《电子技术》(吕国泰版)第1章-半导体二极管和三极管...ppt

1,第一章半导体二极管和三极管,电子技术,第四节稳压管,第五节半导体三极管,第三节半导体二极管,第二节PN结,第一节半导体的导电特性,第一章半导体二极管和三极管,第一节半导体的导电特性,一、半导体的特点,二、本征半导体,三、N型半导体和P型半导体,4,观看多媒体动画教学片半导体器件之一,半导体基础知识,第一节半导体的导电特性,链接动画片,5,1.热敏特性：Ta,2.光敏特性：光照,3.掺杂特性：掺入微量元素,第一节半导体的导电特性,一、半导体特点,6,第一节半导体的导电特性,纯净的具有晶体结构的半导体。,二、本征半导体,价电子,4价元素（硅、锗）,7,第一节半导体的导电特性,共价键结构,晶体结构纯净半导体原子排列整齐,共价键结构两个相邻原子共有一对价电子,价电子受相邻原子核的束缚,处于相对稳定状态。,8,第一节半导体的导电特性,共价键结构,本征激发价电子受热或光照后，挣脱束缚成为自由电子。常温下仅极少数。,本征激发,9,第一节半导体的导电特性,共价键结构,本征激发,10,第一节半导体的导电特性,共价键结构,本征激发,自由电子,空穴,11,第一节半导体的导电特性,共价键结构,自由电子,空穴,本征激发,12,第一节半导体的导电特性,共价键结构,电子流电场作用下，自由电子的定向移动。,自由电子,电场,电子流,13,第一节半导体的导电特性,共价键结构,电子递补,空穴流,空穴流电场作用下，电子依次递补空穴的运动。,电场,14,第一节半导体的导电特性,共价键结构,半导体电流=电子流+空穴流,电场,空穴流,电子流,15,第一节半导体的导电特性,三、N型半导体和P型半导体,杂质半导体在本征半导体中掺入适量的杂质元素(非半导体元素)。,16,第一节半导体的导电特性,N型半导体,+5,多一个价电子,掺杂,17,第一节半导体的导电特性,N型半导体,多子-电子少子-空穴,+5,掺杂,本征激发,电子,正离子,18,第一节半导体的导电特性,P型半导体,3,多一个空穴,+3,掺杂,19,第一节半导体的导电特性,多子-空穴少子-电子,P型半导体,3,+3,负离子,空穴,掺杂,本征激发,第二节PN结,一、PN结的形成,二、PN结的单向导电性,21,第二节PN结,1,链接动画片,观看多媒体动画教学片半导体器件之一,半导体基础知识,22,第二节PN结,负离子,空穴,正离子,电子,正负电荷中和，不带电,一、PN结的形成,23,第二节PN结,P区,N区,扩散运动浓度差造成运动。,复合自由电子填补空穴，两者同时消失的现象。,漂移运动载流子在电场力作用下的运动。,多子扩散运动,少子漂移运动,暴露了失去电子的正离子,暴露了失去空穴的负离子,24,第二节PN结,P区,N区,浓度差多子扩散运动复合产生内电场阻碍多子扩散有利少子漂移运动扩散运动和漂移运动达到动态平衡形成一定宽度PN结,多子扩散运动,少子漂移运动,25,PN结:P区和N区交界面处形成的区域,空间电荷区:区内只剩离子,带电,耗尽层:区内载流子少,第二节PN结,电位差约为零点几伏,宽度为几微米到几十微米,26,（一）外加正向电压导通,二、PN结的单向导电性,（二）外加反向电压截止,第二节PN结,27,P区,N区,外加正向电压,外电场抵削内电场,有利于多子的扩散,很大,限流,防止电流太大,第二节PN结,PN结,多子中和部分离子,使空间电荷区变窄,28,P区,N区,外加反向电压,外电场增强内电场,有利于少子的漂移,很小,第二节PN结,PN结,少子背离PN结移动，,空间电荷区变宽,第三节半导体二极管,一、二极管的结构,三、二极管的伏安特性,四、二极管的主要参数,五、二极管应用举例,二、二极管的单向导电性,30,一、二极管的结构,3.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.构成：,2.