第十四章 二极管和晶体管.ppt

14 3二极管 14 4稳压二极管 14 5晶体管 14 2PN结及其单向导电性 14 1半导体的导电特性 第14章二极管和晶体管 教学内容 14 6光电器件 理解PN结的单向导电性 了解二极管 稳压二极管和晶体管的基本构造 工作原理和主要特性曲线 理解主要参数的意义 理解晶体管的电流分配和放大作用 教学要求 重点 PN结的单向导电性 半导体三极管电流分配和放大作用 难点 半导体三极管电流分配和放大作用 工作原理和主要特性曲线 学时数 讲课4学时 习题1学时 半导体的导电特性 掺杂性 在纯净的半导体中掺入微量杂质 半导体的导电能力增加几十万乃至几百万倍 据此可做成各种不同用途的半导体器件 如二极管 晶体管等 光敏性 当受到光照时 半导体的导电能力显著增强 据此可做成各种光敏元件 如光敏二极管等 热敏性 当环境温度增高时 半导体的导电能力显著增强 据此可做成各种热敏元件 如热敏电阻等 14 1半导体的导电特性 14 1 1本征半导体 完全纯净的 具有晶体结构的半导体 称为本征半导体 共价健 硅原子 价电子 共价键 每一原子的一个价电子与另一原子的一个价电子组成一个电子对 14 1半导体的导电特性 价电子获得一定能量 温度增高或受光照 后 即可挣脱原子核的束缚 电子受到激发 成为自由电子 本征半导体的导电机理 空穴 自由电子 此时 共价键中就留下一个空位 称为空穴 中性的原子被破坏而显出带正电 14 1半导体的导电特性 温度愈高 晶体中产生的自由电子便愈多 在外电场的作用下 有空穴的原子吸引相邻原子中的价电子来填补这个空穴 同时失去一个价电子的相邻原子的共价键中出现另一个空穴 14 1半导体的导电特性 空穴 自由电子 如此继续下去 就好象空穴在运动 其方向与价电子运动的方向相反 因此空穴运动相当于正电荷的运动 当半导体两端加上外电压时 半导体中将出现两部分电流 自由电子作定向运动形成的电子电流 仍被原子核束缚的价电子递补空穴所形成的空穴电流 统称为载流子 自由电子 空穴 14 1半导体的导电特性 半导体和金属在导电原理上的本质差别 在半导体中 同时存在着电子导电和空穴导电 温度愈高 载流子数目愈多 半导体的导电性能也就愈好 所以 温度对半导体器件性能影响很大 本征半导体中的载流子数量极少 导电能力仍然很低 本征半导体中的自由电子和空穴总是成对出现 同时又不断复合 在一定的温度下 载流子的产生和复合达到动态平衡 于是半导体中的载流子便维持一定的数目 注意 14 1半导体的导电特性 14 1 2N型半导体和P型半导体 掺杂后的自由电子数目大量增加 自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式 称为电子半导体或N型半导体 在单晶硅中掺入微量磷 失去一个电子变为正磷离子 在本征半导体中掺入微量的杂质 某种元素 形成杂质半导体 其导电性能大大增强 在N型半导体中自由电子是多数载流子 空穴是少数载流子 14 1半导体的导电特性 多余电子 P 常温下即可变为自由电子 N型半导体和P型半导体都是中性的 对外不显电性 14 1半导体的导电特性 掺杂后的空穴数目大量增加 空穴导电成为这种半导体的主要导电方式 称为空穴半导体或P型半导体 在单晶硅中掺入微量硼 获得一个电子变为负硼离子 在P型半导体中空穴是多数载流子 自由电子是少数载流子 多余空位 吸引相邻原子中的价电子填补它 则相邻原子出现空穴 B 14 2PN结及其单向导电性 14 2 1PN结的形成 PN结 在一块N型 P型 半导体的局部再掺入浓度较大的三价 五价 杂质 使其变为P型 N型 半导体 在P型半导体和N型半导体的交界面就形成一个特殊的薄层 称为PN结 14 2PN结及其单向导电性 14 2 2PN结的单向导电性 P区的多子空穴和N区的多子自由电子通过PN结进入对方 形成较大的正向电流 PN结导通 P区的少子自由电子和N区的少子空穴通过PN结进入对方 形成极小的反向电流 PN结截止 