第14章-半导体二极管和三极管-机自06级-08年3月7日更新讲解.ppt

电子技术部分的特点：,1、任务重，学时少,（ElectronicTechnology）,2、第一批校级立项双语(Bilingual)教学课程,3、作业多、进度快,4、内容多、难度大，不易理解,5、专业基础课，重要性不言而喻,最后希望学生高度重视、认真预习和复习、独立完成作业、有疑难问题及时沟通答疑,绍兴文理学院机电系电工学学科组编,第14章半导体二极管和三极管,Chapter14SemiconductorDiodeandTransistor,14.1半导体的导电性(ConductionCharacteristics)14.2PN结及其单向导电性(PNJunction)14.3二极管(SemiconductorDiode)14.4稳压管二极管(ZenerDiode)14.5晶体管(Transistor)14.6光电器件(otherDiode),目录(Catalog),本章重点内容,lPN结及其单向导电特性,l半导体二极管的伏安特性曲线,l二极管在实际中的应用,l三极管的输入输出特性曲线,14.1半导体的导电特性,半导体(Semiconductor)：导电能力介乎于导体(conductor)和绝缘体(insulator)之间的物质。,半导体特性(Semiconductorcharacteristics)：热敏特性、光敏特性、掺杂特性,举例说明掺杂特性：在纯硅中掺入百万分之一的硼后，硅的电阻率从大约2103m减少到410-3m,本征半导体(IntrinsicSemiconductors)就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。,现代电子中应用最多的本征半导体为锗和硅，它们最外层电子各有四个价电子，都是四价元素.,纯净的半导体其所有的原子基本上整齐排列，形成晶体结构，所以半导体也称为晶体晶体管名称的由来,下图是本征半导体晶体结构中的共价键结构,本征半导体,(covalentbonds),(Electrons),(a)fivenoninteractingsiliconatoms,eachwithfourvalenceelectrons,(b)thetetrahedralconfiguration(四面体结构）,(a),(b),(c),(c)atwo-dimensionalrepresentationshowingthecovalentbonding,Figure1.1Siliconatomsinacrystalmatrix:,在热力学温度零度和没有外界激发时,本征半导体不导电。,本征半导体的共价键结构,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子与空穴（FreeElectronsandHoles),共价键中的电子在获得一定能量（比如温度增加或光照）后，即可挣脱原子核的束缚，成为自由电子,同时在共价键中留下一个空穴。,空穴(Hole),Si,Si,Si,Si,自由电子(Freeelectrons),热激发与复合（Recombination）现象,由于受热或光照产生自由电子和空穴的现象-热激发,自由电子在运动中遇到空穴后，两者同时消失，称为复合现象,温度一定时，本征半导体中的自由电子空穴对的数目基本不变。温度愈高，自由电子空穴对数目越多。,Si,Si,Si,Si,自由电子,空穴,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,自由电子,空穴,在常温下自由电子和空穴的形成,成对出现,成对消失,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,外电场方向,空穴导电的实质是共价键中的束缚电子依次填补空穴形成电流。故半导体中有电子和空穴两种载流子。,在外电场作用下，电子和空穴均能参与导电。,价电子填补空穴,半导体导电方式:,载流子(Carrier),自由电子和空穴,当半导体两端加上外电压时，自由电子作定向运动形成电子电流；而空穴的运动相当于正电荷的运动,在半导体中，同时存在着电子导电和空穴导电，这是半导体导电方式的最大特点,温度愈高，载流子数目愈多，导电性能也就愈好,1、半导体和金属在导电原理上的本质差别,2、温度对半导体器件性能的影响。,14.1.2杂质半导体(ExtrinsicSemiconductors),1、N型半导体(N-typeSemiconductors),在硅或锗的晶体中掺入微量的磷（或其它五价元素）电子型半导体或N型半导体.,自由电子是多数载流子(MajorityCarriers)空穴是少数载流子(MinorityCarriers),Si,Si,P+,Si,或称为N型半导体和P型半导体,多余电子,N型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,多余价电子,N型半导体结构示意图,2、P型半导体(P-typeSemiconductors),在硅或锗晶体中掺入硼（或其它三价元素）。,空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,空穴型半导体或P型半导体。,P型半导体,+4,+4,+4,+4,+4,+4,+4,空穴,+4,P型半导体结构示意图,不论N型半导体还是P型半导体，虽然它们都有一种载流子占多数，但是整个晶体仍然是不带电的。,返回,注意事项,P区,N区,1、PN结的形成：用专门的制造工艺在同一块半导体单晶上,形成P型半导体区域和N型半导体区域,在这两个区域的交界处就形成了一个PN结。,14.2PN结及其单向导电性(PNjunction),2、漂移（Drift）：Drift,whichisthemovementcausedbyelectricfields;少数载流子在内电场作用下有规则的运动称为漂移运动。,返回,术语Terminology,1、扩散（Diffusion）：Diffusion,whichistheflowcausedbythevariationsintheconcentration,thatis,concentrationgradients（梯度、倾斜度）.多数载流子在浓度差的作用的运动称为扩散运动。,内电场方向,空间电荷区,P区,N区,在一定的条件下，多子扩散与少子漂移达到动态平衡，空间电荷区的宽度基本上稳定下来。