符号：,第三节半导体二极管,31,第三节半导体二极管,外壳,阴极引线,金属丝,N型锗片,N型硅,二氧化硅保护层,底座,N型硅,金锑合金,铝合金小球,PN结,点接触型,面接触型,平面型,32,（一）外加正向电压,二、二极管单向导电性,导通，ID大,（二）外加反向电压,截止，I反很小,电流不为零,第三节半导体二极管,限流,防止电流太大,33,三、二极管的伏安特性,UT,导通电压:硅0.6-0.8锗0.2-0.3,第三节半导体二极管,导通电压死区电压,方能正常导通。,（一）正向特性,死区电压:硅0.5锗0.1,34,UT,导通电压:硅0.6-0.8锗0.2-0.3,死区电压:硅0.5锗0.1,反向饱和电流,反向击穿电压,第三节半导体二极管,（二）反向特性,1.U反较小时:I反很小,称为反向饱和电流。,35,第三节半导体二极管,3.产生反向击穿的原因,4.危害:二极管损坏,电击穿:,U反大到一定值时,把共价键中的价电子强行拉出,强电场引起自由电子加速与原子碰撞，将价电子从共价键中轰出,36,UT,导通电压:硅0.6-0.8锗0.2-0.3,死区电压:硅0.5锗0.1,反向饱和电流,反向击穿电压,第三节半导体二极管,归纳,37,第三节半导体二极管,四、二极管的主要参数正确选择和安全使用二极管的指标。,最大正向平均电流,可在半导体手册中查到,38,第三节半导体二极管,（三）反向电流IR：即反向饱和电流。,（二）最高反向工作电压UR二极管不被击穿所容许的最高反向工作电压,为UBR的一半。,反向饱和电流,反向击穿电压,硅管的温度稳定性比锗管好,39,第三节半导体二极管,（二）极间电容,1.PN结存在等效结电容PN结中可存放电荷,相当一个电容。,2.对电路的影响：外加交流电源时，当频率高时，容抗小，对PN结旁通，单向导电性被破坏。,（三）最高工作频率fM,40,第三节半导体二极管,将二极管的特性线性化处理,按线性电路方法处理。,1.二极管理想化模型导通视为短路截止视为开路,（一）二极管等效模型,五、二极管应用举例,2.二极管恒压降模型导通导通电压UD截止开路,41,第三节半导体二极管,导通电压:硅管取0.7V锗管取0.2V,例1-3-1分别用二极管理想模型和恒压降模型求出IO和UO的值。,IO=E/R=6/6=1(mA),UO=V=6V,UO=EUD=60.7=5.3(V),IO=UO/R=5.3/6=0.88(mA),解:,1.理想模型,2.恒压降模型,42,第三节半导体二极管,1.整流：改变信号波形，正弦波变脉动波。,已知：二极管理想化求：uO波形,（二）二极管应用举例,43,第三节半导体二极管,.检波作用：从载波信号中检出音频信号。,讨论,旁路高频信号,载波信号经二极管后负半波被削去,检出音频信号,44,第三节半导体二极管,.限幅：把输出信号的幅度限制在某电平范围内。,已知：二极管UD0.7V求：uO波形,讨论,45,第三节半导体二极管,A、二极管有导通电压导通UD=0.7V。截止视为开路。,讨论,46,第三节半导体二极管,实验一、二极管的限幅作用,实验目的：二极管的限幅作用。,EDA实验,建立电路：二极管双向限幅电路。,实验步骤：1.去掉限幅电路,输出波形为正弦波。2.分别去掉一只限幅二级管，输出波形削去一部分。,链接EDA1,47,第三节半导体二极管,二极管限幅电路,EDA实验,48,第三节半导体二极管,EDA实验,结论:二极管具有限幅作用。,实验数据：,49,第三节半导体二极管,已知:UD0.7V求：uA、uB分别为0.3V、3V不同组合时的uO,.钳位与隔离,讨论,隔离作用二极管D截止时，相当于断路，阳极与阴极被隔离。,钳位作用二极管D导通时，管压降小，强制阳极与阴极电位基本相同。,50,第三节半导体二极管,（1）uA与uB为相同电平时，DA、DB均导通。,uO=0.3+0.7=1V,当uA=uB=3V时:,uO=3+0.7=3.7V,1V,3.7V,当uA=uB=0.3V时:,51,第三节半导体二极管,1V,（2）uA与uB为不同电平时：,DB管的箝位作用：低电平使DB管优先导通，把uO箝位在1V,DA管加上反向电压，不再导通。