电工电子-第9章

1、第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管9.2 半导体二极管半导体二极管 9.3 稳压管稳压管9.4 半导体三极管半导体三极管9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性退出退出9.4 半导体三极管半导体三极管9.5 光电器件光电器件第第 9 章章 半导体二极管和三极管半导体二极管和三极管9.1 半导体的导电特性半导体的导电特性共价健共价健 Si Si Si Si价电子价电子 Si Si Si Si价电子价电子这一现象称为本征激发。这一现象称为本征激发。空穴空穴自由电子自由电子 Si Si Si Sip+多多余余电电子子磷原子磷原子在常温下即可在常温下即可变为自由电子变为自由电子失

2、去一个失去一个电子变为电子变为正离子正离子 Si Si Si SiB硼原子硼原子空穴空穴多子的扩散运动多子的扩散运动内电场内电场少子的漂移运动少子的漂移运动浓度差浓度差 扩散的结果使空间扩散的结果使空间电荷区变宽。电荷区变宽。空间电荷区也称空间电荷区也称 PN 结结 +形成空间电荷区形成空间电荷区PN 结变窄结变窄 P接正、接正、N接负接负 外电场外电场IF内电场内电场PN+ 内电场被加内电场被加强，少子的漂强，少子的漂移加强，由于移加强，由于少子数量很少，少子数量很少，形成很小的反形成很小的反向电流。向电流。IR+9.2 半导体二极管半导体二极管9.2.1 基本结构基本结构 将将 PN 结加

3、上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极结加上相应的电极引线和管壳，就成为半导体二极管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。管。按结构分，有点接触型和面接触型两类。点接触型点接触型表示符号表示符号正极正极负极负极金锑合金金锑合金面接触型面接触型N型锗型锗 正极引线正极引线负极引线负极引线 PN 结结底座底座铝合金小球铝合金小球引线引线触丝触丝N 型锗型锗外壳外壳9.2.2 9.2.2 伏安特性伏安特性反向击穿反向击穿电压电压U(BR)反向特性反向特性UIPN+PN+9.2.3 主要参数主要参数 1. 最大整流电流最大整流电流 IOM 最大整流电流是指二极管长时间使用时，允许流过二极管最大整流电

4、流是指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。的最大正向平均电流。 2. 反向工作峰值电压反向工作峰值电压 URWM 它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是它是保证二极管不被击穿而给出的反向峰值电压，一般是反向击穿反向击穿电压的一半或三分之二。电压的一半或三分之二。 3. 反向峰值电流反向峰值电流 IRM它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。它是指二极管上加反向工作峰值电压时的反向电流值。 二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。二极管的应用范围很广，主要都是利用它的单向导电性。它可用与整流、检波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为它可用与整流、检

5、波、限幅、元件保护以及在数字电路中作为开关元件。开关元件。 定性分析：定性分析：判断二极管的工作状态判断二极管的工作状态导通导通截止截止 若二极管是理想的，若二极管是理想的， 例例 1: 在图中，输入电位在图中，输入电位 VA = + 3 V， VB = 0 V， 电阻电阻 R 接负电源接负电源 12 V。求输出端电位。求输出端电位 VY。 解解 因为因为 VA 高于高于VB ，所，所以以DA 优先导通。如果二极管优先导通。如果二极管的正向压降是的正向压降是 0.3 V，则，则 VY = + 2.7 V。当。当 DA 导通后导通后, DB 因因反偏而截止。反偏而截止。 在这里，在这里，DA 起

6、钳位作用，将输出起钳位作用，将输出端电位钳制在端电位钳制在 + 2.7 V。 DA 12VYVAVBDBR练习：练习：D6V12V3k BAUAB+UZIZIZM UZ IZ_+UIOZZ ZIUr 例例 1 图中通过稳压管的电图中通过稳压管的电流流 IZ 等于多少？等于多少？R 是限流电阻，是限流电阻，其值是否合适？其值是否合适？IZDZ+20R = 1.6 k UZ = 12V IZM = 18 mAIZ例例 1 的图的图IZ IZM ，电阻值合适。电阻值合适。 解解 mA5A105A106 . 1122033Z I9.4.1 基本结构基本结构N 型硅型硅二氧化硅保护膜二氧化硅保护膜BEC