正向导通 反向截止 14 3二极管 14 3 1基本结构 点接触型 一般为锗管 面接触型 一般为硅管 结面积小 结电容小 正向电流小 适用于高频和小功率工作 也用作数字电路中的开关元件 结面积大 结电容大 正向电流大 适用于低频整流电路 14 3二极管 平面型 用于大功率整流管和数字电路中的开关管 符号 整流二极管 稳压二极管 开关二极管 反向击穿特性 14 3 2伏安特性 硅管0 5V锗管0 1V 反向击穿电压U BR 导通压降 外加正向电压只有大于死区电压 二极管才能导通 外加电压大于反向击穿电压 二极管被击穿 失去单向导电性 正向特性 反向饱和特性 硅0 6 0 8V锗0 2 0 3V 死区电压 开启电压 14 3二极管 外加正向电压很低时正向电流极小 反向饱和电流在一定电压范围内几乎与反向电压的高低无关 其大小基本恒定 14 3 3主要参数 最大整流电流IOM 反向工作峰值电压URWM 反向峰值电流IRM 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 它是保证二极管不被击穿 其值一般是反向击穿电压的一半或三分之二 它是指在二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值 反向电流受温度的影响大 其值愈小愈好 14 3二极管 分析方法 将二极管断开 若V阳 V阴 则二极管导通 若V阳 V阴 则二极管截止 实际二极管应考虑其正向压降 硅管0 6 0 7V 锗管0 2 0 3V 理想二极管正向压降为零 反向截止 根据二极管的单向导电性 它可用于整流 检波 限幅 元件保护及在数字电路中作为开关元件等 14 3二极管 使用注意 14 3二极管 例1 下图中的R和C构成一微分电路 当输入电压uI如右图所示时 试画出输出电压uO的波形 设uC 0 0 解 二极管起检波作用 除去正尖脉冲 例2 图中输入端A的电位VA 3V B的电位VB 0V 求输出端Y的电位VY 电阻R接负电源 12V 将两个二极管断开 则它们的阳极电位均高于阴极电位 12V 同时由于VA VB 所以DA优先导通 解 14 3二极管 若考虑二极管的正向压降 设为0 3V 则VY 2 7V 显然DA导通后 DB上加的是反向电压 因而DB截止 在这里 DA起钳位作用 把Y端的电位钳住在 2 7V DB起隔离作用 把输入端B和Y隔离开来 解 例3 如图 二极管的正向压降可忽略不计 试画出输出电压uo的波形 14 3二极管 将二极管D断开 则其阳极电位为ui 阴极电位为 5V 若ui 5V 则二极管导通 此时uo ui 若ui 5V 则二极管截止 此时uo 5V 14 4稳压二极管 正常工作时加反向电压 稳压二极管反向击穿后 电流变化很大 但其两端的电压变化却很小 利用这一特性 稳压二极管在电路中能起稳压作用 稳压二极管是一种面接触型半导体硅二极管 14 4 1基本结构 14 4 2伏安特性 表示符号 稳定电压UZ 电压温度系数 U 动态电阻 稳定电流IZ 最大允许耗散功率PZM rZ愈小 稳压性能愈好 14 4稳压二极管 14 4 3主要参数 稳压二极管在正常工作下管子两端的电压 温度每变化1 C时引起稳压值变化的百分比 管子不致发生热击穿的最大功率损耗PZM UZIZM 14 5晶体管 14 5 1基本结构 常见晶体管的外形图 14 5晶体管 NPN型晶体管 PNP型晶体管 晶体管的结构示意图和表示符号 三极管放大的条件 发射结正偏 集电结反偏 NPN型晶体管 VC VB VE 14 5 2电流分配和放大原理 外部条件 PNP型晶体管 VC VB VE 内部条件 基区很薄 掺杂浓度很低 发射区掺杂浓度很高 集电区结面积大 14 5晶体管 扩散到基区的自由电子多数扩散到集电结 扩散到基区的自由电子极少数与基区的空穴复合 基区中受激发的价电子不断被电源 基区接电源正极 拉走 这相当于不断补充基区中被复合掉的空穴 形成电流IBE 集电极电流IC