,内电场方向,R,14.2.PN结的单向导电性,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,1.外加正向电压,内电场方向,R,P区,N区,扩散运动增强，形成较大的正向电流,1.外加正向电压,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,扩散运动和漂移运动的动态平衡,扩散强,漂移运动增强,内电场增强,两者平衡,PN结宽度基本稳定,外加电压,平衡破坏,扩散强,漂移强,PN结导通,PN结截止,1、PN结加正向电压：PN结所处的状态称为正向导通，其特点：PN结正向电流大，PN结电阻小。,相当于开关闭合,PN结的单向导电性：,2、PN结加反向电压：PN结所处的状态称为反向截止，其特点：PN结反向电流小，PN结电阻大。,相当于开关打开,点接触型二极管,1、二极管的结构和符号,14.3半导体二极管SemiconductorDiode,I/mA,硅管的伏安特性,2、二极管的伏安特性i-vcharacteristics,+U,I,U=f（I）,在反向电压不超过某一范围时，反向电流的大小基本恒定，与反向电压的高低无关，通常称为反向饱和电流,正向特性：二极管加正向电压,反向特性：二极管加反向电压,对于理想二极管,3、二极管的主要参数,最大整流电流IOM（点接触型几十mA，2CZ52A二极管100mA）,2.反向工作峰值电压URWM,3.反向峰值电流IRM（硅管反向电流小几微安，锗管反向电流大）,例1：下图中，已知VA=3V，VB=0V，DA、DB为锗管，求输出端Y的电位并说明二极管的作用。,解：DA优先导通，则,VY=30.3=2.7V,DA导通后,DB因反偏而截止,起隔离作用,DA起钳位作用,将Y端的电位钳制在+2.7V。,+0.3V,D,E3V,R,ui,uo,uR,uD,例2：下图是二极管限幅电路，D为理想二极管，ui=6sintV,E=3V,试画出uo波形。,t,t,ui/V,uo/V,6,0,0,2,uR？,t,6,0,2,例3：双向限幅电路,t,0,D1,E3V,R,D2,E3V,ui,uo,uR,uD,ui/V,uo/V,例14.3.1由下图（a）中的R和C构成一微分电路。当输入电压uI如图（b）所示时，试画出输出电压uO的波形。设Uc（0）=0,（a）,（b）,Figure1.3Thedioderectifier:(a)circuit,(b)sinusoidalinputsignal,(c)equivalentcircuitforvI0,(d)equivalentcircuitforvIIB,同样有:ICIB,所以说三极管具有电流控制作用,也称之为电流放大作用。,电流关系：IE=IB+IC,IC=IB,直流电流放大系数,Theoperationofthetransistordependsonthetwopnjunctionsbeingincloseproximity,sothewidthofthebasemustbeverynarrow,normallyintherangeoftenthsofamicrometer(10-6m).,Figure1.8Annpnbipolartransistorbiasedintheforward-activemode,Figure1.9Electronandholescurrentsinannpntransistorbiasedintheforward-activemode,Note:Forexample,theimpuritydopingconcentrationsintheemitter,baseandcollectormaybeontheorderof1019,1017,and1014cm-3,respectively.,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,14.5.2三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于NPN型三极管应满足:,公共端,EB,RB,IB,IE,UBE0,UBCVBVE,EC,RC,IC,UCE,C,E,B,UBE,共发射极接法放大电路,14.5.2三极管的电流控制作用,三极管具有电流控制作用的外部条件:,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结反向偏置。,对于PNP型三极管应满足:,公共端,EB,RB,IB,IE,即VCVE且IC=IB,对于PNP型三极管应满足:VCVBVE且IC=IB,（一）放大状态,条件,特征,3、三极管在三个区的工作状态,（二）饱和状态,集电结、发射结均反向偏置，即UBE0,（1）IB增加时，IC基本不变，且ICUC/RC,（2）UCE0,晶体管C、E之间相当于短路,（三）截止状态,即UCEUBE,（1）IB=0、IC0,（2）UCEEC,晶体管C、E之间相当于开路,共发射极接法放大电路,条件,特征,（1）发射结正向偏置；,（2）集电结正向偏置。,条件,特征,14.5.4三极管的主要参数,1.电流放大系数,(1)静态电流放大系数,(2)动态电流放大系数,2.集-基极反向截止电流ICBO,4.集电极最大允许电流ICM,5.集-射反向击穿电压U(BR)CEO,6.集电极最大允许耗散功率PCM,3.集-射极反向截止电流或穿透电流ICEO,0,IB=0A,20A,40A,60A,80A,由三极管的极限参数确定安全工作区,IC/mA,UCE/V,ICEO,举例：14.5.2,60A,0,20A,1.5,2.3,在输出特性上求,设UCE=6V,IB由40A增加为60A。,IC/mA,UCE/V,IB=40A,6,重点：,1、三极管的三种工作状态,2、电流关系：IE=IB+ICIC=IB,作业：14.3.5、14.4.1、14.5.1、14.5.4,注意：抄写题目、画图要认真、作业独立完成,第14章复习题,一、单项选择题,在放大电路中，若测得某管的三个极电位分别为2.5V、3.2V、9V，这三极管的类型是-。,（1）PNP型锗管,（2）PNP型硅管,（3）NPN型锗管,（4）NPN型硅管,答案（2）,答案（2）,答案（3）,4.在放大电路中，若测得某管的三个极电位分别为1V、1.2V、6V，则分别代表管子的三个极是-。,（1）e、c、b,（3）b、c、e,（4）c、b、e,（2）e、b、c,答案（2）,答案（1）,答案（