7、N 型硅型硅P 型硅型硅( (a) ) 平面型平面型N 型锗型锗ECB铟球铟球铟球铟球PP( (b) )合金型合金型返回返回1. NPN 型三极管型三极管集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区NN集电极集电极 C基极基极 B发射极发射极 EP 不论平面型或合金型，都分成不论平面型或合金型，都分成 NPN 或或PNP 三层，三层，因此又把晶体管分为因此又把晶体管分为 NPN 型和型和 PNP 型两类。型两类。ECB符号符号T集电区集电区集电结集电结基区基区发射结发射结发射区发射区N集电极集电极 C发射极发射极 E基极基极 BNPPN2. PNP 型三极管型三极管CBET符号符号

8、9.4.2 电流分配和放大原理电流分配和放大原理 我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分我们通过实验来说明晶体管的放大原理和其中的电流分配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电配，实验电路采用共发射极接法，发射极是基极电路和集电极电路的公共端。实验中用的是极电路的公共端。实验中用的是 NPN 型管，为了使晶体管具型管，为了使晶体管具有放大作用，电源有放大作用，电源 EB 和和 EC 的极性必须使的极性必须使发射结上加正向电发射结上加正向电压压( (正向偏置正向偏置) )，集电结加反向电压，集电结加反向电压( (反向偏置反向偏置) )。 设设 EC = 6 V，改，改变可变

9、电阻变可变电阻 RB，则，则基极电流基极电流 IB、集电极、集电极电流电流 IC 和发射极电流和发射极电流 IE 都发生变化，测量都发生变化，测量结果如下表：结果如下表：mA AVVmAICECIBIERB+UBE +UCE EBCEB3DG100基极电路基极电路集电极电路集电极电路IB/mA 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10IC/mA 0.001 0.70 1.50 2.30 3.10 3.95IE/mA 0.001 0.72 1.54 2.36 3.18 4.05晶体管电流测量数据晶体管电流测量数据结论：结论：( (1) )BCEIII 符合基尔霍夫定律符合基尔霍夫定律

10、( (2) ) IC 和和 IE 比比 IB 大得多。从第三列和第四列的数据可得大得多。从第三列和第四列的数据可得, 5 .3704. 050. 1BC II 3 .3806. 030. 2BC II 这就是晶体管的电流放大作用。这就是晶体管的电流放大作用。 称为共发射极静态称为共发射极静态电流电流( (直流直流) )放大系数。电流放大作用还体现在放大系数。电流放大作用还体现在基极电流的基极电流的少量变化少量变化 IB 可以引起集电极电流较大的变化可以引起集电极电流较大的变化 IC 。 4002. 080. 004. 006. 050. 130. 2BC II 式中，式中， 称为称为动态电流动

11、态电流( (交流交流) )放大系数放大系数9.4.3 特性曲线特性曲线1. 输入特性曲线输入特性曲线 输入特性曲线输入特性曲线是指当集是指当集 射极电压射极电压UCE为常数时，输入电为常数时，输入电路路( (基极电路基极电路) )中，基极电流中，基极电流 IB 与基与基射极电压射极电压 UBE 之间的关系之间的关系曲线曲线 I B = f (UBE)。O0.40.8IB / AUBE / VUCE 1V604020803DG100 晶体管的晶体管的输入特性输入特性也有一段也有一段死区，只有在发射结外加电压大死区，只有在发射结外加电压大于死区电压时，才会产生于死区电压时，才会产生 IB。 ( (