ICE 从发射区扩散到基区并到达集电结边缘的自由电子被拉入集电区形成电流ICE 集电结反偏 少子形成反向电流ICBO 基极电流IB IBE 基区向发射区扩散空穴 多数载流子 极少 可忽略 形成发射极电流IE 发射结正偏 发射区向基区扩散自由电子 多数载流子 载流子在晶体管内部的运动规律 14 5晶体管 晶体管各极电流关系 动态电流放大系数 14 5晶体管 结论 用来表示晶体管各极电压和电流之间的相互关系 它反映出晶体管的性能 是分析放大电路的重要依据 以最常用的共发射极接法时的实验线路分析晶体管的输入特性曲线和输出特性曲线 14 5 3特性曲线 14 5晶体管 输入特性曲线 14 5晶体管 正常工作下的发射结电压 NPN型硅管 UBE 0 6V 0 7VPNP型锗管 UBE 0 2V 0 3V 死区电压 硅管0 5V 锗管0 1V 对硅管而言 当UCE 1V时集电结已反向偏置 而基区又很薄 可把从发射区扩散到基区的电子中的绝大部分拉入集电区 此后 UCE对IB就不再有明显的影响 饱和区 放大区 放大区 线性区 输出特性曲线 e结正偏 c结反偏 截止区 14 5晶体管 IC近似恒定 截止区 IB 0的曲线以下的区域 IC 0 发射极与集电极之间如同一个开关的断开 e结与c结均反偏 饱和区 14 5晶体管 e结与c结均正偏 UCE 0 发射极与集电极之间如同一个开关的接通 UCE UBE 可见 晶体管工作在放大状态 具有放大作用 工作在饱和状态或截止状态 具有开关作用 静态电流 直流 放大系数 动态电流 交流 放大系数 当晶体管接成共发射极电路时 在静态 无输入信号 时 有 14 5 4主要参数 14 5晶体管 晶体管的参数可以表示晶体管的特性 也是设计电路 选用晶体管的依据 电流放大系数 在动态 有输入信号 时 有 14 5晶体管 常用晶体管的 值在20 200之间 例 如图给出3DG100晶体管的输出特性曲线 计算Q1点处的 由Q1和Q2两点 计算 解 和的含义不同 但在输出特性曲线近于平行等距且ICEO较小的情况下 两者数值较为接近 集 基极反向截止电流ICBO 集 射极反向截止电流ICEO 又称穿透电流 ICBO是当发射极开路时由于集电结处于反偏 集电区和基区中的少数载流子向对方运动所形成的电流 它受温度的影响大 其值越小越好 集电极最大允许电流ICM 集电极电流IC超过一定值时 晶体管的 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流 14 5晶体管 ICEO是当基极开路 集电结处于反偏和发射结处于正偏时的集电极电流 其值越小越好 集 射极反向击穿电压U BR CEO 基极开路时 加在集电极和发射极之间的最大允许电压 当UCE U BR CEO时 ICEO突然大幅度上升 说明晶体管已被击穿 集电极最大允许耗散功耗PCM 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 它主要受结温Tj的限制 PCM ICUCE 14 5晶体管 以上所讨论的几个参数中 和ICBO ICEO 是表明晶体管优劣的主要指标 ICM U BR CEO和PCM都是极限参数 用来说明晶体管的使用限制 14 5晶体管 晶体管的安全工作区 由ICM U BR CEO PCM三者共同确定晶体管的安全工作区 14 6光电器件 14 6 1发光二极管 当在发光二极管 LED 上加正向电压并有足够大的正向电流时 就能发出清晰的光 这是由于电子与空穴复合而释放能量的结果 光的颜色视做成PN结的材料和发光的波长而定 而波长与材料的浓度有关 发光二极管的工作电压为1 5 3V 工作电流为几毫安到十几毫安 寿命很长 一般作显示用 14 6光电器件 14 6 2光电二极管 光电二极管是利用PN结的光敏特性 将接收到的光的变化转换为电流的变化 光电二极管是在反向电压作用下工作的 当无光照时 和普通二极管一样 其反向电流很小 称为暗电流 当有光照时 产