的扩散加强 形成较大的扩散电流 IF 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 20 2 PN外加反向电压 反向偏置 P接负 N接正 PN结变宽 PN结加反向电压时 PN结变宽 反向电阻很大 PN结处于截止状态 21 综上所述 可见 PN结具有单向导电性 正向导通 反向截止 二极管加正向电压 正向偏置 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 二极管加反向电压 反向偏置 时 二极管处于反向截止状态 22 构成 PN结 引线 管壳 二极管 符号 分类 按材料分 硅二极管 锗二极管 按结构分 点接触型 面接触型 平面型 1 半导体二极管的分类 结构与符号 VD 四 半导体二极管 23 半导体二极管图片 24 25 2 二极管的伏安特性 正向特性 Uth 死区电压 iD 0 Uth 0 5V 0 1V 硅管 锗管 U Uth iD急剧上升 0 U Uth UD on 0 6 0 8 V 硅管0 7V 0 1 0 3 V 锗管0 2V 反向特性 IS U BR 反向击穿 U BR U 0 iD IR 0 1 A 硅 几十 A 锗 U U BR 反向电流急剧增大 反向击穿 反向击穿类型 电击穿 热击穿 PN结未损坏 断电即恢复 PN结烧毁 26 3 二极管的主要参数 1 最大整流电流IFM二极管长期使用时 允许流过二极管的最大正向平均电流 2 反向击穿电压U BR 和最高反向工作电压URM 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URM一般是U BR 的一半 27 4 特殊二极管 1 稳压二极管 稳压特性 符号 注意 稳压二极管工作在反向击穿区 28 1 稳定电压UZ 在规定的稳压管反向工作电流IZ下 所对应的反向工作电压 2 最大稳定工作电流IZmax和最小稳定工作电流IZmin 稳压管的主要参数 29 2 发光二极管 LED 一般工作电流几十mA 导通电压 1 5 3 V 工作条件 正向偏置 发光类型 可见光 红 黄 绿 不可见光 红外光 符号和特性 30 一 三极管的结构与符号 第二节半导体三极管 1 结构 三个杂质半导体区 两个PN结 半导体三极管又称晶体三极管或双极性晶体管 简称晶体管 它是放大电路最基本的元件之一 由它组成的放大电路广泛应用于各种电子设备 31 b 电路符号 32 2 结构特点 基区 最薄 掺杂浓度最低 发射区 掺杂浓度最高 集电区 面积最大 三极管的结构特点 33 常见三极管的外形结构 3 三极管的外形结构 34 1 放大条件外部条件 发射结正偏 集电结反偏 发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 发射结正偏VB VE集电结反偏VC VB 二 三极管的电流分配与放大作用 电位关系 VB VE VC VC VB VE 35 36 结论 1 三电极电流关系IE IB IC 2 IC IB IC IE 2 电流分配关系 37 即描述三极管各个电极之间电压与电流关系的曲线 为什么要研究特性曲线 三极管的特性曲线反映了晶体管的性能 是分析放大电路技术指标的重要依据 研究特性曲线 能直观地分析管子的工作状态 合理地选择偏置电路的参数 设计性能良好的电路 重点讨论应用最广泛的共发射极接法的特性曲线 3 三极管的特性曲线 38 发射极是输入回路 输出回路的公共端 共发射极电路 三极管特性曲线的测试电路 39 1 输入特性曲线 iB f uBE uCE 常数 特点 非线性 正常工作时发射结电压 硅管 UBE 0 6 0 7V锗管 UBE 0 2 0 3V 输入特性曲线 40 输出特性曲线通常分三个工作区 a 放大区 iC平行于uCE轴的区域 曲线基本平行 此时 发射结正偏 集电结反偏 输出特性曲线 2 输出特性曲线 iC f uCE iB 常数 恒流特性 iB一定时 iC随uCE变化很小 41 b 饱和区 uCE很小 iC不受IB控制 此时 发射结正偏 集电结正偏 uCES 0 3 硅管0 1 锗管 c 截止区 iC接近零的区域 相当iB 0的曲线的下方 此时 发射结反偏 集电结反偏 42 1 电流放大系数 共发射极交流电流放大系数 共发射极直流电流放大系数 4 三极管的主要参数 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三极管的电流放大作用 实质 晶体管是用一个微小电流的变化去控制一个较大电流的变化 是一