,二极管箝位作用,DA管的隔离作用：把输入端A和输出端F隔离开。,第四节稳压二极管,一、硅稳压二极管及其特性,二、硅稳压二极管主要参数,53,第四节稳压二极管,一、硅稳压二极管及其特性,（一）稳压作用工作在反向击穿区域。I大变化,U基本不变。,（二）稳压管符号,正向运用：相当导通二极管UZ=0.7V,反向运用：UZU击，起稳压作用,54,(三)应用,稳压管反向击穿不会损坏:经特殊工艺处理。加限流电阻,保证IZIZmax。,UI增加,UO基本不变,增加量由R承担。,限流电阻调节电阻,Uo=UZ,第四节稳压二极管,55,实验二、稳压管的稳压作用,实验目的：稳压二极管的稳压作用。,建立电路：1.取电位器RA调整输入电压UI。2.取电位器RB调整负载RL。,EDA实验,实验步骤：调整RB，改变负载RL，观察前后变化情况。,链接EDA2,第四节稳压二极管,56,EDA实验,稳压电路,第四节稳压二极管,57,结论:RL变化,UO基本不变。,实验数据：,EDA实验,第四节稳压二极管,58,1.稳定电压UZ：反向击穿时电压值。2.稳定电流IZ和最大稳定电流IZmax：IZ指对应稳定电压时的反向电流。IZmax指稳压管允许通过的最大反向电流。,4.动态电阻rZ：愈小稳压效果好。,二、硅稳压二极管主要参数,IZmax,3.最大耗散功耗：PZM=UZIZmax,第四节稳压二极管,59,5.电压温度系数：说明稳定电压随温度的变化程度。,电压温度系数当环境温度变化1时稳定电压变化的百分比。,例：2CW15的U=0.07%/,温度提高，稳定电压增加,第四节稳压二极管,60,归纳,二极管,1.二极管的特性：单向导电性。2.特性曲线：导通电压、反向饱和电流、反向击穿电压。3.应用：整流、限幅、开关。等效电路：理想化型、恒压降型。,4.二极管的主要参数。二极管的结电容。5.稳压管：二极管工作在反向击穿区域。,第四节稳压二极管,思考题,第五节半导体三极管,一、三极管的结构,二、三极管的电流分配关系和电流放大作用,三、特性曲线,四、主要参数,五、三极管应用举例,63,第五节半导体三极管,一、三极管的结构,发射极,基极,集电极,NPN型,64,第五节半导体三极管,P,P,N,发射极,基极,集电极,发射区,发射结,基区,集电结,集电区,PNP型,65,第五节半导体三极管,N,N,P,几百微米,几微米,e,b,c,三极管结构图,b区薄,掺杂浓度最低,c区面积最大,e区掺杂浓度最高,66,第五节半导体三极管,归纳,67,第五节半导体三极管,三极管常见外型图,68,第五节半导体三极管,半导体三极管,观看多媒体动画教学片半导体器件之二,链接动画片,69,第五节半导体三极管,二、三极管的电流分配关系和电流放大作用,三极管可用于放大(也可做电子开关)。,放大将微弱电信号增强到人们所需要的数值。,共发射极放大电路发射极为交流输入和输出电压的公共端,70,第五节半导体三极管,(一)放大的条件,1.加电原则,71,第五节半导体三极管,72,第五节半导体三极管,3.电压数值,73,第五节半导体三极管,（三）电流分配,实验电路,调RB改变发射极电压UBE和基极电流IB,不同IB对应不同的IC和IE,74,第五节半导体三极管,1.电流通路,2.电流流向,75,第五节半导体三极管,3.电流关系,（1）IE=IB+IC,（2）ICIBIEIC,符合基尔霍夫电流定律,76,第五节半导体三极管,测量数据,（3）IB与IC的比例为常数,电流放大作用,77,第五节半导体三极管,测量数据,(4)IB微小变化引起了IC较大变化,称交流电流放大系数，用表示,78,第五节半导体三极管,（5）当IE0，e极开路时,ICBO为反向饱和电流,79,第五节半导体三极管,(6)当IB0，b极开路时,ICEO为穿透电流,电流从c区穿过b区流到e区,80,第五节半导体三极管,（四）放大作用,81,放大的条件,第五节半导体三极管,82,第五节半导体三极管,重要公式,83,c极,b极,e极,N,P,N,c结,e结,RB,三极管内部载流子运动,正向偏置,反向偏置,多子,少子,忽略,84,1.