12、3) )当当 IB = 0( (将基极开路将基极开路) )时，时，IC = ICEO，表中，表中 ICEO 0，UBC UBE。BCII ICEC=UCCIBRB+ UBE +UCE EBCEB共发射极电路共发射极电路IC / mAUCE /V100 A80A60 A40 A20 AIB =0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大 区区 饱和区饱和区截止区截止区( (2) ) 截止区截止区 IB = 0 的曲线以下的的曲线以下的区域称为截止区。区域称为截止区。IB = 0 时时, IC = ICEO( (很小很小) )。对。对 NPN 型硅管，当型硅管，当UBE 0.5 V 时，即

13、已开始截止，但时，即已开始截止，但为了使晶体管可靠截止，为了使晶体管可靠截止，常使常使 UBE 0，截止时集，截止时集电结也处于反向偏置电结也处于反向偏置( (UBC 0) )，此时此时, IC 0 ，UCE UCC 。( (3) ) 饱和区饱和区 当当 UCE 0) )，晶体晶体管工作于饱和状态。在饱和区，管工作于饱和状态。在饱和区，IC 和和 IB 不成正比。此时，发不成正比。此时，发射结也处于正向偏置，射结也处于正向偏置，UCE 0 ， IC UCC/RC 。IC / mAUCE /V100 A80 A60 A40 A20 AIB = 0O 3 6 9 1243212.31.5放放 大大

14、 区区 当晶体管饱和时，当晶体管饱和时， UCE 0，发射极与集电极之间如同一，发射极与集电极之间如同一个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，个开关的接通，其间电阻很小；当晶体管截止时，IC 0 ，发，发射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可射极与集电极之间如同一个开关的断开，其间电阻很大，可见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。见，晶体管除了有放大作用外，还有开关作用。晶体管的三种工作状态如下图所示晶体管的三种工作状态如下图所示+ UBE 0 ICIB+UCE ( (a) )放大放大 UBC 0+IC 0 IB = 0+ UCE UCC ( (b) )截止截止 UBC

15、 0 IB+ UCE 0 ( (c) )饱和饱和 UBC 0+CCCCRUI 管管 型型 工工 作作 状状 态态 饱和饱和 放大放大 截截 止止 UBE/V UCE/V UBE/V UBE/V 开始截止开始截止 可靠截止可靠截止硅管硅管( (NPN) )锗管锗管( (PNP) ) 0.7 0.3 0.3 0.1 0.6 0.7 0.2 0.3 0.5 0.1 0 0.1晶体管结电压的典型值晶体管结电压的典型值9.4.4 主要参数主要参数1. 电流放大系数电流放大系数 ， 当晶体管接成共发射极电路时，在静态当晶体管接成共发射极电路时，在静态( (无输入信号无输入信号) )时集时集电极电流与基极电

16、流的比值称为电极电流与基极电流的比值称为静态电流静态电流( (直流直流) )放大放大系数系数 BCII 当晶体管工作在动态当晶体管工作在动态( (有输入信号有输入信号) )时，基极电流的变化量时，基极电流的变化量为为 IB ，它引起集电极电流的变化量为，它引起集电极电流的变化量为 IC 。 IC 与与 IB的比的比值称为值称为动态电流动态电流( (交流交流) )放大系数放大系数 BCII 在输出特性曲线近于平行等距并且在输出特性曲线近于平行等距并且 ICEO 较小的情况下较小的情况下,可近似认为可近似认为 ，但二者含义不同。，但二者含义不同。 2. 集集基极反向截止电流基极反向截止电流 ICB

17、O ICBO 是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。是当发射极开路时流经集电结的反向电流，其值很小。3. 集集射极反向截止电流射极反向截止电流 ICEO ICEO 是当基极开路是当基极开路( (IB = 0) )时的集电极电流，也称为穿透时的集电极电流，也称为穿透电流，其值越小越好。电流，其值越小越好。 4. 集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 当当 值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为值下降到正常数值的三分之二时的集电极电流，称为集电极最大允许电流集电极最大允许电流 ICM 。 5. 集集射反相击穿电压射反相击穿电压 U(BR)CEO 6. 集电极最大允许耗散功率集电极最大允许耗散功率 PCM 基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，基极开路时，加在集电极和发射极之间的最大允许电压，称为集称为集射反相击穿电压