发射区向基区扩散电子,（五）三极管内部载流子运动,2.电子在基区的扩散和复合,e结加正向电压：,3.集电区收集电子,第五节半导体三极管,电源EB不断向基区补充空穴。,c结加反向电压,电源EC不断向发射区补充电子。,85,c极,b极,e极,N,P,N,c结,e结,RB,三极管内部电流分配,少子,ICBO,少数复合,ICN,IBN,IEN,多子,86,载流子运动形成的电流,发射极电流IE:发射区向基区注入电子。,ICN:向C结方向扩散形成电流。,IBN:少数与空穴复合形成的电流。,ICBO:集电区少子漂移形成的电流。,IC:集电区收集电子形成的电流。,IC=ICN+ICBO,第五节半导体三极管,IB=IBNICBO,87,EC,RC,EB,RB,c极,b极,e极,N,P,N,c结,e结,IEN,ICN,ICBO,IBN,三极管电流放大作用,88,EC,RC,RB,c极,b极,e极,N,P,N,c结,e结,IEN,ICN,ICBO,IBN,89,三极管电流放大作用,第五节半导体三极管,三极管结构确定后,IB与IC比例为常数。,基区薄,掺杂浓度低,复合少,IB小。,比例系数,IB微小变化引起IC较大变化：结电压变，IE变，复合的IB小变化，收集的IC大变化。,90,第五节半导体三极管,例1-5-1判断三极管的电极、类型、材料。,讨论,91,第五节半导体三极管,三、特性曲线,管子各电极电压与电流的关系曲线，反映了晶体管的性能，是分析放大电路的依据。,可调电源,限流电阻,限流电阻,92,第五节半导体三极管,(一)输入特性曲线,e结相当一个二极管,但要受输出UCE的影响,近似重合,93,第五节半导体三极管,（二）输出特性曲线,截止区,饱和区,放大区,94,第五节半导体三极管,1.截止区：IB=0以下区域，IC0,特点：失去放大作用。,截止区,IB=0时,IC穿透电流ICEO,95,第五节半导体三极管,2.放大区：曲线平坦部分,特点：受控特性：IC受IB控制。,恒流特性：IB一定时，IC不随ICE而变化。,IC,曲线间距反映电流放大系数,96,第五节半导体三极管,3.饱和区:曲线上升部分,UCE很小，UCEUBE,特点：IC不受IB控制，失去放大作用。,变化小,不成比例,饱和区,UCES饱和压降,97,第五节半导体三极管,UCE=UCB+UBE,UCEUBE时:UCB为负，由反向偏置转为正向偏置。,UCE=UBE时:UCB为零；,98,第五节半导体三极管,UCE=UCB+UBE,深度饱和：UCEICEO时）,2.极间反向电流ICBO，ICEO,衡量三极管质量优劣的参数。受温度影响很大。,101,第五节半导体三极管,e极开路，c-b间加反压时。,（1）集-基反向饱和电流ICBO,（2）集-射反向穿透电流ICBO,b极开路，c-e间加反压时。,不超过100,尽可能小,少数载流子随温度增高而增大。,102,第五节半导体三极管,描述晶体管处于交流工作状态（动态）时放大能力的参数。,(二)交流参数,共射交流电流放大系数,由于制造工艺的分散性，相同型号的管子也有差异。取20100。,103,第五节半导体三极管,(三)极限参数ICM，PCM，UCEO,最大集电极电流ICM:超过时，下降。ICM就是下降到正常值2/3时的IC。,最大集电极耗散功率PCM:PCM=IC.UCEPCM与环境稳度有关，注意手册中对散热片的要求。,为保证晶体管安全工作对它的参数的限制。,104,第五节半导体三极管,级间反向击穿电压:,UCBOe极开路时，c结反向击穿电压。,UEBOc极开路时，e结反向击穿电压。,UCEOb极开路时，c极-e极反向击穿电压。,反向击穿电压,三极管有两个PN结,105,第五节半导体三极管,安全工作区,PCM=ICUCE=常数,106,第五节半导体三极